5-传热学与流体力学基础PPT

• 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
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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；
傅里叶定律
• 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
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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。
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导热公式告诉我们
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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。
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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)
• 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。
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• 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。
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辐射的过程与能量
• 物体的热辐射过程， 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
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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；
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• 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 。
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传热过程示意图
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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，
• 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。
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不同换热状态下表面传热系数的大 致数值范围
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微型板式换热器
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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
。
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• ，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）
• 热量传递过程的推动力是“温差”
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• 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。
• 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
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在传热路径上，必须改善瓶颈
• 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；
传热学与流体力学基础
（第四课）
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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” ；
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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。
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• 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。
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•银 • 纯铜 • 电解铝 • 纯铁 •钛 • 铜铝合金 • 碳钢 • 玻璃 • 棉花/( m·k)
λ = 399
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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)。
• 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。
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导热系数（热导率）λ
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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：
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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）
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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。
• 要提高通道的能力必 须提高瓶颈的能力；
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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：
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；
• 热辐射具有强烈的方向性，辐射能与温度以 及波长有关 。
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红外测温
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红外热成像
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视夜镜在军事上的应用
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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。
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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 。