傳熱學(xué)總結(jié)(期末復(fù)習(xí)專用)

第一章 傳熱學(xué)是研究有溫差存在時(shí)熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科 1 物體內(nèi)只要存在溫差 就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分 2 物體之間存在溫差時(shí) 熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體 根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系 熱量傳遞過(guò)程可分為兩類 穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程和非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程 傳熱學(xué)研究的對(duì)象是熱量傳遞規(guī)律 熱流量 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一給定面積的熱量稱為熱流量 記為 單位W 熱流密度 面積熱流量 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量稱為熱流密度 記為q 單位w 熱量傳遞的三種基本方式 1 熱傳導(dǎo) 導(dǎo)熱 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí) 依靠分子 原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱熱傳導(dǎo) 導(dǎo)熱的基本規(guī)律 傅立葉定律 稱為熱導(dǎo)率 又稱導(dǎo)熱系數(shù) 表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù) 是一種物性參數(shù) 單位 w mk 不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同 即使同一種材料導(dǎo)熱系數(shù)值與溫度等因素有關(guān) 金屬材料最高 良導(dǎo)電體 也是良導(dǎo)熱體 液體次之 氣體最小 2 熱對(duì)流 是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng) 從而使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移 冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程 對(duì)流僅發(fā)生在流體中 對(duì)流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象 對(duì)流換熱 指流體流經(jīng)固體表面時(shí)流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象 1 根據(jù)對(duì)流換熱時(shí)是否發(fā)生相變分 相變對(duì)流換熱和單相對(duì)流換熱 2 根據(jù)引起流動(dòng)的原因分 自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流 對(duì)流換熱的基本規(guī)律h 比例系數(shù) 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 單位 h的物理意義 單位溫差作用下通過(guò)單位面積的熱流量 一般地 就介質(zhì)而言 水的對(duì)流傳熱比空氣強(qiáng)烈 就傳熱方式而言 有相變的強(qiáng)于無(wú)相變的 強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)于自然對(duì)流 3 熱輻射 物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱為輻射 因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射 輻射傳熱 輻射與吸收過(guò)程的綜合作用造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞稱輻射傳熱 導(dǎo)熱 對(duì)流兩種熱量傳遞方式 只在有物質(zhì)存在的條件下 才能實(shí)現(xiàn) 而熱輻射不需中間介質(zhì) 可以在真空中傳遞 而且在真空中輻射能的傳遞最有效 在輻射傳熱過(guò)程中 不僅有能量的轉(zhuǎn)移 而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)換 輻射傳熱是一種雙向熱流同時(shí)存在的換熱過(guò)程 即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能 而且低溫物體向高溫物體輻射熱能 把吸收率等于1的物體稱黑體 是一種假想的理想物體 實(shí)際物體輻射熱流量根據(jù)斯忒潘 玻耳茲曼定律求得 傳熱過(guò)程 熱量由壁面一側(cè)的流體通過(guò)壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過(guò)程稱傳熱過(guò)程 傳熱過(guò)程三個(gè)環(huán)節(jié) 1 從熱流體到壁面高溫側(cè)的熱量傳遞 2 從壁面高溫側(cè)到壁面低溫側(cè)的熱量傳遞 3 從壁面低溫側(cè)到冷流體的熱量傳遞 傳熱過(guò)程越強(qiáng)烈 傳熱系數(shù)越大 反之則越小 第二章 溫度場(chǎng) 溫度場(chǎng)是指在各個(gè)時(shí)刻物體內(nèi)各點(diǎn)溫度所組成的集合 又稱溫度分布 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 是指物體各點(diǎn)的溫度隨空間坐標(biāo)而不隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)稱穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 是指物體中各點(diǎn)的溫度分布隨空間坐標(biāo)和時(shí)間而變化的溫度場(chǎng)稱非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 等溫面 同一時(shí)刻 溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)連接起來(lái)所構(gòu)成的面 等溫線 用一個(gè)平面與等溫面相交 平面與等溫面的交線稱為等溫線 溫度不同的等溫面或等溫線彼此不能相交 在連續(xù)的溫度場(chǎng)中 等溫面或等溫線不會(huì)中斷 它們或者是物體中完全封閉的曲面 曲線 或者就終止于物體的邊界上 熱量傳遞方向與溫度升高方向相反 等溫線圖的物理意義 若等溫線圖上每?jī)蓷l相鄰等溫線間的溫度間隔相等時(shí) 等溫線的疏密可反映出不同區(qū)域?qū)釤崃髅芏鹊南鄬?duì)大小 熱流線 熱流線是一組與等溫線處處垂直的曲線 通過(guò)平面上任一點(diǎn)的熱流線與該點(diǎn)的熱流密度矢量相切 熱流線反應(yīng)熱流密度走向 影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素 物質(zhì)的種類 材料成分 溫度 濕度 壓力 密度等 對(duì)于任何導(dǎo)熱過(guò)程 完整的數(shù)學(xué)描寫(xiě)包括導(dǎo)熱微分方程和單值性條件 初始條件 初始時(shí)間溫度分布的初始條件 邊界條件 導(dǎo)熱物體邊界上溫度或換熱情況的邊界條件 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱定解條件有兩個(gè) 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱定解條件只有邊界條件 無(wú)初始條件 導(dǎo)熱問(wèn)題的常見(jiàn)邊界條件可歸納為以下三類1 規(guī)定了邊界上的溫度值 稱為第一類邊界條件 對(duì)于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 這類邊界條件要求給出以下關(guān)系式 2 規(guī)定了邊界上的熱流密度值 稱為第二類邊界條件 對(duì)于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 3 第三類邊界條件規(guī)定了邊界上物體與周圍流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及周圍流體的溫度 熱擴(kuò)散率 越大 表示物體受熱時(shí) 其內(nèi)部溫度扯平的能力越大 越大 表示物體中溫度變化傳播的越快 所以 也是材料傳播溫度變化能力大小的指標(biāo) 亦稱導(dǎo)溫系數(shù) 典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題 平壁導(dǎo)熱面積熱阻RA 單位面積的導(dǎo)熱熱阻稱面積熱阻 熱阻R 整個(gè)平板導(dǎo)熱熱阻稱熱阻 圓筒壁的導(dǎo)熱 球殼導(dǎo)熱 串聯(lián)熱阻疊加原則 在一個(gè)串聯(lián)的熱量傳遞過(guò)程中 若通過(guò)各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同 則串聯(lián)過(guò)程的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)的分熱阻之和 肋片 指依附于基礎(chǔ)表面上的擴(kuò)展表面 作用 增大對(duì)流換熱面積及輻射散熱面 以強(qiáng)化換熱 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的定義 物體的溫度隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程稱非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 物體的溫度隨時(shí)間而作周期性的變化 瞬態(tài)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 物體的溫度隨時(shí)間的推移逐漸趨近于恒定的值 非正規(guī)狀況階段 右側(cè)面不參與換熱 溫度分布顯現(xiàn)出部分為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱規(guī)律控制區(qū)和部分為初始溫度區(qū)的混合分布 正規(guī)狀況階段 右側(cè)面參與換熱 當(dāng)右側(cè)面參與換熱以后 物體中的溫度分布不受初始溫度影響 主要取決于邊界條件及物性 此時(shí) 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程進(jìn)入到正規(guī)狀況階段 第三章非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 畢渥數(shù) Bi物理意義 Bi的大小反映了物體在非穩(wěn)態(tài)條件下內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布規(guī)律 特征數(shù) 準(zhǔn)則數(shù) 表征某一物理現(xiàn)象或過(guò)程特征的無(wú)量綱數(shù) 特征長(zhǎng)度 是指特征數(shù)定義式中的幾何尺度 集中參數(shù)法 忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻 認(rèn)為物體溫度均勻一致的分析方法 此時(shí) 溫度分布只與時(shí)間有關(guān) 即 與空間位置無(wú)關(guān) 因此 也稱為零維問(wèn)題 工程上認(rèn)為 4 c時(shí)導(dǎo)熱體已達(dá)到熱平衡狀態(tài) 研究對(duì)流傳熱的方法 分析法 實(shí)驗(yàn)法 比擬法 數(shù)值法 影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素 流體流動(dòng)的起因 流體有無(wú)相變 流體的流動(dòng)狀態(tài) 換熱表面的幾何因素 流體的物理性質(zhì) 第五章對(duì)流傳熱的理論基礎(chǔ) 在對(duì)流傳熱的流場(chǎng)中 邊界層區(qū) 必須考慮粘性對(duì)流動(dòng)的影響 要用N S方程求解 主流區(qū) 邊界層外 流速維持不變 流動(dòng)可以作為理想流體的無(wú)旋流動(dòng) 用描述理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程求解 在固體表面附近流體速度發(fā)生劇烈變化的薄層稱為流動(dòng)邊界層 邊界層分為層流邊界層和湍流邊界層 湍流邊界層包括湍流核心 緩沖層 層流底層 在層流底層中具有較大的速度梯度 在固體表面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的薄層稱為熱邊界層 斯坦頓 Stanton 數(shù) 第六章相似原理及量綱分析 同類現(xiàn)象 用相同形式且具有相同內(nèi)容的微分方程式所描述的現(xiàn)象 相似的概念 對(duì)于兩個(gè)同類的物理現(xiàn)象 如果在相應(yīng)的時(shí)刻及相應(yīng)的地點(diǎn)與現(xiàn)象有關(guān)的物理量一一對(duì)應(yīng)成比例 則稱此兩現(xiàn)象彼此相似 判別兩現(xiàn)象相似的條件 只有同類現(xiàn)象才能談相似 單值性條件相似 初始條件 邊界條件 幾何條件 物理?xiàng)l件 同名的已定特征數(shù)相等 獲得相似準(zhǔn)則數(shù)的方法 相似分析法和量綱分析法 相似分析法 在已知物理現(xiàn)象數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上 建立兩現(xiàn)象之間的一些列比例系數(shù) 尺寸相似倍數(shù) 并導(dǎo)出這些相似系數(shù)之間的關(guān)系 從而獲得無(wú)量綱量 量綱分析法 在已知相關(guān)物理量的前提下 采用量綱分析獲得無(wú)量綱量 國(guó)際單位制中的7個(gè)基本物理量 長(zhǎng)度 m 質(zhì)量 kg 時(shí)間 s 電流 A 溫度 K 物質(zhì)的量 mol 發(fā)光強(qiáng)度 cd 相似原理的重要應(yīng)用 1 相似原理在傳熱學(xué)中的一個(gè)重要的應(yīng)用是指導(dǎo)試驗(yàn)的安排及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理 2 相似原理的另一個(gè)重要應(yīng)用是指導(dǎo)?；囼?yàn) 自然對(duì)流亦有層流和湍流之分 自然對(duì)流傳熱可分成大空間和有限空間兩類 數(shù)是浮升力 粘滯力比值的一種量度 瑞利數(shù) 第七章相變對(duì)流傳熱 凝結(jié)傳熱現(xiàn)象 蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí) 將汽化潛熱釋放給固體壁面 并在壁面上形成凝結(jié)液的過(guò)程 稱凝結(jié)傳熱現(xiàn)象 凝結(jié)換熱的分類 根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤(rùn)能力不同分為膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié) 膜狀凝結(jié) 凝結(jié)液體能很好地濕潤(rùn)壁面 并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式 稱膜狀凝結(jié) 特點(diǎn) 壁面上有一層液膜 凝結(jié)放出的相變熱 潛熱 須穿過(guò)液膜才能傳到冷卻壁面上 此時(shí)液膜成為主要的換熱熱阻 珠狀凝結(jié) 凝結(jié)液體不能很好地濕潤(rùn)壁面 在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液珠的凝結(jié)形式 稱珠狀凝結(jié) 特點(diǎn) 凝結(jié)放出的潛熱不須穿過(guò)液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上 所以 在其它條件相同時(shí) 珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù) 珠狀凝結(jié)好 但是難于實(shí)現(xiàn) 因此工業(yè)上多采用膜狀凝結(jié) 膜狀凝結(jié)分析解 豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 傾斜壁 水平管 球表面 豎壁液膜流態(tài) 對(duì)水平管 用代替上式中的即可 影響膜狀凝結(jié)的因素 1 不凝結(jié)氣體 減弱 2 蒸氣流速 3 過(guò)熱蒸氣 4 液膜過(guò)冷度及溫度分布的非線性 5 管子排數(shù) 6 管內(nèi)冷凝 7 凝結(jié)表面的幾何形狀沸騰 指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過(guò)程 沸騰傳熱 物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)發(fā)生的換熱過(guò)程 按流動(dòng)動(dòng)力分 大容器沸騰 池沸騰 和強(qiáng)制對(duì)流沸騰 管內(nèi)沸騰 從主體溫度分 a 過(guò)冷沸騰 指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度 壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰 稱過(guò)冷沸騰 b 飽和沸騰 液體主體溫度達(dá)到飽和溫度 壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰 大容器飽和沸騰的全部過(guò)程 共包括4個(gè)換熱規(guī)律不同的階段 自然對(duì)流 核態(tài)沸騰 過(guò)渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰 其特點(diǎn) 溫差小 換熱強(qiáng)度大 工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用核態(tài)沸騰 影響沸騰傳熱的因素 1不凝結(jié)氣體 增強(qiáng) 2過(guò)冷度 3液位高度 4重力加速度 5沸騰表面的結(jié)構(gòu) 第八章熱輻射基本定律及輻射特性 可見(jiàn)光 0 38 0 76 m 0 76 1000 m為紅外線區(qū)域 工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0 1 100 m 物體對(duì)熱輻射的吸收 反射和穿透對(duì)于大多數(shù)的固體和液體 對(duì)于不含顆粒的氣體 對(duì)于黑體 鏡體或白體 透明體 黑體 白體和透明體的定義是針對(duì)全波長(zhǎng)而言的 由于可見(jiàn)光只占整個(gè)波長(zhǎng)的一小部分 故物體對(duì)輻射能量的吸收能力的大小不能憑物體的顏色來(lái)判斷 反射又分鏡反射和漫反射兩種 輻射力 單位時(shí)間內(nèi) 物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和 W m2 光譜輻射力 單位時(shí)間內(nèi) 單位波長(zhǎng)范圍內(nèi) 包含某一給定波長(zhǎng) 物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量 W m3 立體角 球面面積除以球半徑的平方稱為立體角 單位 sr 球面度 定向輻射強(qiáng)度 單位時(shí)間內(nèi) 物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上 在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量 1 普朗克定律 第一個(gè)定律 描述了黑體輻射能按波長(zhǎng)的分布規(guī)律 m與T的關(guān)系由維恩位移定律 2 斯忒藩波爾茲曼定律 3 蘭貝特定律 黑體的輻射力由斯忒藩 玻耳茲曼定律確定 輻射力正比于熱力學(xué)溫度的四次方 是溫度函數(shù)黑體的輻射能量按波長(zhǎng)的分布服從普朗克定律 黑體的輻射能量按空間方向的分布服從蘭貝特定律 黑體的光譜輻射力峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)由維恩位移定律確定 發(fā)射率 也稱為黑度 相同溫度下 實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比 方向發(fā)射率實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比 光譜發(fā)射率實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比 漫射體 表面的方向發(fā)射率與方向無(wú)關(guān) 即定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)的物體 灰體 光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體 實(shí)際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同 實(shí)際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比 實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守蘭貝特定律 等等 選擇性吸收 投入輻射本身具有光譜特性 因此 實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變化 這叫選擇性吸收 吸收比 物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù) 通常用 表示 即 Kirchhoff定律的不同表達(dá)式 第九章輻射傳熱的計(jì)算 角系數(shù) 把表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分?jǐn)?shù)稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù) 記為X1 2 角系數(shù)的性質(zhì) 1 角系數(shù)的相對(duì)性2 角系數(shù)的完整性3 角系數(shù)的可加性角系數(shù)的計(jì)算方法 直接積分法 幾何分析法代數(shù)分析法 三個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)任意兩個(gè)非凹表面間的角系數(shù) 交叉線法 兩漫灰表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換熱計(jì)算1 投入輻射 單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積上的總輻射能 2 有效輻射 單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)單位面積的總輻射能為該表面的有效輻射 a 由三個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng) b 三表面封閉腔的等效網(wǎng)絡(luò)圖 多表面系統(tǒng)的輻射傳熱 強(qiáng)化輻射傳熱的主要途徑有兩種 增加發(fā)射率 增加角系數(shù) 削弱輻射傳熱的主要途徑有三種 降低角系數(shù) 降低發(fā)射率 加入遮熱板 傳熱過(guò)程 一側(cè)的熱流體通過(guò)固體壁面把熱量傳給另一側(cè)冷流體的過(guò)程 傳熱過(guò)程分析求解的基本關(guān)系為傳熱方程式 1 通過(guò)平壁的傳熱過(guò)程計(jì)算 2 通過(guò)圓筒壁的傳熱過(guò)程計(jì)算 3 通過(guò)肋壁的傳熱 肋面總效率肋化系數(shù)傳熱系數(shù)在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側(cè)采用肋壁是強(qiáng)化傳熱的一種行之有效的方法 第十章傳熱過(guò)程分析與換熱器計(jì)算 臨界熱絕緣直徑記1 當(dāng)裸管的外徑 dcr時(shí) 保溫