傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)PPT課件

1、1熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論 導(dǎo)熱 導(dǎo)熱及其基本規(guī)律； 導(dǎo)熱的基本方程； 熱阻及熱電模擬關(guān)系； 導(dǎo)熱問題的方程求解 對(duì)流換熱 對(duì)流的基本概念及其影響因素；對(duì)流換熱基本規(guī)律； 對(duì)流換熱系數(shù)的確定； 對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式； 輻射換熱 熱輻射的基本概念； 黑體表面之間的輻射換熱； 形狀系數(shù)的確定； 灰體表面之間的輻射換熱； 遮（隔）熱板的效用； 第1頁/共75頁2傳熱學(xué)基本概念 溫度：物體大量分子運(yùn)動(dòng)的宏觀結(jié)果（平均動(dòng)能的標(biāo)志） 熱量：表征物體內(nèi)能變化的物理量。 勢(shì)能功能傳出熱量對(duì)外作功內(nèi)能內(nèi)能的表現(xiàn)形式 溫度場(chǎng)： 某個(gè)瞬間，空間各點(diǎn)的溫度分布。它屬于數(shù)量 場(chǎng)。如溫度，密度，電位場(chǎng)等。 ),(zyxft 第2

2、頁/共75頁3 等溫面: 在溫度場(chǎng)中，同一時(shí)刻溫度相同的各點(diǎn)連線 稱為等溫線。由等溫線構(gòu)成的面為等溫面。 溫度梯度:沿等溫面法線方向的溫度增量 與法向距離之比的極限。 00)lim( nntnttgradnnt稱為溫度變化率（與面積垂直） t 穩(wěn)定溫度場(chǎng)與瞬態(tài)溫度場(chǎng):0; 0tt第3頁/共75頁4 導(dǎo)熱 因物質(zhì)的原子和分子之間的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的從高能級(jí)低能級(jí)的一種能量傳輸過程。簡(jiǎn)單地說：導(dǎo)熱的產(chǎn)生必需具備二個(gè)條件： 和相互接觸。 t1822年法國數(shù)學(xué)家J.Fourier，研究了固體的導(dǎo)熱現(xiàn)象后，提出：物質(zhì)在純導(dǎo)熱時(shí)，通過垂直于熱流方向的面積（dA）的熱流量（dQ），與該處的溫度變化率（梯度）成

3、正比，方向與溫度梯度相反。第4頁/共75頁5導(dǎo)熱基本定律(conduction)= k A t/ n (w)q= k t/ n (w/m2) 在純導(dǎo)熱問題中，單位時(shí)間內(nèi)通過給定面積的熱量與該點(diǎn)的溫度梯度及垂直于導(dǎo)熱方向的截面積A成正比。 K材料的導(dǎo)熱系數(shù) W/moC 導(dǎo)熱特性影響因素： 材料種類、溫濕度、結(jié)構(gòu)形式、密度、比熱等 tq第5頁/共75頁6不同材料的導(dǎo)熱特性 材料名稱導(dǎo)熱系數(shù)(20)W/(m) 密度(20)kg/m3比熱(20)J/(kg)鋁鋁2042707921金金29219272126銅銅3308939385鐵鐵737898452銀銀41910524234尼龍尼龍0.170.41

4、1211075環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂0.41041Diamond 16002300第6頁/共75頁7 單層平壁 平壁的厚度 多層平壁 R=R1+R2+.Rn 單層及多層圓筒壁的導(dǎo)熱問題導(dǎo)熱基本定律)(ln22112wwttrrkl第7頁/共75頁8三維導(dǎo)熱方程假定：溫度隨時(shí)間變化； 內(nèi)部有熱源（ ） 物性（ 常量）為常數(shù)； 材料各向同性等q ,cktakqztytxt1222222cka（導(dǎo)溫系數(shù)） 與導(dǎo)熱系數(shù)有別 第8頁/共75頁9穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱與瞬態(tài)導(dǎo)熱0t0q v 穩(wěn)態(tài)、內(nèi)部無熱源v 瞬態(tài)導(dǎo)熱 即許多電子設(shè)備在起動(dòng)、停機(jī)、變負(fù)載時(shí)出現(xiàn)的導(dǎo)熱問題0t LPA法(Lumped Parameter Ana

5、lysis） 將物體中連續(xù)分布的質(zhì)量和熱量均視為 集總于一點(diǎn)第9頁/共75頁10瞬態(tài)導(dǎo)熱影響因素例如：一個(gè)物體表面被突然加熱或冷卻，物體各點(diǎn)溫度的變化取決于二個(gè)因素：a. 固體表面與周圍環(huán)境的換熱（輻射）條件； b. 固體內(nèi)部的導(dǎo)熱性能 用一個(gè)無量綱數(shù)來表示： )(/1)(/外內(nèi)hkkhBiot第10頁/共75頁11 影響因素： 實(shí)際接觸點(diǎn)的總面積及分布規(guī)律； 接觸表面粗糙度； 非接觸間隙平均厚度； 間隙介質(zhì)的種類； 接觸表面硬度； 接觸表面間壓力； 接觸面氧化程度與清潔度； 接觸熱阻第11頁/共75頁12接觸熱阻實(shí)例第12頁/共75頁13圖2.3 接觸熱阻與壓力關(guān)系 接觸熱阻與壓力的關(guān)系Mp

6、a第13頁/共75頁14在材料厚度為2.54mm（100mil）、接觸壓力為0.7kg/cm2（10psi）的條件下，導(dǎo)熱橡膠墊所呈現(xiàn)出的額定導(dǎo)熱率幾乎比空氣高出60倍以上，比起常規(guī)采用的印刷電路板材料（例如環(huán)氧玻璃絲布板）高出6倍以上。這種彈性材料能夠非常方便地進(jìn)行按尺寸切割，適于在接觸壓力相對(duì)較低的情況下進(jìn)行表面接觸。接觸熱阻實(shí)例第14頁/共75頁15導(dǎo)熱問題的數(shù)值分析技術(shù)參見 “熱分析技術(shù)”專題第15頁/共75頁16對(duì)流換熱定義：流動(dòng)的流體與其相接觸的物體（固體、流體、汽體），由于溫差的原因所產(chǎn)生的能量與熱量的傳遞過程。 條件：a. 質(zhì)點(diǎn)的宏觀位移（流動(dòng)）； b. 兩個(gè)物體間有 存在。特

7、點(diǎn)：對(duì)流換熱是包括對(duì)流和導(dǎo)熱二個(gè)過程同時(shí)存在，它既有流體分子之間、流體與固體間的，又有流體本身的，受到導(dǎo)熱、對(duì)流兩種規(guī)律的支配。 t第16頁/共75頁17對(duì)流產(chǎn)生的原因 靠自然力 密度差引起。（與 的強(qiáng)度、流體的性質(zhì)、空間、大小、壁面的大小等因素有關(guān)。） 受強(qiáng)制力（如風(fēng)機(jī)、泵）推動(dòng)而引起的流動(dòng)。（推力的大小、 （壓差）、流體的性質(zhì)、流道的尺寸大小等阻力因素有關(guān) t第17頁/共75頁18流體的流動(dòng)特征自然對(duì)流 natural強(qiáng)迫對(duì)流 forced對(duì)流方式層流 laminar紊流 turbulent流動(dòng)狀態(tài)圖2.5 紊流特征層流：流線有規(guī)則，大都發(fā)生在貼近 壁面附近的流層。 （導(dǎo)熱產(chǎn)生的換熱為主）

8、 紊流：層流底層以外（邊界層以外） 所發(fā)生的流體不規(guī)則流動(dòng)。 第18頁/共75頁19對(duì)流換熱基本規(guī)律第19頁/共75頁20影響對(duì)流換熱的其他因素流體的物性、Cpk)CkgkJ(005. 1o20CC空氣)CkgkJ(1826. 4o20CC水)W/m.(1057. 2o220CkC空氣)CW/m(109 .59o220Ck水換熱面的幾何條件 幾何形狀、截面尺寸 進(jìn)、出口的長(zhǎng)度（流道）； 表面的粗糙度； 表面的安裝位置和流動(dòng)空間大小。 第20頁/共75頁21對(duì)流換熱影響因素總結(jié) 流體流動(dòng)特征 流體的物性參數(shù) 換熱面的幾何形狀 流體的相變條件（沸騰、凝結(jié)、升華）以上各影響因素，使得對(duì)流換熱過程變得

9、非常復(fù)雜，要想用數(shù)學(xué)式來表達(dá)非常困難。第21頁/共75頁22對(duì)流換熱基本規(guī)律第22頁/共75頁23對(duì)流換熱系數(shù)圖例第23頁/共75頁24對(duì)流換熱量綱分析法 量綱 量綱是物理性能的定性標(biāo)準(zhǔn) 每一種物理性能只有一個(gè)量綱，如長(zhǎng)度，時(shí)間 。 單位 單位是物理性能的定量標(biāo)準(zhǔn) 。 基本量綱 可以直接測(cè)量并與其他量綱無關(guān)的量綱。 導(dǎo)出量綱 不能直接測(cè)量的量綱，并與構(gòu)成該定義 的其他量綱有關(guān) 。 無量綱量 一切量綱或單位都可能相互抵消的 物理量和物理常量 。 量綱公式 用有關(guān)的基本量綱次冪的乘積表示的物理定律方程式。 1LLLgts222121LLLgtv2第24頁/共75頁25基本量綱與導(dǎo)出量綱物 理 量

10、符號(hào)量綱物 理 量 符號(hào)量綱質(zhì)量 速度 長(zhǎng)度 力 時(shí)間熱量 mMLx;L1LF2ML22ML第25頁/共75頁26白漢金 定律如果某個(gè)齊次方程的物理變量有 m m 個(gè)，則可以用 (m-nm-n) 個(gè)獨(dú)立的無量綱的數(shù)組來支配。其中 n n 是 m m 個(gè)物理變量中的基本量綱數(shù)。 換言之：描寫物理現(xiàn)象的方程，一定是量綱的齊次方程。而這些齊次方程均可化為一個(gè)無量綱的乘積的形式來表示。 0),(21nxxxf0),(21rn一個(gè)有 r r 個(gè)基本量綱的齊次方程 可以用 項(xiàng)無量綱量來表示 )(rn 第26頁/共75頁27 影響對(duì)流換熱的因素很多，但我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的“牛頓方程”來表示： =- hc A

11、 （tw-tf） 以管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流為例， hc= f (w , , , cp , k , D) wm/s ; kg/m3 ; 動(dòng)力粘度 kg/m s ; = / 運(yùn)動(dòng)粘度； cp kJ/ kg oC ; k w/m oC ; D m 對(duì)流換熱量綱分析法k第27頁/共75頁28對(duì)流換熱量綱分析法kkhc - f (w , , , cp , k , D) = 0第28頁/共75頁29對(duì)流換熱量綱分析法hcf (w , , , cp , k , D) = 0（1，2，3）= 0如果某個(gè)齊次方程的物理變量有7個(gè)，其中近4個(gè)基本量綱量，則該方程也可以用3個(gè)獨(dú)立的無量綱數(shù)組來支配。任選hc= f (w ,

12、, , cp , k , D) 中的D， , , k 為基本變量，可得：kkkWL第29頁/共75頁30對(duì)流換熱量綱分析法(1，2，3)= 0以上是以管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流為例，而自然對(duì)流換熱遵循不同的規(guī)律。Gr = g D3t / 2對(duì)流換熱系數(shù)第30頁/共75頁31求解對(duì)流換熱系數(shù)第31頁/共75頁32對(duì)流換熱中的無量綱數(shù)kDhc溫度梯度比2（粘性力）慣性力浮升力RaPrGr NuRewD粘性力慣性力Pr)(akCp或熱量擴(kuò)散動(dòng)量擴(kuò)散Gr23tgD 粘性力與熱擴(kuò)散浮升力與慣性力名 稱符 號(hào)數(shù) 組物 理 意 義努謝爾特?cái)?shù)雷諾數(shù)普朗特?cái)?shù)葛拉曉夫數(shù)雷萊數(shù)第32頁/共75頁33對(duì)流換熱定性溫度與特征尺寸 定

13、性溫度 選擇定性溫度沒有一定的規(guī)則,可取平均的局部溫度 ,壁面溫度和流體 溫度的平均值, 或各點(diǎn)流體的平均溫度 . 特征尺寸 特征尺寸是一個(gè)代表尺寸，該尺寸對(duì)對(duì)流換熱有決定性的影響。流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，取管內(nèi)徑為特征尺寸；流體橫掠圓管時(shí)，取管子的外徑；縱掠平板時(shí)，取其板長(zhǎng)；在非圓截面的槽內(nèi)流動(dòng)時(shí)，取當(dāng)量直徑。UADe4槽道截面面積( )；流體濕邊周長(zhǎng)(m)。 A2mU第33頁/共75頁34自然對(duì)流換熱計(jì)算 自然對(duì)流特征分析 流體內(nèi)各部分溫度的不均勻，引起流體密度的不均勻，流體受熱密度減小，形成熱流體上升，冷流體下降的對(duì)流循環(huán)。其動(dòng)力是受熱流體上升的浮升力。 流體自然對(duì)流有兩種流態(tài)，即層流和紊流。

14、 第34頁/共75頁35自然對(duì)流換熱計(jì)算 不同情況下的自然對(duì)流換熱 豎平板及豎柱體 水平圓柱體 水平板熱面朝上 水平板熱面朝下 例題： 一個(gè)電子設(shè)備處于環(huán)境溫度為25的空氣中，其表面溫度為85，設(shè)備機(jī)箱外殼尺寸為： 長(zhǎng)， 寬， 高。試問該機(jī)箱頂部表面僅靠自然對(duì)流能散掉多少熱量？mm 200mm 200mm 300Nu =C (Gr *Pr ) nGr = g D3t / 2 Ra= Gr *Pr ncCDkhPrGr)(PrakCp或第35頁/共75頁36自然對(duì)流換熱計(jì)算Nu =C (Gr *Pr ) n第36頁/共75頁37 判斷流體流動(dòng)狀態(tài)的依據(jù)是雷諾數(shù)，當(dāng) 時(shí)，流動(dòng)屬層流；當(dāng) 時(shí)，流動(dòng)由

15、層流向紊流過渡的過渡階段；當(dāng) 時(shí)，流動(dòng)屬紊流。不同的流動(dòng)狀態(tài)有不同的換熱規(guī)律。 管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)，入口段流動(dòng)情況對(duì)換熱有明顯的影響，另外還應(yīng)注意 壓力、短管 及 彎管 對(duì)換熱的影響。 強(qiáng)迫對(duì)流換熱計(jì)算200 2Re 410Re200 2410Re 第37頁/共75頁38強(qiáng)迫對(duì)流換熱計(jì)算 管(槽)內(nèi)層流 管(槽)內(nèi)紊流4 . 08 . 0PrRe023. 0Nufff14. 03/1PrRe86. 1Nuwffffld 定性溫度分別為流體平均溫度 和壁面溫度 ； 特征尺寸取管道內(nèi)徑或當(dāng)量直徑。 wf、ftwt第38頁/共75頁39 流體沿平板流動(dòng) 流體橫掠圓管或管簇強(qiáng)迫對(duì)流換熱計(jì)算5 . 0Re6

16、6. 0Nuff8 . 0Re032. 0Nuff510Re 510Re 第39頁/共75頁40說明 自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流換熱的區(qū)別是與流體的流動(dòng)性質(zhì)有關(guān)。由外力(風(fēng)機(jī))引起的流動(dòng)是由Re數(shù)的大小來表征的，由 引起的自然對(duì)流是由Gr數(shù)(內(nèi)含浮升力)大小來表征的。 各類資料提供的表達(dá)式很多，但各種關(guān)系式均是由某些學(xué)者根據(jù)自己所作的試驗(yàn)結(jié)果得出式中的C,m,n等來計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)，因此都有一定的局限性。而針對(duì)電子機(jī)柜中的PCB上之器件的布局復(fù)雜性，經(jīng)試驗(yàn)推導(dǎo)出C,m,n、然后提供有關(guān)的換熱方程、找出對(duì)流關(guān)系式是很困難的。因此，選用什么樣的方程來近似地表達(dá)各電子機(jī)柜的對(duì)流換熱系數(shù)值就成為亟待解決的問題

17、第40頁/共75頁41物性參數(shù)的查取、Cpk物性參數(shù)，包括 均可以根據(jù)定性溫度值從“傳熱手冊(cè) ”查取，但應(yīng)注意：手冊(cè)上提供的數(shù)值均為擴(kuò)大了 x 倍后的結(jié)果，具體計(jì)算時(shí)，需恢復(fù)原值。 Pr201000.54.18181.0060.5971.4307.020.18201000.54181.81.00610-60.5971.43010-77.020.1810-3)/(3mkg)/(103CkgJCpo)/(1027Sma)/ 1 (103Co以 水 為例：第41頁/共75頁42強(qiáng)迫對(duì)流換熱例題第42頁/共75頁43強(qiáng)迫對(duì)流換熱例題第43頁/共75頁44強(qiáng)迫對(duì)流換熱例題第44頁/共75頁45對(duì)流換熱數(shù)

18、值分析 參見“熱分析技術(shù)”一專題。第45頁/共75頁46輻射換熱基本特征第46頁/共75頁47電磁波譜. 無線電波微波紅外線可見光紫外線.熱輻射研究的對(duì)象是波長(zhǎng)在0.1到100 范圍內(nèi)的熱射線。它是物體中電子振動(dòng)或激動(dòng)的結(jié)果。溫度是電子振動(dòng)和激動(dòng)的基本原因，故熱輻射主要取決于溫度。 第47頁/共75頁48第48頁/共75頁49黑體輻射力計(jì)算公式第49頁/共75頁50熱輻射基本規(guī)律第50頁/共75頁51幾個(gè)術(shù)語第51頁/共75頁52基爾霍夫定律410067. 5TEbbEEEE332211任何物體的輻射力和吸收率之比值與物體的性質(zhì)無關(guān)，而恒等于同溫度下絕對(duì)黑體的輻射力。 第52頁/共75頁53輻

19、射換熱角系數(shù)表面I發(fā)出的輻射能落到表面II的百分?jǐn)?shù)，稱表面I對(duì)表面II的角系數(shù)。記為：F F12第53頁/共75頁54角系數(shù)的相對(duì)性輻射換熱 角系數(shù)第54頁/共75頁55角系數(shù)圖解第55頁/共75頁56角系數(shù)的特性第56頁/共75頁57輻射換熱 有效輻射 物體的本身輻射和反射輻射之和稱為有效輻射 。第57頁/共75頁58平行平面間的輻射換熱兩平板的有效輻射第58頁/共75頁59隔熱壁圖中所示平板III是隔熱板，其兩側(cè)面的黑度為 和 Q = t / Rt (熱流量溫升/熱阻)第59頁/共75頁60密閉空間內(nèi)的輻射換熱第60頁/共75頁61輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)分析第61頁/共75頁62輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)分析

20、 兩任意表面間的輻射換熱 表面輻射熱阻 (1- 1)/ 1 A1 (1- 2)/ 2 A2 空間輻射熱阻： 1/ A1 F12 或 1/ A2 F212221211114241222121111212, 111110010067.5111AFAATTAFAAEEbbA2 T2 2A1 T1 1第62頁/共75頁63輻射換熱第63頁/共75頁64混合換熱第64頁/共75頁65單(多)層圓筒壁的傳熱第65頁/共75頁66肋片換熱第66頁/共75頁67習(xí)題第67頁/共75頁68本章教學(xué)要求 對(duì)各類實(shí)際問題中涉及的傳熱現(xiàn)象、過程、特點(diǎn)、量值 應(yīng)具備敏銳的判斷、分析和工程求解的能力。 物理量的單位、量剛

21、分析的重要性 物理量標(biāo)識(shí)符的使用應(yīng)該嚴(yán)格、規(guī)范。 學(xué)會(huì)對(duì)某一實(shí)際傳熱現(xiàn)象畫出其物理系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。 控制體 與 控制面 （由控制面圍成的一個(gè)固定的空間區(qū)域，能量和物質(zhì)的交換均經(jīng)過這個(gè)控制面進(jìn)行。）第68頁/共75頁69熱力學(xué)第一定律（能量守恒） 熱能和機(jī)械能進(jìn)入控制體的速率與能量與能量離開控制體的速率之差，必等于能量在這個(gè)控制體內(nèi)儲(chǔ)存的速率。stEoutEgEinE第69頁/共75頁70傳熱問題的基本分析方法 明確已知條件和待求物理量。 畫出物理系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖，如涉及能量守恒定律，用虛線標(biāo)出控制體（面），用箭頭標(biāo)出相關(guān)傳熱過程。 列出全部簡(jiǎn)化和假設(shè)條件。 確定全部使用的物理量及其標(biāo)識(shí)符和單位。 綜合應(yīng)用能量守恒定律和導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射等熱流方程。 分析、求解。 對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析、概括。第70頁/共75頁71習(xí)題 一直徑為 D , 單位長(zhǎng)度電阻為R 的導(dǎo)電長(zhǎng)桿原來與周圍空氣和環(huán)境處于熱平衡，當(dāng)電流I 通過導(dǎo)體時(shí)，熱平衡遭到破壞。試推導(dǎo)出用以