傳熱學(xué)第2章電子教案

第二章穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(dǎorè)導(dǎo)熱(dǎorè)微分方程：穩(wěn)態(tài)時滿足(mǎnzú)：常物性、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程：無內(nèi)熱源時常物性、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程：第一頁，共36頁。第一節(jié)通過(tōngguò)平壁的導(dǎo)熱應(yīng)用領(lǐng)域：墻壁(qiángbì)、鍋爐壁面一、第一類邊界條件1.單層平壁：一維簡化的假設(shè)條件：高度、寬度遠(yuǎn)大于厚度常物性(wùxìnɡ)時導(dǎo)熱微分方程組如下：第二頁，共36頁。積分(jīfēn)兩次，得：代入邊界條件解出C1和C2：單層平壁的溫度(wēndù)分布：將C1和C2代入導(dǎo)熱微分方程(wēifēnfānɡchénɡ)，得到：單層平壁的熱流密度：上式對x求導(dǎo)，得到：第三頁，共36頁。2.多層平壁——可看作(kànzuò)數(shù)個單層平壁相互串連n層平壁的熱流(rèliú)密度：第i層與第i+1層之間接觸面的溫度(wēndù)：第四頁，共36頁。二、第三類邊界條件單層平壁的熱流(rèliú)密度：根據(jù)第一類邊界條件時的結(jié)果(jiēguǒ):（此時壁溫tw1和tw2為未知）與以上兩個邊界條件共三式變形(biànxíng)后相加,可消去tw1和tw2，得：常物性時導(dǎo)熱微分方程組如下：多層平壁的熱流密度：第五頁，共36頁。第二節(jié)通過復(fù)合(fùhé)平壁的導(dǎo)熱應(yīng)用領(lǐng)域：空心磚，空斗墻請同學(xué)(tóngxué)們動腦筋思考:空斗墻和空心磚內(nèi)均存在導(dǎo)熱系數(shù)很小的空氣孔隙(kǒngxì)，因而保溫性能一定會很好嗎？為什么？第六頁，共36頁。一維簡化的假設(shè)(jiǎshè)條件：組成復(fù)合平壁的各種不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差不是很大近似計算式：總導(dǎo)熱熱阻的計算方法——劃分(huàfēn)單元，模擬電路第七頁，共36頁。對于右圖所示的復(fù)合(fùhé)平壁，有以下兩種處理方法：a.先串聯(lián)(chuànlián)再并聯(lián)的計算方法：b.先并聯(lián)(bìnglián)再串聯(lián)的計算方法：第八頁，共36頁。兩種處理方法結(jié)果并不完全相同，但均為合理結(jié)果原因：將二維導(dǎo)熱問題簡化為一維導(dǎo)熱問題，無論采取簡化方法，都必然會產(chǎn)生一定(yīdìng)誤差復(fù)合平壁導(dǎo)熱(dǎorè)問題的注意點：1.區(qū)域劃分一定要合理，保證(bǎozhèng)每個區(qū)域形狀完全相同3.對于各部分導(dǎo)熱系數(shù)相差較大的情況，總熱阻必須用二維熱流影響的修正系數(shù)（教材表2－1）加以修正2.每個單元的熱阻必須使用總熱阻，不能使用單位面積熱阻第九頁，共36頁。第三節(jié)通過(tōngguò)圓筒壁的導(dǎo)熱應(yīng)用領(lǐng)域：管道(guǎndào)蒸汽(zhēnɡqì)管熱水管（95℃～70℃，60

℃～45℃）冷凍水管（7℃～12℃）蒸汽管道保溫層第十頁，共36頁。一、第一類邊界條件(tiáojiàn)1.單層圓筒壁：一維簡化的假設(shè)條件(tiáojiàn)——長度遠(yuǎn)大于壁厚，溫度場軸對稱請同學(xué)(tóngxué)們動腦筋思考:管道保溫(bǎowēn)層越厚，保溫(bǎowēn)效果一定越好嗎？第十一頁，共36頁。常物性(wùxìnɡ)時導(dǎo)熱微分方程組如下：積分(jīfēn)一次，得：再積分(jīfēn)一次，得：代入邊界條件解出C1和C2：第十二頁，共36頁。將c1和c2代入導(dǎo)熱(dǎorè)微分方程，得到：單層圓筒壁的溫度(wēndù)分布：通常(tōngcháng)更多情況下用直徑代替半徑：將第一次積分的結(jié)果：代入傅立葉定律：第十三頁，共36頁。得到(dédào)：單層圓筒壁的熱流量：長度(chángdù)為l的圓筒壁的熱阻：單位(dānwèi)管長單層圓筒壁的熱流量：第十四頁，共36頁。2.多層圓筒壁——可看作(kànzuò)數(shù)個單層圓筒壁相互串連n層圓筒壁的單位(dānwèi)管長熱流量：第十五頁，共36頁。二、第三類邊界條件常物性時導(dǎo)熱(dǎorè)微分方程組如下：根據(jù)(gēnjù)第一類邊界條件時的結(jié)果:（此時壁溫tw1和tw2為未知）與以上兩個邊界條件共三式變形(biànxíng)后相加,可消去tw1和tw2，得：單層圓筒壁的單位管長熱流量：第十六頁，共36頁。三、臨界熱絕緣(juéyuán)直徑有絕緣層時的管道(guǎndào)總熱阻：當(dāng)dx增大(zēnɡdà)時：增大減小可能增大亦可能減小，應(yīng)具體分析必須通過對函數(shù)求極值來判斷總熱阻的變化規(guī)律第十七頁，共36頁。對dx求導(dǎo)并令其為0:從而(cóngér)得出：——臨界(línjiè)熱絕緣直徑a.當(dāng)dx<dc時,Rl隨dx增大(zēnɡdà)而減小b.當(dāng)dx>dc時,Rl隨dx增大而增大只有在d2<dc時，才可能存在此情況第十八頁，共36頁。需要考慮臨界(línjiè)熱絕緣直徑的場合：d2較小時(xiǎoshí)λ較大(jiàodà)時h較小時應(yīng)用實例：細(xì)管，電線電線的絕緣層外直徑小于臨界熱絕緣直徑時，可起到散熱作用第十九頁，共36頁。第四節(jié)具有(jùyǒu)內(nèi)熱源的平壁導(dǎo)熱應(yīng)用領(lǐng)域：混凝土墻壁凝固研究(yánjiū)對象：厚度為2δ的墻壁，內(nèi)熱源強度為qv，兩邊為第三類邊界，中間為絕熱邊界，取墻壁的一半為研究(yánjiū)對象建立導(dǎo)熱微分方程常物性時導(dǎo)熱微分方程組如下：第二十頁，共36頁。積分(jīfēn)兩次，得：代入邊界條件解出C1和C2,并代入導(dǎo)熱微分方程(wēifēnfānɡchénɡ)，得到：三類邊界時具有(jùyǒu)內(nèi)熱源平壁的溫度分布：上式對x求導(dǎo)，得到：三類邊界時具有內(nèi)熱源平壁的熱流密度：當(dāng)h趨于無限大時，得到：一類邊界時具有內(nèi)熱源平壁的溫度分布：第二十一頁，共36頁。第五節(jié)通過(tōngguò)肋壁的導(dǎo)熱肋壁的作用：加大散熱面積，增強傳熱(chuánrè)應(yīng)用領(lǐng)域：冷凝器、散熱器、空氣冷卻器等肋片的類型(lèixíng)：肋片散熱器第二十二頁，共36頁。肋片置于管道(guǎndào)外側(cè)的原因：換熱器或管道內(nèi)側(cè)流體一般多為流速較高的液體，而換熱器或管道外側(cè)流體多為流速較低的氣體(qìtǐ)，大多情況下外側(cè)對流換熱熱阻最大，對整個傳熱過程起支配作用第二十三頁，共36頁。一、等截面(jiémiàn)直肋的導(dǎo)熱一維簡化的假設(shè)條件：肋片的高度l遠(yuǎn)大于肋片的厚度δ，因而(yīnér)厚度方向溫差很小，負(fù)內(nèi)熱源的處理方法(fāngfǎ)——將y方向的對流散熱量等效轉(zhuǎn)化為負(fù)內(nèi)熱源斷面周長：斷面面積：第二十四頁，共36頁。進(jìn)行負(fù)內(nèi)熱源(rèyuán)處理后等截面直肋導(dǎo)熱微分方程組如下：（假定(jiǎdìng)肋端絕熱）定義(dìngyì)：令：——過余溫度使導(dǎo)熱微分方程齊次化：并解出其通解為：第二十五頁，共36頁。代入邊界條件求出c1和c2，并代入通解(tōngjiě)，得出特解：等截面(jiémiàn)直肋的溫度分布：肋端過余溫度(wēndù)：肋片散熱量：當(dāng)考慮肋端散熱時，計算肋片散熱量時可采用假想肋高代替實際肋高l一維溫度場假定的檢驗：第二十六頁，共36頁。肋高越大，肋的散熱面積越大，因而采用增加(zēngjiā)肋高的方法可以增加(zēngjiā)肋的散熱量。這種方法在實際換熱器設(shè)計中是否可行？若可行，是否會有某些局限性？請同學(xué)(tóngxué)們思考一個問題:第二十七頁，共36頁。二、肋片效率(xiàolǜ)提出此概念(gàiniàn)的目的——衡量肋片散熱的有效程度肋片效率(xiàolǜ)的定義：肋片表面平均溫度tm下的實際散熱量假定肋片表面全部處在t0時的理想散熱量其中肋片表面平均溫度：代入肋片效率定義，得到：肋片效率計算式：第二十八頁，共36頁。m和l對肋片效率的影響(yǐngxiǎng)分析：b.l一定(yīdìng)時，m越大，ηf越低a.m一定(yīdìng)時，l越大，Φ越大，但ηf越低采用長肋可以提高散熱量，但卻使肋片散熱有效性降低可采用變截面肋片設(shè)法降低m第二十九頁，共36頁。根據(jù)肋片效率(xiàolǜ)計算散熱量的方法（查線圖法）：矩形(jǔxíng)及三角形直肋的肋片效率環(huán)肋的肋片效率(xiàolǜ)從線圖查出肋片效率ηf第三十頁，共36頁。第六節(jié)通過(tōngguò)接觸面的導(dǎo)熱接觸(jiēchù)熱阻的形成原因——固體表面并非理想平整接觸熱阻的概念——接觸面孔隙(kǒngxì)間氣體導(dǎo)致兩接觸面之間存在溫差接觸熱阻的定義：接觸熱阻的例子——鑲配式肋片，纏繞式肋片第三十一頁，共36頁。接觸(jiēchù)熱阻的影響因素：粗糙度擠壓(jǐyā)壓力硬度匹配(pǐpèi)情形空隙中介質(zhì)的性質(zhì)表面盡量平整減小接觸熱阻的措施：兩表面一軟一硬增加擠壓壓力涂導(dǎo)熱姆第三十二頁，共36頁。第七節(jié)二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(dǎorè)應(yīng)用領(lǐng)域：房間墻角(qiángjiǎo)，地下埋管，矩形保溫層，短肋片二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(dǎorè)微分方程：二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的研究手段：解析法數(shù)值法形狀因子法地源熱泵地下埋管矩形風(fēng)管保溫層第三十三頁，共36頁。一維無限大平壁的形狀(xíngzhuàn)因子：一維無限(wúxiàn)長圓筒壁的形狀因子：其他常見二維