5-传热学与流体力学基础

不同换热状态下表面传热系数的大 致数值范围
• 和导热系数相似的是，物体的状态对表面 换热系数也有极大的影响：水蒸气的换热 系数低于水的表面换热系数； • 另外还应该注意到，在水的沸腾和凝结换 热时其表面换热系数有显著的提高，尤其 是蒸发过程的沸腾换热，说明流体的状态 对换热系数的影响规律； • 在热泵工质循环的蒸发器和冷凝器中，也 发生着制冷剂的沸腾和凝结，对换热过程 有很大的影响。
热辐射是由热运动产生的，以电磁 波形式传递的能量
• 任何物质都具有热辐射的能力，热辐射的唯 一条件是它的温度必须高于绝对温标的零度 （0K），而达到或低于这一绝对零度是绝对 不可能的，所以，任何物体，都会不停地向 周围空间发出热辐射； • 同一件物体，它的辐射能与它自身的温度正 相关，即温度越高，发射的热量就越多，但 是物质不同，或者其表面形状不同，在同样 的温度下辐射能力也不相同，受材料粗糙度、 氧化情况等因素的影响 • 热辐射具有强烈的方向性，辐射能与温度以 及波长有关 。
传热过程与传热系数
• 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面 进行的换热。 • 传热过程中，固体壁面两侧不同温度的流 体不能互相混合，仅能透过改固体壁面进 行热的传递。 • 工程上实际发生的热量传递，基本上都不 会是单一的热量传递形式 ，三种热量传递 的形式经常是同时存在的 。
• 传热过程中，固体壁面两侧的温差越大， 高温流体向低温流体传递热量的能力就 越强，这一点和导热及对流的热传递规 律是一致的； • 但是温差不是影响传热量唯一的因素， 传热量还与流体流动状况和固体壁面材 料本身有关，传热量公式表达式为 ： • Φ＝KA(T1-T2) ＝KAΔT • 式中，K为单位面积固体表面（参与换热 的面积）的总传热系数，简称传热系数， 单位是W/m· K 。
导热的定义
• 指温度不同的物体各部分或温度不同的两 物体之间直接接触时，依靠物体分子、原 子及自由电子等微观粒子的热运动而进行 的热量传递现象； • 导热的特征是：发生导热时，物体分子的 各部分之间并不发生相对位移，物体间也 无“质”的传递与混合，而是将其无规则 的分子运动能量传递给相邻的物体；
傅里叶定律
在强迫对流中，雷诺数的大小是流体流动 状态的定量标志：在管内流动中，R小于 2300时，流动状态为层流，当R大于4000时， 流动状态为紊流，而在2300-4000之间则为 过渡状态；
接触热阻
• 由于固体壁面的表面粗糙不平，或者存在有表面 污垢和氧化腐蚀等现象，在两个壁面接触时，从 微观上看，只有部分固体真正实现了紧密的接触， 其他部分是空隙，空隙里面是导热性很差的空气、 油污和杂质等，形成了导热路径上额外的热阻r， 这个就是热阻称为“接触热阻”。 • 接触热阻对于导热是十分不利的，也是难以避免 的，在实际工程中，一般采用以下方法，如涨管、 垫铜箔、浸焊和充填导热膏等办法：提高接触面 的压力，增加接触的面积，都可以促进接触热阻 的减少。
微型板式换热器
表面换热系数的定义
• 对于表面换热系数可以这样理解：在1℃的 温差下，该表面每一平方米面积的换热能 力，即是该表面的“表面换热系数”。
• 单位是
。
• ，对于一个换热装置来讲，影响其对流换 热能力的三个最主要因素是表面换热系数、 换热面积和传热温差，这三个因素中任何 一项的提高，都会提高该换热装置的换热 能力；（相同金属材料的前提下） • 但是在实际的热泵换热器设计和制造中， 为了追求设备的紧凑性和经济性，不会一 味的通过加大换热器的换热面积来提高换 热能力，而实际的工艺要求又往往不允许 过大的传热温差，（如热泵和冷冻装置的 蒸发器和冷凝器），所以如何提高换热器 的表面传热系数，成为换热器设计中最重 要的一环。
沸腾现象也分为分为核态珠态沸腾和膜态沸腾两大类同样的膜态沸腾也是不利于换热的50改善膜态换热的方法用烧结钎焊火焰喷涂电离沉积等物理与化学工艺在换热表面上形成多孔结构利用机械加工方法形成凹坑51换热器流体的相对流动方向对于换热性能有很大的影响原因是由于流体的方向不同将导致换热的平均温差不同逆流换热能够获得更大的平均换热温差所以在热泵热水器的套管板式换热器中一定要使两种流体的热辐射过程， 是一个动态平衡的 过程：它在向外进 行热辐射的同时， 正身也在吸收热辐 射 ； • 辐射传热不需要介 质，可以在真空进 行，对空气加热也 很少
吸收率、发射率和黑体
• 认识热辐射，有两个重要的指标，一个是 发射率，一个是吸收率； • 为了消除物体表面性质对辐射的影响，科 学家们虚拟了一种理想物体，它的吸收率 为100%，我们称其为黑体， • 黑体同时也是热发射率最高的物体，所有 实际物体的吸收率和发射率，都低于黑体， 黑体的辐射热的能力与温度、面积紧密相 关：
对流换热的多种形式
• 按流体是否发生相变划分，有相变的分为 蒸发换热或者冷凝换热，无相变的则成为 普通换热； • 在空气源热泵热水器的冷凝器和蒸发器内 进行的换热过程，都是有工质发生相变的 对流换热过程，蒸发器中沸腾气化，冷凝 器中凝结液化。 • 有相变的换热过程更加复杂，影响换热的 因素更多。
• 按引起流体流动的原因，如由水泵和风机 引起的流体强迫流动，称为强制（受迫） 对流换热； • 如果对流运动是由于自身的温度不均以致 密度不均造成的，则称为自然对流换热； • 在实际的热泵系统中，无论冷凝器还是蒸 发器，多数都是强制对流换热，因为强制 对流换热的换热系数要高的多，同时也不 易积垢。 • 按流体的流动状态还可以分为层流换热和 紊流换热，层流是在进行换热器设计和校 核时要尽量避免的情况。
• 通常把导热系数较高的金属材 料称为导热材料，如铜、铝和 钢。 • 而把导热系数在0.05 W/米· ℃ 以下的材料称为保温材料，如 泡沫塑料。
• • • • • • • • • • •
银 纯铜 电解铝 纯铁 钛 铜铝合金 碳钢 玻璃 棉花 聚苯乙烯 水垢
λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ
附：选择性吸附涂料
• 黑色涂层的吸收率很高，但是发射率同样 很高，为了提高太阳能的热利用效率，科 学家们研究了许多降低集热器发射率的方 法和材料，力图在尽量少的降低吸收率的 情况下，降低集热器的发射率； • 选择性吸附涂层就是这样一种新的技术： 它虽然降低了吸热材料吸收率，但是更大 程度的降低了它的发射率，最终达到提高 集热器效率的目的。
导热系数的大致规律
• 对于绝大部分物质来讲，金属的导热系数最 高，液体次之，而气体最低； • 每种物质都有自己特定的导热系数 。大体上 是固体≥液体≥气体 ； • 一般的，导电性好的材料，导热性也好； • 导热系数与状态有关，例如冰的导热系数为 2.22 W/( m· k)，水的导热系数为0.599 W/( m· k)，而水蒸气的导热系数仅为0.0194 W/( m· k)。
• 导热量，与导热系数成正比，与导热面积 成正比，与温差成正比
• 式中：Ф为传热量，“A” 为垂直于导热方 向 的传热面积；“λ”为物质的导热系数， 为温差
平板的导热
• 如图，对于一 大块平板的导 热，假如其厚 度为δ，面积 为A，两端的温 差为Δt,导热 系数为λ。
导热公式告诉我们
• 这个公式可以看出，在传导过程中的传热 量Ф是与导热系数λ，导热面积A和两物体 的温度差Δt成正比的； • 在上述的三个因素中，任何一个因素的增 加都会导致传热量的增加，任何一个因素 的减少，又都会导致传热量的减少； • 而传热量Ф，与平板的厚度δ成反比，即 增加板的厚度δ，将降低传热量。
强化换热处理。
• 在实用的换热器中， 由于换热器两侧流体 的换热能力可能差别 很大，这样就造成换 热器的换热能力不足， 根据热阻串联的规律， 我们应该去加强换热 较差的那一侧的换热。
对于冷凝器的强化换热处理
• 将光滑铜管加工成如图 的螺旋管，以改善换热， 通过改变铜管的整体形 状，使流体流动时不断 改变方向，扰动程度加 强，从而提高换热系数。 • 内外肋管，即增加了换 热面积，也加强了流体 的扰动，从两个方面使 换热性能得到改善
红外测温
红外热成像
视夜镜在军事上的应用
辐射供暖
• 红外线辐射供暖的辐射 强度高、效果好，在辐 射供暖的环境中，围护 结构、地面和环境中的 设备表面有较高的温度 ，所以人体有较好的舒 适感，此时人的实感温 度高于周围环境的空气 温度。
• 斯忒潘-玻耳兹曼定律（黑体）
• 式中：A为辐射面积， σ为常数，σ = 5.67×10<-8次方>（M· K ）， T 为 绝对温度。
对流换热的基本计算公式—— 牛顿冷却公式
• Ф = h A （t1－t2）＝h A Δt • 式中：Ф为换热量；h为表面传热系数，单 位是W / m· K；A为换热面积，单位是平方米， t1和t2为高、低端温度，Δt为传热温差。 • 要特别注意材料的导热系数λ和表面换热 系数h是两个意义不同的概念； • 导热系数是描述某种物质材料本身的导热 性能，单位是W/( m· k)
• 热的传递过程是一个 “串联”的形态 • 热量从A介质传给壁面 的一侧，经过该材料 的导热传递到另外一 侧，再由表面传给介 质B，可以看成一个公 路的三个段； • 要提高通道的能力必 须提高瓶颈的能力；
流体的流态与雷诺数
雷诺数，是表征流体流动特性的一个重要 参数，符号为R，它表示流体流动时的惯性 力F和粘性力(内摩擦力)F之比：
• 由热力学第二定律得知：热量可以自发地 由高温热源传给低温热源； • 热量传递的必要条件是温差，有温差就会 有传热，温差是热量传递的推动力,没有温 差热量就不会发生传递。 • 热量传递的方向：热量总是由高温的物体 传递给低温的物体，不可能出现相反的热 传递现象。 • 在实际中发生的传热过程，往往是三种传 热方式的共同作用的总和。
边界层概念及边界层换热
• 边界层内有流动极差的滞 留层，由于此时此处的热 量传递主要靠导热性能很 差的流体自身传导来进行， 所以热传递效果极差； 厚度对传热影响极大； 边界层的破坏和降低其影 响，是换热器设计的主要 任务； 粗糙的表面会降低边界层 的影响；
= = = = = = = = = = =
429 399 237 81.1 22 56 35-49 0.65-0.71 0.049 0.042 1.31-3.14
W/( W/( W/( W/( W/( W/( W/( W/( W/( W/( W/(
m· k) m· k) m· k) m· k) m· k) m· k) m· k) m· k) m· k) m· k) m· k)
传热学与流体力学基础
（第四课）
传热的三种基本形式
• 热量传递的三种基本方式是：导热(热传 导)、对流(热对流)和热辐射 。 • 传热学是热泵最重要的基础之一：热泵热 水器相当大一部分的设计和制造问题，是 传热问题，在热泵系统的四个主要部件里， 专门用于传热的就有两个，蒸发器与冷凝 器，即俗称的“两器” ； • 热量传递过程的推动力是“温差”
导热系数（热导率）λ
• 导热系数是物质固有的物性参数 ； • 导热系数是指：在稳定的传热条件下，1米 厚的材料，两侧表面的温差为1度（K）,在 单位时间内，通过1平方米面积所传递的热 量，单位为瓦/米· 度（W/m· K，此处的K也可 用°C代替）； • λ反映该材料本身的热传导能力。 • 不同物质热导率的差异：是由物质状态、 构造、晶体、分子状态等因素造成的 。
传热过程示意图
改善传热过程的主攻方向
• 在热量的传递过程中，有的传热步骤传热 很好，而有些传热步骤则可能很差，存在 着不平衡的情况， • 好比一条由公路-桥梁-公路串联而成的道 路，通过能力最差的一段往往成为道路流 通的“瓶颈”。 • 对传热过程阻碍最大的，是导热系数最差 的环节
在传热路径上，必须改善瓶颈
热辐射
• 物体间通过辐射来实现热量交换的过程称 为辐射换热； • 它无须物质之间的相互接触，也不需要传 热介质来传递热量，在真空中同样可以进 行，太阳的热量就是这样传递到地球并养 育万物生长的。 • 物体会因为很多原因发出辐射，因为热的 原因发出的辐射称为热辐射，热辐射也是 电磁波，它的波段范围在0.1-100μm之间。
对流换热
• 热对流是流体（液体和气体）各部分发生宏观运 动而引起的热量传递现象，而对流换热是运动着 的流体同与之相互接触的物体表面之间由于温差 的存在而发生的热量传递 ； • 对流换热是导热与热对流同时存在的复杂热传递 过程。 • 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动，也 必须有温差。 • 接触壁面处，流体会形成速度梯度很大的边界层 （附面层）