華科傳熱學(xué)20-02

1、2022-1-101主講：劉志春主講：劉志春能源與動力工程學(xué)院能源與動力工程學(xué)院華中科技大學(xué)華中科技大學(xué)2022-1-1022-1 基本概念基本概念2-2 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱2022-1-1032-1基本概念基本概念溫度場溫度場(temperature field) ：等溫面與等溫線等溫面與等溫線定義定義特征特征溫度梯度溫度梯度傅立葉定律及導(dǎo)熱系數(shù)傅立葉定律及導(dǎo)熱系數(shù)),(zyxft 2022-1-104導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱過程的單值性條件導(dǎo)熱過程的單值性條件導(dǎo)熱問題的求解方法導(dǎo)熱問題的求解方法)()()(ztzytyxtxtc2022-1-1052-2一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱1

2、 通過平壁的導(dǎo)熱通過平壁的導(dǎo)熱2 通過圓筒壁的導(dǎo)熱通過圓筒壁的導(dǎo)熱)(12AttttqW 2)ln( 2211221Rttlrrttrlqwwww2022-1-1063 通過球壁的導(dǎo)熱通過球壁的導(dǎo)熱4 變截面或變導(dǎo)熱系數(shù)問題變截面或變導(dǎo)熱系數(shù)問題5 內(nèi)熱源問題內(nèi)熱源問題6 肋片導(dǎo)熱肋片導(dǎo)熱傳熱過程包含串聯(lián)的三個環(huán)節(jié)。傳熱過程包含串聯(lián)的三個環(huán)節(jié)。在這三個環(huán)節(jié)中，經(jīng)常遇到其在這三個環(huán)節(jié)中，經(jīng)常遇到其中一個對流環(huán)節(jié)熱阻較大，強(qiáng)中一個對流環(huán)節(jié)熱阻較大，強(qiáng)化這個環(huán)節(jié)的傳熱，降低其熱化這個環(huán)節(jié)的傳熱，降低其熱阻，對增加整個傳熱過程的傳阻，對增加整個傳熱過程的傳熱量非常重要。熱量非常重要。tf1 h1 tw

3、1 q tw2 h2 tf2 2022-1-107W 112121AhAAhttff為了增加傳熱量，可以采取哪些措施為了增加傳熱量，可以采取哪些措施?增加溫差，但受工藝條件限制增加溫差，但受工藝條件限制減小熱阻：減小熱阻：金屬壁一般很薄金屬壁一般很薄( 很小很小)、熱導(dǎo)率很大，、熱導(dǎo)率很大，導(dǎo)熱熱阻一般可忽略導(dǎo)熱熱阻一般可忽略增大增大h1、h2，但提高，但提高h(yuǎn)1、h2并非任意的并非任意的增大換熱面積增大換熱面積 A 也能增加傳熱量也能增加傳熱量tf1 h1 tw1 q tw2 h2 tf2 2022-1-108增加換熱面積是強(qiáng)化對流換熱的有效方法增加換熱面積是強(qiáng)化對流換熱的有效方法之一。之一

4、。工程上經(jīng)常采用肋片（又叫翅片）來強(qiáng)化工程上經(jīng)常采用肋片（又叫翅片）來強(qiáng)化換熱。換熱。 肋片：依附于基礎(chǔ)表面上的擴(kuò)展表面。肋片：依附于基礎(chǔ)表面上的擴(kuò)展表面。2022-1-1092022-1-1010芯片技術(shù)的冷卻芯片技術(shù)的冷卻各種類型翅片管各種類型翅片管翅片管換熱器翅片管換熱器-1-1翅片管換熱器翅片管換熱器-2-2各種金屬軋制管各種金屬軋制管繞帶管及其應(yīng)用繞帶管及其應(yīng)用-1-12022-1-10162022-1-10172022-1-1018科學(xué)家有爭論說：恐科學(xué)家有爭論說：恐龍是溫血的動物，其龍是溫血的動物，其身上的肋片加強(qiáng)了過身上的肋片加強(qiáng)了過多運(yùn)動帶來的熱量散多運(yùn)動帶來的熱量散失。失。

5、2022-1-1019肋片導(dǎo)熱的特點(diǎn)：肋片導(dǎo)熱的特點(diǎn)：在肋片伸展的方向上有表面的對流換熱及輻射在肋片伸展的方向上有表面的對流換熱及輻射換熱，因而熱流量沿傳遞方向不斷變化。換熱，因而熱流量沿傳遞方向不斷變化。肋片表面的所傳遞的熱量都來自（或進(jìn)入）肋肋片表面的所傳遞的熱量都來自（或進(jìn)入）肋片根部，即肋片與基礎(chǔ)表面的相交面。片根部，即肋片與基礎(chǔ)表面的相交面。分析目的：分析目的：1)獲得肋的溫度分布獲得肋的溫度分布;2)通過肋片散通過肋片散熱量熱量2022-1-1020直肋直肋通過等截面直肋的導(dǎo)熱通過等截面直肋的導(dǎo)熱從圖中取出一個肋片：設(shè)肋片與從圖中取出一個肋片：設(shè)肋片與基礎(chǔ)表面相交處（肋根）的溫度基

6、礎(chǔ)表面相交處（肋根）的溫度t0已知，周圍流體溫度為已知，周圍流體溫度為t ，肋，肋片與環(huán)境之間有熱交換（對流、片與環(huán)境之間有熱交換（對流、輻射）復(fù)合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為輻射）復(fù)合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h。嚴(yán)格地說，肋片中的溫度場是三維、穩(wěn)態(tài)、無嚴(yán)格地說，肋片中的溫度場是三維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源、常物性、第三類邊條的導(dǎo)熱問題。但內(nèi)熱源、常物性、第三類邊條的導(dǎo)熱問題。但由于三維問題比較復(fù)雜，故此，在忽略次要因由于三維問題比較復(fù)雜，故此，在忽略次要因素的基礎(chǔ)上，將問題簡化為一維問題。素的基礎(chǔ)上，將問題簡化為一維問題。2022-1-1021假定：假定：（1）肋片在垂直屏幕方）肋片在垂直屏幕方向很長，不考慮溫度沿向很長，

7、不考慮溫度沿該方向的變化；該方向的變化；（2）材料的導(dǎo)熱系數(shù)）材料的導(dǎo)熱系數(shù)(金屬，導(dǎo)熱系數(shù)大金屬，導(dǎo)熱系數(shù)大)及表及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為常數(shù)；面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為常數(shù)；（3） / tH，由于溫度計(jì)的感溫泡與套管頂部，由于溫度計(jì)的感溫泡與套管頂部直接接觸，可以認(rèn)為溫度計(jì)的讀數(shù)就是套管直接接觸，可以認(rèn)為溫度計(jì)的讀數(shù)就是套管頂端的壁面溫度頂端的壁面溫度tH。套管中每一截面上的溫。套管中每一截面上的溫度可以認(rèn)為相等的，因而溫度計(jì)套管可以看度可以認(rèn)為相等的，因而溫度計(jì)套管可以看成是截面為成是截面為d的一等截面直肋（的一等截面直肋（d為套管直為套管直徑）。而所謂的測溫誤差，就是套管頂端的徑）。而所謂的測溫誤差，就是套

8、管頂端的過余溫度過余溫度(由一維等截面肋片導(dǎo)熱理論）由一維等截面肋片導(dǎo)熱理論）2022-1-1051)cosh(0mHttttffHH此處此處tf是筒內(nèi)待測流體的真實(shí)溫度是筒內(nèi)待測流體的真實(shí)溫度,/hHmH 由雙曲余弦函數(shù)由雙曲余弦函數(shù)ch(mH)的性質(zhì)可知：套管材的性質(zhì)可知：套管材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，測溫誤差越大。料導(dǎo)熱系數(shù)越大，測溫誤差越大。結(jié)論：結(jié)論：從減小測溫誤差的角度，套管材料用從減小測溫誤差的角度，套管材料用鋼比銅好。鋼比銅好。2022-1-1052減少測溫誤差的其它方法減少測溫誤差的其它方法:)cosh(0mHttttffHH/hHmH 增加套管長度增加套管長度 H 減小套管壁厚減小

9、套管壁厚 在儲氣筒外包以在儲氣筒外包以保溫材料保溫材料 強(qiáng)化套管和流體強(qiáng)化套管和流體之間的換熱，即之間的換熱，即增大增大 h2022-1-1053習(xí)題：習(xí)題：2-18， 2-20，2-222022-1-1054復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1：我們?yōu)槭裁窗牙咂纳釟w入一維穩(wěn)我們?yōu)槭裁窗牙咂纳釟w入一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題？肋片效率是如何定義的，它與哪態(tài)導(dǎo)熱問題？肋片效率是如何定義的，它與哪些因素相關(guān)？增大肋片效率有哪些措施？些因素相關(guān)？增大肋片效率有哪些措施？答：肋片是為了增強(qiáng)換熱而安裝在換熱壁面上答：肋片是為了增強(qiáng)換熱而安裝在換熱壁面上的擴(kuò)展表面，通常是換熱面與環(huán)境之間的換熱的擴(kuò)展表面，通常是換熱面與環(huán)境之間的換熱性

10、能較差，而安裝的肋片導(dǎo)熱性能較好，且厚性能較差，而安裝的肋片導(dǎo)熱性能較好，且厚度遠(yuǎn)小于肋片伸展的高度，于是可以忽略肋片度遠(yuǎn)小于肋片伸展的高度，于是可以忽略肋片厚度方向上的溫度變化，也就是有厚度方向上的溫度變化，也就是有Bi1 ，那，那么，肋片的散熱就可以視為僅僅發(fā)生在肋片高么，肋片的散熱就可以視為僅僅發(fā)生在肋片高度方向上的一維含源的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。度方向上的一維含源的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。 2022-1-1055肋片的效率定義為肋片實(shí)際的散熱量與整個肋肋片的效率定義為肋片實(shí)際的散熱量與整個肋片都處于肋基溫度下的理想散熱量之比，片都處于肋基溫度下的理想散熱量之比， mHmHhPHmHmhPf)tanh()

11、tanh(00hAhPmh它與肋片的物性（材質(zhì)）、幾何形狀、和環(huán)它與肋片的物性（材質(zhì)）、幾何形狀、和環(huán)境換熱情況有關(guān)。境換熱情況有關(guān)。 2022-1-1056增加肋片效率包括：增加肋片效率包括：熱導(dǎo)率增大、減小肋片高度、增加肋片厚度、熱導(dǎo)率增大、減小肋片高度、增加肋片厚度、減小減小h。2022-1-1057復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2：長度為長度為L的桿，暴露在的桿，暴露在t 的環(huán)境中，桿的環(huán)境中，桿一端溫度為一端溫度為t0，桿內(nèi)安裝電熱元件，沿桿方向，桿內(nèi)安裝電熱元件，沿桿方向產(chǎn)生均勻發(fā)熱率產(chǎn)生均勻發(fā)熱率 。試求：。試求：1）桿內(nèi)溫度分布表達(dá)式）桿內(nèi)溫度分布表達(dá)式2）桿散給環(huán)境的散熱量；）桿散給環(huán)境的散熱量；

12、解：解：在桿內(nèi)取一長度為在桿內(nèi)取一長度為dx的微元體，設(shè)桿截面積為的微元體，設(shè)桿截面積為A，周長為，周長為P，導(dǎo)熱系數(shù)為，導(dǎo)熱系數(shù)為，換熱系數(shù)為，換熱系數(shù)為hq2022-1-1058內(nèi)熱源產(chǎn)生熱量為內(nèi)熱源產(chǎn)生熱量為導(dǎo)入的熱量導(dǎo)入的熱量導(dǎo)出的熱量導(dǎo)出的熱量以對流方式向周圍散出的熱量為以對流方式向周圍散出的熱量為熱平衡方程為熱平衡方程為化簡得化簡得AdxqdxdtA)(dxdxdttdxdAtthPdxtthPdxdxdxdttdxdAdxdtAqAdx)(qmdxd2222022-1-1059通解為通解為帶入邊界條件帶入邊界條件則桿內(nèi)溫度分布表達(dá)式為則桿內(nèi)溫度分布表達(dá)式為hPAqececmxmx

13、21；ttx00, 0LLxPAdxdALx,hPAqeeemhhPAqeeeemhhPAqemxmLmLLmLmxmLmLLmL00 2022-1-1060（2）桿向周圍散出的熱流量為）桿向周圍散出的熱流量為LLmLmLLmLmLLLhAALqLheeLheehPAqmhPhAdxhPQ2002022-1-106170年代的世界能源危機(jī)促進(jìn)了強(qiáng)化傳熱的研年代的世界能源危機(jī)促進(jìn)了強(qiáng)化傳熱的研究究發(fā)生于發(fā)生于70年代的能源危機(jī)對世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展年代的能源危機(jī)對世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是一次大沖擊。迫使人們盡力減少石油與其是一次大沖擊。迫使人們盡力減少石油與其它二次能源的消耗，客觀上極大地促進(jìn)了強(qiáng)它二次能源的

14、消耗，客觀上極大地促進(jìn)了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究化傳熱技術(shù)的研究其實(shí)質(zhì)是探求在消耗一其實(shí)質(zhì)是探求在消耗一定的能量條件下盡可能多地傳遞為某種過程定的能量條件下盡可能多地傳遞為某種過程所需的熱量。所需的熱量。2022-1-1062根據(jù)根據(jù)Bergles 這個時期世界范圍內(nèi)關(guān)于強(qiáng)化傳這個時期世界范圍內(nèi)關(guān)于強(qiáng)化傳熱研究論文的數(shù)量急劇上升（圖熱研究論文的數(shù)量急劇上升（圖1）。）。Bergles, A. E., Jensen, M. K., and Shome, B. (1995). Bibliography on Enhancement of Convective Heat and Mass Transfer

15、, Report HTL-23, Heat Transfer Laboratory, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY. 被動式強(qiáng)化傳熱技術(shù)被動式強(qiáng)化傳熱技術(shù)基于表面的：異型管、擴(kuò)展表面基于表面的：異型管、擴(kuò)展表面 螺旋槽紋管、橫槽紋管、縱槽管、縱向渦強(qiáng)化管、內(nèi)翅片管、螺旋槽紋管、橫槽紋管、縱槽管、縱向渦強(qiáng)化管、內(nèi)翅片管、低螺紋翅片管低螺紋翅片管基于流體的：內(nèi)插物基于流體的：內(nèi)插物 扭帶、繞花絲、螺旋線圈、金屬泡沫、添加劑扭帶、繞花絲、螺旋線圈、金屬泡沫、添加劑存在的問題存在的問題傳熱強(qiáng)加的同時，流體阻力也同時增加傳熱強(qiáng)加的同時，流體阻力也同

16、時增加強(qiáng)化傳熱理論強(qiáng)化傳熱理論減薄熱邊界層厚度、增加換熱面積、增加壁面附近流減薄熱邊界層厚度、增加換熱面積、增加壁面附近流體擾動體擾動場協(xié)同原理場協(xié)同原理Nakamura, H., and Tanaka, M. (1973). Cross-Rifled Vapor Generating Tube, U.S. patent 3,734,140.Wang L K, Sunden B. Performance comparison of some tube inserts. Int Comm Heat Mass Transfer, 2002, 29(1): 4556Wang L K, Sunden

17、B. Performance comparison of some tube inserts. Int Comm Heat Mass Transfer, 2002, 29(1): 45562022-1-1070早期教材（早期教材（60年代）中幾乎沒有出現(xiàn)年代）中幾乎沒有出現(xiàn)“強(qiáng)化傳強(qiáng)化傳熱熱” 的術(shù)語，文獻(xiàn)中提出了的術(shù)語，文獻(xiàn)中提出了“傳熱的增強(qiáng)傳熱的增強(qiáng)”的的概念，但僅限于分析強(qiáng)化傳熱過程首先要強(qiáng)化概念，但僅限于分析強(qiáng)化傳熱過程首先要強(qiáng)化熱阻大的一側(cè)的換熱過程，還未對強(qiáng)化傳熱的熱阻大的一側(cè)的換熱過程，還未對強(qiáng)化傳熱的技術(shù)開展闡述。技術(shù)開展闡述。1 Miheev M A. Fundamenta

18、ls of heat transfer (In Russian) . 3rd edition. 1956. 2 楊世銘，陳大燮編，傳熱學(xué)，北京：中國楊世銘，陳大燮編，傳熱學(xué)，北京：中國工業(yè)出版社，工業(yè)出版社，19612022-1-1071中期教材（中期教材（6595年）的年）的Kreith 教材（教材（1986）已經(jīng)將已經(jīng)將Augmentation 列入主題索引。列入主題索引。在在1993年出版的年出版的Bejan的教材中則更加開宗明的教材中則更加開宗明義地提出研究傳熱學(xué)的主要任務(wù)是（義地提出研究傳熱學(xué)的主要任務(wù)是（1）熱絕）熱絕緣；（緣；（2）強(qiáng)化傳熱；（）強(qiáng)化傳熱；（3）溫度控制）溫度控制

19、，非常精，非常精練地道出了近代傳熱學(xué)的研究的基本命題。練地道出了近代傳熱學(xué)的研究的基本命題。在在Incropera、DeWitt 教材中的教材中的85年版本正文年版本正文中已經(jīng)有這方面的闡述，但未列入主題索引。中已經(jīng)有這方面的闡述，但未列入主題索引。在在2002年版本中，則已將年版本中，則已將enhancement surfaces 列入主題索引。列入主題索引。 2022-1-1072電子器件冷卻技術(shù)發(fā)展為傳熱學(xué)提供了許多強(qiáng)電子器件冷卻技術(shù)發(fā)展為傳熱學(xué)提供了許多強(qiáng)化換熱的實(shí)例化換熱的實(shí)例電子技術(shù)是迄今為止世界上發(fā)展最為迅速的技電子技術(shù)是迄今為止世界上發(fā)展最為迅速的技術(shù)領(lǐng)域。芯片上集成的晶體管數(shù)

20、目、主頻以及術(shù)領(lǐng)域。芯片上集成的晶體管數(shù)目、主頻以及芯片功率隨年份的變化迅速增加。由于功率不芯片功率隨年份的變化迅速增加。由于功率不斷增加，使電子器件的冷卻成為目前斷增加，使電子器件的冷卻成為目前IT 工業(yè)工業(yè)的瓶頸問題之一，由于溫度超標(biāo)而失效成為電的瓶頸問題之一，由于溫度超標(biāo)而失效成為電子器件失效的主要原因。子器件失效的主要原因。2022-1-10732022-1-1074因此從因此從20世紀(jì)世紀(jì)90年代起，電子器件冷卻技術(shù)年代起，電子器件冷卻技術(shù)的研究廣泛受到重視，給傳熱學(xué)教材提供了的研究廣泛受到重視，給傳熱學(xué)教材提供了大量具有實(shí)際意義的例題與習(xí)題。大量具有實(shí)際意義的例題與習(xí)題。執(zhí)行可持續(xù)

21、發(fā)展戰(zhàn)略和節(jié)能為主的方針，要執(zhí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和節(jié)能為主的方針，要求對傳熱強(qiáng)化技術(shù)予以足夠的關(guān)注，求對傳熱強(qiáng)化技術(shù)予以足夠的關(guān)注，在介紹強(qiáng)化對流換熱的技術(shù)時，必須指出，在介紹強(qiáng)化對流換熱的技術(shù)時，必須指出，任何強(qiáng)化技術(shù)都會引起流動阻力的增加；只任何強(qiáng)化技術(shù)都會引起流動阻力的增加；只有那些按照一定的約束條件（如泵功一定，有那些按照一定的約束條件（如泵功一定，壓降一定）的技術(shù)才能節(jié)能。壓降一定）的技術(shù)才能節(jié)能。2022-1-1075電子器件冷卻電子器件冷卻2022-1-10762022-1-1077電腦散熱用熱管電腦散熱用熱管2022-1-1078自自然然對對流流冷冷卻卻2022-1-1079芯片

22、上的沸騰芯片上的沸騰2022-1-1080液液膜膜下下降降冷冷卻卻2022-1-1081液液膜膜下下降降冷冷卻卻測測試試2022-1-1082液液柱柱飛飛濺濺冷冷卻卻2022-1-1083液體飛濺冷卻液體飛濺冷卻2022-1-1084液滴撞擊在芯片表面液滴撞擊在芯片表面2022-1-1085翅片傳熱強(qiáng)化翅片傳熱強(qiáng)化2022-1-10862022-1-10872022-1-1088翅片上的沸騰翅片上的沸騰2022-1-1089隨著家用空調(diào)的普及，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能程度成隨著家用空調(diào)的普及，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能程度成為全世界空調(diào)廠商吸引顧客的一個重要指標(biāo)，為全世界空調(diào)廠商吸引顧客的一個重要指標(biāo)，使家用空調(diào)中的兩器使家用空調(diào)中的兩器冷凝器與蒸發(fā)器傳熱冷凝器與蒸發(fā)器傳熱強(qiáng)化的研究呈現(xiàn)常興不衰的勢頭：空氣側(cè)的強(qiáng)化的研究呈現(xiàn)常興不衰的勢頭：空氣側(cè)的翅片，由平片、波紋片、到開縫片；對于水翅片