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1、传热学 Heat Transfer,传热学,(1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法,(2) 热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给 低温热源 有温差就会有传热 温差是热量 传递的推动力,3,传热学与工程热力学的关系,(1) 热力学 + 传热学 = 热科学, 系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。, 关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。,热力学： 传热学：,图 传热学与热力学的区别,(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始终从高温热源向低温热院传递，如果没有能量形式的转化，则 始终是
2、守恒的,4,热量传递的三种基本方式,导热(热传导)：conduction 对流(热对流)：convection 热辐射：radiation,5,导热 Conduction,6,1 导热的基本定律：傅立叶定律,：热流量，单位时间传递的热量W； A：垂直于导热方向的截面积m2； ：导热系数（热导率）W/( m K) ? 热流矢量与温度梯度的关系? 成正比，方向相反,7,导热系数,表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。 在稳态导热中，决定物体内温度分布的是导热系数。,8,导热热阻的图示,如何削弱传热？ 采用导热系数较小的材料使导热热阻增加,9,时间条件：,稳态导热：导热过程的进
3、行不随时间发生变化。 （导热系数） 非稳态导热：导热过程的进行随时间发生变化。 因此，应该说明过程开始时刻物体内的温度分布。（导温系数） 非正规状况阶段（起始阶段）、正规状况阶段、新的稳态,10,边界条件,第一类边界条件： 已知任何时刻物体边界面上的温度值。 第二类边界条件：已知任何时刻物体边界面上的热流密度。 第三类边界条件：已知流体温度和表面传热系数。,11,对流换热 Convection,定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。,2 对流（热对流）(Convection),对流换热中边界层的示意图,13,(2) 对流换热：,
4、当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点： a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观 运动；也必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层,14,15,对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式,对流换热系数(表面传热系数), 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量,如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题,16,温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况（层流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等 温度场取决于流场,速度场和温度场由对流换热微分方程组确定：,连续方程、动量守恒方程、能量
5、守恒方程,对流换热过程微分方程式,hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度,17,对流换热的影响因素,对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面： (1)流动起因; (2)流动状态; (3)流体有无相变; (4)换热表面的几何因素; (5)流体的热物理性质,18,管内强制对流换热,1.流动有层流和湍流之分 层流： 过渡区： 旺盛湍流：,19,2. 入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 层流入口段长度: 湍流时:,层流 抛物线,湍流 对数曲线,20,管内对流换热的流态判定：Re,紊流： 层流：,强化流体在管内对流换热的措施： 在管内加内插物
6、 加大管内流体流速 把圆管换成椭圆管,21,外部流动强制对流换热 外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。,横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。,22,边界层的成长和脱体决了外掠圆管换热的特征。,23,横掠管束换热,外掠管束在换热器中最为常见。 通常管子有叉排和顺排两种排列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。,影响管束换热的因素除Re，Pr 数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。,24,热辐射 Radiation,25,热辐射,(1) 定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象,26
7、,(2) 热辐射特点,a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射； b 可以在真空中传播； c 伴随能量形式的转变； d 具有强烈的方向性； e 辐射能与温度和波长均有关； f 发射辐射取决于温度的4次方。,(4) 辐射换热的特点,a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量 b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能,(3) 辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。,28,c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、相互辐射能量； 高温物体辐射给低温物
8、体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温,29,（5） 吸收、反射和穿透,当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透.,30,对于大多数的固体和液体： 对于不含颗粒的气体： 对于黑体： 镜体或白体：,透明体：,反射又分镜反射和漫反射两种,镜反射,漫反射,31,黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强,黑体辐射的 Stefan-Boltzmann 定律 ：,，,两黑体表面间的辐射换热,32,角系数：,有两个表面，编号为1和2，其间充满透明介质，则表面1对表面2的角系数X1,
9、2是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1辐射能量的百分比。即,33,吸收比,物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即,34,实际固体和液体的辐射特性,真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体； 因此，定义了发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:,35,漫表面(漫射表面)：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关, 辐射强度在空间各个方向上都相等.,灰表面(灰体) 实际物体的理想化; 其光谱发射率 和光谱 吸收率 与波长无关,36,灰体的吸收率与波长有关吗？ 灰体吸收比都是同一个常数。其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相
10、同的比例。 灰表面的热阻: 与表面粗糙度，表面尺寸 ，表面材料有关,37,表面同温度下的发射率等于其吸收率的表面为：漫灰表面 漫灰表面:,38,传热过程和传热系数,1 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热,2 传热过程包含的传热方式：,导热、对流、热辐射,39,增强换热的主要方法：,扩展传热面 改变流动状况：增加流速、加插入物扰动、 旋转流动装置、射流方法 3.使用添加剂改变流体物性：气流中添加少量固体颗粒、蒸汽或气体中喷入液滴 4.改变表面状况：增加粗糙度、表面涂层改变表面结构,40,5.改变换热面的形状和大小 6.改变能量传递方式：对流辐射板 7.靠外力产生振荡，强化传热：使传热面或流体振荡、对流体施加声波或超声波，增加脉动、外加静电场加强电介质流体的混合,41,削弱换热的主要方法：,1、覆盖热绝缘材料：泡沫、超细粉末、真空 2、改变表面状况： 改变表面辐射特性： 附加抑制对流的元件、 在保温材料表面或内部添加憎水剂（使其不吸湿不受潮） 3.采用导热系数较小的材料使导热热阻增加,42,强化辐射换热的主要途径有两种： (1) 增加发射率；(2) 增加角系数。 削弱辐射换热的主要途径有三种： (1) 降低发射率；(2) 降低角系数； (3) 加入隔热板。 其实插入防热板相当于降低了表面发射率。,
