传热学简化

图 1-7多层平壁的导热
稳态热流通量
• 两侧表面分别维持均匀稳定的温度twl和 tw4 ，在稳态情况下，通过各层的热流通量 是相等的。
• n层平壁
对流换热
• 流动的流体和固体壁面直接接触，当两者的温度 不同时，相互间所发生的热传递过程，称为对流 换热过程 。 • 影响对流换热的因素有五个方面： • 1 ．流体流动的起因和流动状态 • 2 ．流体的种类和物理性质 • 3 ．流体的相变 • 4 ．换热表面几何尺寸、形状 • 5.换热表面与流体的相对位置
热传递的三种基本方式
• 热传递有三种基本方式，即热传导、热对流和热 辐射。 • 实际的工程应用中所遇到的热传递现象，常常是 由几种基本方式共同作用的结果。例如房屋墙壁 在冬季的散热，可分为三段，首先热由室内空气 以对流换热和辐射方式传给墙内表面；再由墙内 表面以固体导热方式传递到墙外表面；最后由墙 外表面以空气对流换热和墙与物体间辐射方式把 热传给室外环境。
• 于是，第二类边界条件可以表示为 • ( 1-23 )
同一界面不能同时给出两种边界条件
• 对于稳态导热过程， tf 和 α不随时间而变 化； • 对于非稳态导热过程，tf 和 α可以随时间而 变化，这时还要给出它们和时间的具体函 数关系。 • 在确定某一边界面的边界条件时，应根据 物理现象本身在边界面的特点给定，不能 对同一界面同时给出两种边界条件。
热传导
• 热传导简称导热，是物体各部分无相对位 移或不同物体直接接触时依靠分子、原子 及自由电子等微观粒子热运动而进行的热 量传递现象，导热是物体的属性，导热过 程可以在固体、液体及气体中发生。但在 引力场下，单纯的导热一般只发生在密实 的固体中，因为，在有温差时，液体和气 体中难以维持单纯的导热。
传热学
概念
传热学在高端科学领域的作用1
• 航天飞机在地球轨道上将反复地经受因太 阳直接辐照产生的高温和进入地球阴影时 面对接近0K 的宇宙空间导致的低温，变化 范围达到 55-15℃ ，同时还要经受高真空 环境； • 航天飞机以 7 . 5km / s 的速度从 120km 高度重返地球大气层时，飞行器表面的热 流密度大约达 105W / m2 ，机翼前缘和头 锥帽上的温度高达 1650 ℃ 。
一种简单而常见的典型情况是恒壁温边界条 件。即
第二类边界条件1
• 第二类边界条件是已知任何时刻物体边界面上的 热流通量。该热流通量可以是空间位置和时间的 函数，第二类边界条件可以表示为 • • 因为傅里叶定律给出了热流通量矢量与温度梯度 之间的关系，所以第二类边界条件等于已知任何 时刻物体边界面法向的温度变化率的值，第二类 边界条件还可表示为 • ( l-19 ) • 式中：n 代表边界面某处的外法线方向。负号表 示热量减少为正。
• (0-5 )
• 式中 tw ― 固体壁面表面温度，℃ ； • tf ― 流体温度，℃ ； • α一对流换热表面传热系数，也称换热系数，其 意义是指单位面积上，当流体与壁之间为单位温 差，在单位时间内所能传递的热量， W / ( m2 ·℃ ）或 J / ( m2 ·S ·℃ ） ; α的大小反映 了对流换热过程的强弱，附录列出了一些典型条 件下α的范围，可供参考。。
传热过程三阶段
• 热量由热流体以对流换热传给壁左侧，对单位时间和单位面积有 • 热量以导热方式通过壁，则
• 热量由壁右侧对流换热传给冷流体 • 整理后得
• 对 Am2的平壁，传热量为
• 式中： K 为传热系数，它表明单位时间、单位壁面积上，冷热流体 间每单位温度差可传递的热量。
K -传热系数
• K的国际单位是
实际物体的辐射力
• 实际物体的辐射力 • ( 0-8 ) • 式中：ε-为实际物体表面的发射率，又称黑 度，其值处于0-1 之间。
辐射换热
• 物体间靠热辐射进行的热量传递称为辐射 换热，它的特点是，在热辐射过程中伴随 着能量形式的转换（物体内能～电磁波 能～物体内能）； • 不需要冷热物体直接接触；不论温度高低， 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体的能 量大于低温物体向高温物体辐射的能量， 总的结果是热由高温体传到低温体。
单层平壁导热图
• 图 1-5 单层大平壁导热
单层平壁的热流通量
• 单层平壁的热流通量
• 若给定第三类边界条件，如图 1-6 ，应用热阻的概念可以 写出
• ( 1-31 )
图 1-6
易搞错的单位换算
б-微小量; d-微增量;△-变化量。
• 功量是迁移能，是热力系在热力过程中跨过边界 与外界交换的能量。 • 一旦它们越过边界，便转化为系统或外界的能量。 • 功量不是状态参数，说系统或外界在某状态下有 多少功是毫无意义的。 • 微元过程中，系统与外界交换的功量不是微增量 而是微小量，所以用符号бw、 бW(微小量 )，而 不用 dw 、 dw(微增量) 表示。
热辐射
• 导热或对流都是以冷、热物体的直接接触 来传递热量的，热辐射则不同，它依靠物 体表面对外发射可见和不可见的射线（电 磁波，或者说光子）传递热量。热辐射是 唯一一种非接触的传热方式。 • 物体表面每单位时间单位面积对外辐射的 热量称为辐射力，用 E 表示，它的常用单 位是 J / ( m2 ·S ）或 W / m2 ，其大小与 物体表面性质及温度有关。
多孔介质中的传热传质
• 多孔介质中的传热传质是当今传热学科很活跃的 一个前沿领域。所谓多孔介质是以自然形态存在 的一类特殊材料，如土壤的团粒结构，很多建筑 材料，如混凝土、砖、砂石等，生物材料，像人 和动物的组织、脏器和皮肤等。它们一般是由固 体骨架或固体颗粒堆积组成的多相体系，其中的 质量、动量和热量的传递规律是揭开很多大自然 秘密的关键因素。 • 生物传热学是近年才发展起来的新兴传热学科分 支。
传热学在高端科学领域的作用2
• 航天飞机还必须能够经受太阳紫外线、高 能粒子和微陨石可能的撞击。在这样严酷 的情况下要能够保证飞行安全，内部的人 员、设备不受任何干扰，必须采取特殊有 效的热防护措施一陶瓷防热瓦。 • 航天飞机和宇宙飞船均有5万件以上的零缺 陷的零部件。
海洋温差能
• 再比如地球上蕴藏海洋温差能极大，但是 可利用的温差仅 15-25 ℃ ，要在这样小的 温差下充分利用这个巨大的能源，非得有 换热效率极高的热交换设备不可。
对流换热量
• q 为对流换热量，按牛顿冷却公式，则为
• 式中αx― 壁面x处的局部换热系数； • ( tw-tf ）-壁面二处壁温与流体温度的差值。
速度边界层
• 在壁面附近，速度有强烈变化的流体薄层，称为 速度边界层。 • 通常把从速度为零的壁面到速度达到来流速度u∞ 的 99 ％处的距离，定义为速度边界层的厚度δ。
边界条件1
• 边界条件说明导热物体在其边界面上与外部 环境之间在传热方面的相互联系。常见的边 界条件有三种 • ( 1 ）第一类边界条件是已知任何时刻物体 边界面上的温度值（可用于非稳态导热过程）
• 式中下标 S 表示边界面， tw 是温度在边界面 S 的给定值。
边界条件2
• 对于稳态导热过程， tw 不随时间发生变化， 但可以随位置不同发生变化。
图 0-1 两流体间的传热过程
• 0-1
稳态传热
• 设有一大平壁，面积为 Am2 ，两侧分别为温度 tfl 的热流体和tf2的冷流体，两侧换热系数分别为 αl ’及α2，两侧壁面温度则分别为 twl 和tw2，壁 材料的导热系数为λ，厚度为δ，如图0-1 所示。 • 若传热工况不随时间变化，即各处温度及传热量 不随时间改变，传热过程处于稳态。 • 又设壁的长和宽均远大于它的厚度，可认为热流 方向与壁面垂直。若将该平壁在传热过程中的各 处温度描绘在同一 t-x 坐标图上，图中的曲线所 示，即该传热过程的温度分布。
热对流
• 依靠流体的运动，把热量从一处传递到另 一处的现象，称为热对流，它是热传递的 另一种基本方式。所以热对流与流体的流 动有关。若热对流过程中单位时间通过单 位面积所有质量 的流体由温度 t1 的地方流到 t2处，则此热对流传递的热量 为(0-4 )
牛顿（ Isaac Newton ）的冷却定律公式
第二类边界条件2
• 一种简单而常见的典型情况是恒热流边界 条件 ( 1-20 ) • 若边界处热流通量等于零，则称为绝热边 界条件，此时第二类边界条件简化为( l-21 ) • 由此可见，第二类边界条件实质上就是给 定边界面上的温度梯度，无论它等于变量、 常数或是零。
第三类边界条件
• 第三类边界条件是已知边界面周围流体温 度tf，和边界面与流体之间的对流换热系数 α。根据牛顿冷却定律，物体边界面与流体 间的对流换热量可以写作 ( 1-22 )
• • • • •
K 能反映传热过程的强弱。 按热阻形式改写得 ( 0-12 ) Rk 为平壁单位面积传热热阻，即 ( 0-13 )
• 传热过程的热阻等于热流体、冷流体与壁面的对流换热热 阻及壁的导热热阻之和，相当于串联电阻的计算方法
表 1 - l 几种典型材料在 20 ℃ 时的导热系数数值
保温材料
与热量交换有关的参数及单位
• λ ：导热系数 W / ( m ·℃ ） • α:换热系数 • Κ：传热系数 • ：热扩散率是反映流体中分子热量扩 散能力的参数。 • E：辐射力 • 黑度：把实际物体的辐射力 E 与同温下黑 体辐射力 Eb 的比值称为该物体的黑度，即
多层平壁导热
• 工程中经常出现由导热系数不Biblioteka Baidu同的几种 材料组成的多层平壁，如图 1-7 。在第一 类边界条件图 1-6 单层平壁的传热下的三 层平壁，各层之间紧密结合，即彼此接触 的两表面具有相同的温度，各层厚度分别 为δ1、δ2、δ3，导热系数分别为λ1、λ2、 λ3 ，两侧表面分别维持均匀稳定的温度twl 和 tw4 ，在稳态情况下，通过各层的热流 通量是相等的。
• 速度梯度大表明粘滞应力也大 (运动黏度=动力
黏度/流体密度)
图 3-4外掠平板流动边界层及局部换热系数
• 图 3-4
速度边界层的重要特征
• 综合上述分析，： • ( 1 ）边界层厚度与平壁的定型尺寸 L 相比是极 小的。 • ( 2 ）边界层内存在较大的速度梯度。 • ( 3 ）边界层沿流体流动方向逐渐增厚。 • ( 4 ）流场可以划分为边界层区和主流区（边界层 以外的区域， u 在 y 方向不再发生变化，称为主 流区，速度为主流速度u∞，只有在边界层内才显 示流体粘性的影响。
雷诺数Re
• 从板前缘开始，在某一段距离 xｃ内，边界 层保持层流，超过这段距离后流体开始转 变为紊流，xｃ称为临界距离。xｃ由临界 雷诺数 Reｃ来确定。 • 雷诺数Re是个无量纲的数，被定义为 • 式中 L -定型尺寸；
傅里叶（ J osePh Fourier ）固体计算公式
• （0-1） • （0-2） • • • • •
式中 A-垂直于导热方向的壁面积， m 2 ; δ-壁厚度， m ; △t ― 壁两侧表面的温差， λ ― 导热系数，也称热导率。 意义：指具有单位温度差的单位厚度物体，在它的单位面 积上每单位时间的导热量，它的国际单位是 W / (m· ℃ ），它表示材料导热能力大小。
绝对黑体
• 绝对黑体（一种理想的热辐射表面），理论和实 验证实，它的辐射力 Eb 与表面热力学温度T的 4 次方成比例，即斯蒂芬一玻尔茨曼定律 • (0-7 ) • 式中Eb― 绝对黑体辐射力， W / m2; • ζb― 绝对黑体辐射常数， • T一热力学温度， K 。 • 一切实际物体的辐射力都低于同温度下绝对黑体 的辐射力。
• 国家标准规定，当温度不高于 350 ℃ 时，导热系数小于 0 . 12W / ( m ·℃ ） 的材料称为保温材料（或绝热材料）， 如膨胀塑料、膨胀珍珠岩、矿渣绵等。 常温下空气的导热系数为 0 . 0257W / ( m ·℃ ），是很好的保温材料。
导热问题的四项定解条件
1 ．几何条件几何条件说明参与导热过程的物体的 几何形状和大小。对工程传热问题进行合理简化 和抽象，几何条件将发挥重要作用。 • 2 ．物理条件物理条件说明参与导热过程的物体 的物理特征。例如，给定各项物性参数，说明它 们是否随温度变化，是否存在内热源，是否均匀 分布等情况。 • 3 ．时间条件 • 4 ．边界条件