Heat Transfer
第七章
Chapter 7 Phase Change Heat Transfer
7.4 沸腾传热的模式
（1）沸腾过程的特征
有汽泡生成。
汽泡的生成、长大和脱离与过热度的大小、表面的性质及流体的物性有关，特别是表面张力的影响尤为重要。
l
p dA
dv
v
p R
σ
力平衡：
p p l v π)(?l v p p >热平衡:
v l t t ≥加热表面上
稳定膜态沸腾
烧毁!!!
控制热流加热By Zhu Hua,Zhejiang University
（1）自然对流沸腾区
壁面过热度小时（ ℃）沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。
（2
①开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为孤立汽泡区；
汽泡脱离的速度，以至于汽泡合并，覆盖加热面，抑制了加热面和液体的接触，
在增大，
因此出现热流密度的峰值点
度），对应的过热度为临界过热度
面交替地为汽膜所覆盖，
成和破裂很不稳定，本区域属于核态沸腾和膜态沸腾同时并存的过渡沸腾。
7.6 大容器沸腾换热计算
A)
针对水，在压力 下
B
对于水：
液——
水水——水——
实验值
1.F RNC-5软件的引进与使用概况 中石化集团公司下属的若干设计院（石化工程公司）从1997年开始引进了多套美国PFR公司的通用加热炉工艺计算软件FRNC-5。此软件在加热炉工艺计算中得到很好的应用，发挥了重大作用。 美国PFR公司全称为PFR工程系统公司（PFR Engineering System，Inc ）。公司设在美国洛杉矶，创建于1972年1月，从事热力学系统设计分析和人员培训。该公司的软件产品拥有六十多个用户，遍布六大洲的十五个以上的国家。其中FRNC-5PC软件有二十年以上的使用经验。 本软件可以优化加热炉设计，并可对现有加热炉进行操作分析、加强管理，是一个较为优秀的软件。 2.F RNC-5软件功能与特点 2．1 软件应用范围 本程序可用于炼油、石油化工及热电联合等装置中大多数火焰加热炉及水管锅炉的性能模拟及效率预测。程序采用经过证明了的技术，通过综合迭代，将工艺物流模拟、传热和压力降计算等过程组合在一起。 程序沿物流及烟气流程，逐个管组逐个炉段严格迭代求解，能精确确定加热炉的工艺参数。计算中还指明不利操作状态，如发出炉膛正压、管壁和扩面元件超温、超临界流动以及酸露点腐蚀等警告信息。 程序会算出与显示加热炉的以下工艺参数或不利操作状态： （1）加热炉总热负荷、总热效率，辐射室热负荷 （2）辐射室出口温度（桥墙温度）与烟囱入口处温度 （3）辐射和对流热强度的均值和峰值 （4）辐射段遮蔽段和对流段中所有管组的管壁金属温度和翅片尖端温度的峰值和均值（5）两相流流型及沸腾状态的确定 （6）管内两相流的传热和压降 （7）管外传热和阻力 （8）“阻塞”、“干锅”或“冷端”腐蚀的可能性 2．2 适用的加热炉类型 （1）常减压装置加热炉 （2）铂重整、铂铼重整和强化重整等装置加热炉 （3）重沸炉和过热炉 （4）一氧化碳加热炉和锅炉 （5）脱硫装置原料预热炉 （6）焦化炉和减粘加热炉 （7）润滑油蒸馏和蜡油加热炉
6.7 换热器 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。 6.7.1 直接接触式（混合式） 在这类换热器中，冷热两种流体通过直接混合进行热量交换。在工艺上允许两种流体相互混合的情况下，这是比较方便和有效的，且其结构比较简单。直接接触式换热器常用于气体的冷却或水蒸汽的冷凝。 6.7.2 蓄热式 蓄热式换热器又称为蓄热器，它主要由热容量较大的蓄热室构成，室中可填耐火砖或金属带等作为填料。当冷、热两种流体交替地通过同一蓄热室时，即可通过填料将得自热流体的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。这类换热器的结构简单，且可耐高温，常用于气体的余热及其冷量的利用。其缺点是设备体积较大，而且两种流体交替时难免有一定程度的混合。 6.7.3 间壁式 这一类换热器的特点是在冷热两种流体之间用一金属壁（或石墨等导热性好的非金属）隔开，以使两种流体在不相混合的情况下进行热量交换。由于在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，因此下面重点讨论间壁式换热器。 （1）夹套式换热器 结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。 优点：结构简单，加工方便。 缺点：传热面积A小，传热效率低。 用途：广泛用于反应器的加热和冷却。 为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。 （2）沉浸式蛇管换热器 结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小， 为了强化传热，容器内加搅拌。 （3）喷淋式换热器 结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被
1. 传热学的发展概述 18世纪30年代首先从英国开始的工业革命促进了生产力的空前发展。生产力的发展为自然科学的发展成长开辟了广阔的道路。传热学这一门学科就是在这种大背景下发展成长起来的。导热和对流两种基本热量传递方式早为人们所认识，第三种热量传递方式则是在1803年发现了红外线才确认的，它就是热辐射方式。在批判“热素说”确认热是一种运动的过程中，科学史上的两个著名实验起着关键作用。其一是1798年伦福特(B ．T ．Rumford)钻炮筒大量发热的实验，其二是 1799年戴维(H ．Davy)两块冰块摩擦生热化为水的实验。确认热来源于物体本身内部的运动开辟了探求导热规律的途径。1804年毕渥根据实验提出了一个公式，认为每单位时间通过每单位面积的导热热量正比例于两侧表面温差，反比例于壁厚，比例系数是材料的物理性质。傅里叶于1822年发表了他的著名论著“热的解析理论”，成功地完成了创建导热理论的任务。他提出的导热定律正确概括了导热实验的结果，现称为傅里叶定律，奠定了导热理论的基础。他从傅里叶定律和能量守恒定律推出的导热微分方程是导热问题正确的数学描写，成为求解大多数工程导热问题的出发点。他所提出的采用无穷级数表示理论解的方法开辟了数学求解的新途径。傅里叶被公认为导热理论的奠基人。在傅里叶之后，导热理论求解的领域不断扩大。同样，自1823年M. Navier 提出流动方程以来，通过1845 年 G.G. Stokes 的改进，完成了流体流动基本方程的创建任务。流体流动理论是更加复杂的对流换热理论的必要前提，1909和1915年W. Nusselt 开辟了在无量纲数原则关系正确指导下，通过实验研究对流换热问题的一种基本方法。1904 年，L. Prandtl 提出的对流边界层理论使流动微分方程得到了简化，1921年 E. Pohlhausen 基于流动边界层理论引进了热边界层的概念，为对流传热微分方程的理论求解建立了基础。在辐射传热研究方面，19世纪J. Stefan 根据实验确定了黑体辐射力正比于它的绝对温度的四次方的规律，1900年M.Planck 提出的量子假说奠定了热辐射传热理论基础。上述传热理论为传热分析解析、数值以及实验研究奠定了理论基础。还要特别提到的是，由于计算机的迅速发展，用数值方法对传热问题的分析研究取得了重大进展，在20世纪70年代已经形成一个新兴分支—数值传热学。近年来，数值传热学得到了蓬勃的发展[2-4]。 2. 传热分析计算理论 热量传递主要有三种传递形式，分别是热传导、热对流和热辐射。热传导是指两个相互接触良好的物体之间的能量交换或一个物体由于其自身温度梯度而 引起的内部能量的传递。其遵循傅里叶定律[5]：dT q dx λ=-，其中λ是热导率， dT dx 是温度梯度，q 是热流密度。热对流是指在物体与其周围介质之间发生的热量交换。热对流分为自然对流和强制对流，用牛顿冷却方程描述为()w f q h t t =-，其中h 为表面传热系数，w t 为物体表面的温度，f t 为物体周围流体的温度。一个 物体或两个物体之间通过电磁波形式进行的能量传递交换称为热辐射，通常由斯
二维稳态导热在一定边界条件下解析法求解 一、问题描述 二维有限铁板，长1.5m,宽40cm, 短边两端绝热，长边两端表面与空气接触，上下表面处空气温度分别为100℃和20℃，求稳态导热后，板内温度分布。 二、解析法求解 解： 如图建立平面直角坐标系: 所给问题及边界条件的数学描述为： 2222 0t t x y ??+=?? 0x =0t x ?=? x H =0t x ?=? 0y =1()f t h t t y λ ?=-? y δ=2()f t h t t y λ ?-=-? 假设该函数可用分离变量法求解，则 ()()t X x Y y = 2222 11d X d Y X dx Y dy λ =-=- 则有 ()22 ()0X X x x λ?+=*? ()22()0Y Y y y λ?-=**?
下面对λ取值正负分类讨论： （1）λ<0时 ()X x Be =+ 代入X 方向边界条件易得： 0A B == 即 λ<0时，()*只有零解； （2）λ>0时 ( )X x A B =+ 由x 方向边界条件解得：0,n B H π== 则方程固有值和固有解为 ()2 ,cos ,1,2n n n n n X x A x n H H ππλ?? ===??? ??? 将n λ代入()**得 (),1,2n n y y H H n n n Y y C e D e n π π- =+=??? 叠加后得方程通解为 1(,)cos n n y y H H n n n n t x y a e b e x H πππ +∞ -=??=+ ??? ∑ 其中,n n n n n n a A C b A D ==； 对于任一确定[]0,x H ∈ 由y 方向边界条件代入得： 1000011cos cos n n n n H H H H n n n n f n n n n n n x a e b e h a e b e x ht H H H H ππππππππλ+∞+∞?-??-?==?????-=?+- ? ?????∑∑ 211cos cos n n n n H H H H n n n n f n n n n n n x a e b e h a e b e x ht H H H H ππππδδδδππππλ+∞+∞?-??-?==????-?-=?+- ? ????? ∑∑ 整理得：
换热器的结构和分类 换热器的分类 按用途分类： 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器 按冷热流体热量交换方式分类： 混合式、蓄热式和间壁式 主要内容： 1. 根据工艺要求，选择适当的换热器类型； 2. 通过计算选择合适的换热器规格。 间壁式换热器的类型 一、夹套换热器 结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。 优点：结构简单。 缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。
二、沉浸式蛇管换热器 结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。
三、喷淋式换热器 结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。 优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好
缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。 用途：用于冷却或冷凝管内液体。 四、套管式换热器 结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。 优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。 缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。 用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。 五、列管式换热器 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。 优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采
导热油两种传热系统比较 导热油两种传热系统比较 导热油传热系统有两种类型，分别为开式系统和闭式系统。将膨胀槽排气管直接与大气相通的传热系统称为开式传热系统；膨胀槽与大气隔离的传热系统称为闭式传热系统。两种传热系统各有哪些特点，采用开式系统或闭式系统的原则有哪些，看了以下详细分析，你可能就会有所了解。 开式系统的特点 开式系统中是将膨胀槽排气管直接与大气相通，不增加设备和维护运行费用，操作简单，目前，我国近90%导热油传热系统采用。 在开式传热系统，导热油中的低沸点挥发物和水分在加热运行中易分解析出挥发性气体和蒸汽，使导热油呈液气混合态，这种液气混合态的工质在系统中的高温、高速、低压（局部区段）工况下极易出现喘振、脉动和汽锤冲击，并在高压区收缩形成空穴，产生气蚀。在喘振、脉动状态下运行的设备，不但降低了运行效率、可靠性和安全性，而且大大缩短了设备使用寿命。尤其当供热温度大于300℃时，导热油使用温度下的饱和蒸汽压大于膨胀槽所处位置的静压头时，上述矛盾会更加突出的暴露出来，甚至会出现导热油迅速汽化，使设备根本无法运行的“断裂工况”事故。 任何油品在空气中均会氧化，导热油也不例外。油品的氧化速度与油氧接触面积成正比。在开式系统中导热油长时间与空气大面积接触，会氧化生成有机酸，有机酸可进一步促进导热油的聚合反应缩聚成胶泥，使粘度增加，导致导热油流速减缓，在炉管停留时间增加，不仅传热效果变差，而且会加速导热油的劣化，缩短导热油使用寿命，影响系统安全稳定运行。 闭式系统的特点 闭式系统通常采用惰性气体（一般采用氮气）或冷油液封装置使导热油与空气隔离。闭式系统使导热油封闭运行，隔绝空气，可有效防止导热油氧化劣化、延长导热油使用寿命，并能有效减少导热油的挥发及避免开式系统存在的问题以及喷油、着火等安全隐患，完全符合国家节能减排环保要求。 采用氮气封闭式系统，需要有氮气源否则需附加一套氮气发生系统，使导热油系统设备复杂化并给操作、维护都带来了一定的影响，提高了系统的复杂性，增加了设备投资和提高了生产运行、维护成本，不易于普及和推广。目前，国内仅大型企业、大型导热油加热系统及有氮气气源的企业采用。 对于无氮气气源和导热油系统不是很大且资金受限的企业，多采用冷油液封装置使导热油与大气隔离，也能有效保护导热油防止空气氧化，延长导热油使用寿命。 采用开式系统或闭式系统的原则 对于导热油传热系统采用开式还是闭式系统，国家标准GB23971-2009《有机热载体》和国家特种设备安全技术规范TSG G0001-2012《锅炉安全技术监察规程》都作了明确规定。 国家标准GB23971-2009规定： ● L-QC和L-QD类（即最高允许使用温度在300℃以上）导热油应在闭式系统中使用。 ●L-QB类（即最高允许使用温度在300℃以下）导热油，适用于闭式或开式系统。并规定了导热油在开式系统中使用的条件，开口闪点符合指标要求；热氧化安定性达到指标要求；初馏点高于最高工作温度。 特种设备安全技术规范TSG G0001-2012规定：符合下列条件之一的系统应设计
问题：假定一个方形材料100mm*100mm ，四边分别为第一、第二、第三类边界条件，无内热源，导热系数为常数，分析该区域内的温度变化。 2.求解过程—热平衡法 （1）区域离散化 对正方形区域进行离散，将该区域划分成不同节点数的不重叠子区域。设置节点时采用内点法。 （2）控制方程离散化 依据题意，二维稳态无源项的纯导热问题的控制方程如式（1） 22220T x T y ??+?= (1) 扩散项——中心差分，如式（2）（3） ............................（2） . (3) 将（2）、（3）、（4）式代入方程（1）可得到离散后的代数方程（5） 21,,1,2 22,2()()i j i j i j i j t t t d t O x dx x +--+????=+? ??????2,1,,1222,2()()i j i j i j i j t t t d t O y dy y +--+?? ??=+? ??????
1,,1,,1,,1 2 2 220()()i j i j i j i j i j i j t t t t t t x y +-+--+-++ =?? (4) 因为采用正方形的网格，即△x ＝△y ，且无内热源(q V ＝0) ，则式(4 ) 简化为 （3）边界条件处理 均为第一类边界条件，依据题意，设定边界条件如下： x=0时，t=800 x=1时，t=600 y=0时，t=200 y=1时，t=100 4.结果 1.第一类边界条件下的温度分布： 输入四个边界温度分别为 800k 600k 200k 100k 2，边界为第二类边界时的结果 边界条件： X=0,t=10y Y=0,t=10x X=100,t=10y+10(M-1) Y=100,t=10x+10(N-1) 3，边界为第一、第二类边界时： X=0,t=10y Y=0,t=10x X=100,t=100 Y=100,t=200 3.程序 得出四边第一类边界条件下的长方形的温度分布 #include
【问题描述】本例对覆铜板模型进行稳态传热以及热应力分析，图I所示的是铜带以及基板的俯视图，铜带和基板之间由很薄的胶层连接，可以认为二者之间为刚性连接，这样的模型不包含胶层，只有长10mm的铜带（横截面2mm×0.1mm）和同样长10mm的基板（横截面2mm×0.2mm）。材料性能参数如表1所示，有限元分析模型为实体——实体单元，单元大小0.05mm，边界条件为基板下表面温度为100℃，铜带上表面温度为20℃，通过二者进行传热。 图I 铜带与基板的俯视图 表1 材料性能参数 名称弹性模量泊松比各向同性导热系数 基板 3.5GPa 0.4 300W/(m·℃) 铜带110GPa 0.34 401W/(m·℃) 【要求】在ANSYS Workbench软件平台上，对该铜板及基板模型进行传热分析以及热应力分析。 1.分析系统选择 （1）运行ANSYS Workbench，进入工作界面，首先设置模型单位。在菜单栏中找到Units下拉菜单，依次选择Units>Metric（kg,m,s,℃，A，N,V）命令。 （2）在左侧工具箱【Toolbox】下方“分析系统”【Analysis Systems】中双击“稳态热分析”【Steady-State Thermal】系统，此时在右侧的“项目流程”【Project Schematic】中会出现该分析系统共7个单元格。相关界面如图1所示。
图1 Workbench中设置稳态热分析系统 （3）拖动左侧工具箱中“分析系统”【Analysis Systems】中的“静力分析”【Static Structural】系统进到稳态热分析系统的【Solution】单元格中，为之后热应力分析做准备。完成后的相关界面如图2所示。 图2 热应力分析流程图
传热学大作业 传热学的发展与应用 课程名称： 院系： 班级： 姓名： 学号： 2013-05-04
摘要：简要介绍传热学的重要性与发展，然后从导热、对流和热辐射三方面详细介绍了传热学的建立与发展历程。概述传热学在生活生产中的应用，接着分别从传统工业与高新技术领域两方面介绍传热学的具体应用。 关键词：传热学发展应用 正文 能源是人类存在的基石，也是人类文明的动力。热量是能源利用过程中最主要的物质，传热学则是研究因温度差异引起的热量传递过程的一门学科。由此可见，传热学的发展关系到热量的利用，关系到能源的应用，传热学是人类文明中的伟大创造。 事实上，传热学现象在我们的生活中司空见惯，早在人类文明最开始的时候就学会烧火取暖，燃火做饭，燃煤锻造兵器等等，可见我们智慧非凡的祖先善于利用传热来服务生产生活。但是关于传热问题，从来没有形成具体的理论体系，这是因为没有强有力的推动力的因素。直到工业革命前后的那段时间，传热学的发展才渐渐形成较为完整的理论体系。那是因为工业革命促进传热学研究的发展，反过来传热学的发展有大大推动工业生产的发展，二者相辅相成相互促进。 热量传递有三种方式，包括导热，对流，热辐射。这三种传热方式的理论建立与发展经过了无数科学家的不断努力。传热学的发展是一门跨行业跨专业的基础性交叉学科，它的发展依赖于数学、热力学、流体力学和量子力学以及测量技术的发展。 1798年伦福特钻炮筒大量发热的实验和1799年戴维两块冰块摩擦生热化为水的实验，确认热来源于物体本身内部的运动。1804年毕渥根据实验提出每单位时间通过每单位面积的导热热量正比例于两侧表面温差，反比例于壁厚。傅里叶利用数学工具，提出了求解场微分方程的分离变量法并将解表示成一系列任意函数的概念，发表了著名论著“热的解析理论”，奠定了导热理论的基础。在傅里叶之后，雷曼、卡斯劳、耶格尔和亚科布等学者在于导热理论求解领域做出了巨大的贡献。 流体的不可压缩性，斯托克斯方程及改进方程，雷诺数，紊流层流等流体流动的理论的提出为对流换热奠定了基础。十八世纪末十九世纪初，提出洛仑兹自然对流的理论解，格雷茨和努谢尔特管内换热的理论解及努谢尔特凝结换热理论解。1921年波尔豪森从普朗特的边界层概念中引出热边界层的概念，之后他与施密特及贝克曼合作，成功求解了竖壁附近空气的自然对流换热。湍流计算模型的发展也大大促进了对流换热的发展。普朗特、卡门马丁纳利、麦克亚当、贝尔特和埃克特也为对流换热的发展做了很大的贡献。 1889年卢默等人测得黑体辐射光谱能量分布的实验数据。19世纪末斯蒂芬(J，Stefan)实验提出玻耳兹曼理论论证的四次方定律。之后，维恩、瑞利、金斯先后提出的理论遭遇了“紫外灾难”。1900年普朗克提出能量子假说，确立了普朗克定律正确地揭示了黑体辐射
供热系统换热站设计 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
换热站设计 2017年 2 月份 目录 一、设计题目 二、小区基本资料 三、换热站设备选型 1.循环泵的选择 2.补水泵的选择 3.换热器的选择 4.除污器的选择 5.水箱的选择 6. 管道保温 一、设计题目 长春市某小区集中供热换热站设计。 二、小区基本资料
1、设计地区气象资料 供暖期室外计算温度：tw=--23℃； 供暖期室外平均温度：tpj=℃； 供暖天数：N=167天。 2、设计参数资料 一次网供回水温度：t1/t2=90/60℃； 二次网供回水温度：tg/th=60/50℃； 供暖期室内计算温度：tn=18℃。 3、设计基本要求 本设计采用间接供热，在小区内设置换热站。供热站内选择两组各两台水—水换热器，单台换热能力占本区热负荷的50%，以便保证一台换热器故障情况下，其余一台换热器能保障基本热负荷的要求，循环水泵、补水泵在高低区各设两台，一用一备，补水泵按循环流量的4%选择。 4、小区基本资料 总建筑面积为150000㎡，总供热面积为150000㎡，均为地面热辐射采暖系统； 其中：
高区建筑面积为50000㎡ 换热站总供热面积为150000㎡ 三、换热站设备选择 （一）循环泵的选择： 1、循环水泵应满足的条件 （1）、循环水泵的总流量应不小于管网的总设计流量，当热水锅炉出口至循环水泵的吸入口有旁通管时，应不计入流经旁通管的流量。 （2）、循环水泵的扬程应不小于流量条件下热源、热力网最不利环路压力损失之和。（3）、循环水泵应具有工作点附近较平缓流量扬程特性曲线，并联运行的水泵型号相同。 （4）、循环水泵承压耐温能力应与热力网的设计参数相适应。 （5）、应尽量减少循环水泵的台数，设置三台以下循环水泵时，应有备用泵，当四台或四台以上水泵并联使用时，可不设备用泵。 2、循环水泵的选择 *F*10-3 1）Q=q f
deform和abaqus传热计算的比较 作者：清华大学机械系王欣博士 设计算例1： 假设管坯初始温度为1200℃，然后在空气中散热（考虑对流和表面辐射）放置100s时的温度场。两者使用完全相同的网格和节点，材料参数完全相同（deform的材料密度是内置的，abaqus取为7.8e-9 tonne/mm3），传热的边界条件完全相同：两个软件中设置的对流系数相同，环境温度相同，热辐射的发射率相同。 deform中设置：通过Heat exchange with environment设置管坯与环境的热交换，考虑对流和辐射（图1）。 图1 deform中管坯与环境热交换的设置 计算结果： 图2和图3分别为abaqus和deform计算的温度场，可以看出温度场的最小值和最大值基本相同，当云图的间隔取为8个时，两者的温度云图图例上间隔点的数值基本相同。再看云图的整体分布也基本相同。图4为取管坯上一条线上的点分别基于abaqus和deform计算得到的温度结果比较，可见两个软件计算的温度值高度吻合，基本是完全重合的。 结论： abaqus和deform在对流和（表面）辐射的计算功能是完全相同的，基于相同的材料和网格，相同的散热条件，温度场计算结果完全相同。至少表明：Heat exchange with environment 这个deform中的功能与abaqus的对流计算是完全相同的结果，另外只要材料中有辐射的发射率，即deform一旦选择了Heat exchange with environment则自动考虑了辐射计算，貌似没有选项用于选择是否考虑辐射。
图2 abaqus 计算第100s 时的温度场 图3 deform 计算第100s 时的温度场 -1000100200300400500600700800 860 880 900920 940T e m p e r a t u r e /°C distance along surface of pipe axis /mm abaqus deform 图4 abaqus 和deform 计算得到沿着图3所示的路径上管坯沿轴线表面的温度
文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１９)０１Ｇ０１２１０Ｇ０５ 自形成磁性液体热疗的电磁感应热及生物热传递的数值计算? 李一强１,２,杨永明１,２,刘洪宇１,２,张龙隆１,２ (１．湖北民族大学新材料与机电工程学院,湖北恩施４４５０００; ２．湖北民族大学新材料成型及装备技术产学研中心,湖北恩施４４５０００) 摘一要:一建立了肿瘤和正常生物组织的双球模型,采用了赫尔姆兹线圈产生磁性液体热疗的均匀磁场,利用有限元方法计算自形成C o F e２O４磁性液体热疗的电磁感应热及生物热传递,得出肿瘤组织和健康组织的温度均随时间上升后趋于稳定;肿瘤组织中心的稳定温度最高,温度随着与中心的距离增大而不断减小后趋于稳定;在合适参数下,健康组织的温度处于安全温度范围,磁性液体热疗达到了预期效果.肿瘤组织半径越大,温度下降越慢,稳定温度也越高;在肿瘤组织的区域内,温度变化较小,在健康组织范围内,温度下降后趋于稳定.磁性液体体积分数越大,肿瘤组织中心温度越高. 关键词:一自形成;磁性液体;电磁感应热;生物热传递 中图分类号:一T M２７１;R７３文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１９．０１．０３４ ０一引一言 肿瘤已经严重威胁人类的健康,每年发病率都在持续上升.肿瘤治疗的方法层出不穷,目前手术二放疗与化疗依然是主要的治疗手段.随着科技的进步,发展绿色二安全二高效的癌症新疗法是大势所趋.１９５７年G i l c h r i s t等[１]提出的磁感应热疗成为热疗领域的重要关注点,大量研究表明磁性液体是理想的磁感应热疗介质. 磁性液体通常是由纳米级磁性颗粒稳定的悬浮于液体(基液)中形成的胶体体系,既具有固体的磁性,又有液体的流动性[２].L i等提出通过控制铁氧体纳米颗粒M F e２O４(M为F e二C o二M n二Z n等二价金属)在酸性溶液的溶解,M２＋和F e３＋将吸附在未溶解的纳米颗粒形成带电颗粒,于是可合成磁性液体,这种离子型磁性液体称作自形成磁性液体[３].磁性液体热疗是一种基于纳米材料技术的新型磁感应热疗技术,通过注射方式将磁性液体注入肿瘤,再利用交变磁场下可将磁能转化为热能这一特性,将肿瘤组织温度升高超过４１?,并持续一段时间,导致癌细胞死亡.磁性液体热疗技术实现了 细胞内热疗 ,极大地提高了肿瘤热疗的精确性和可控性,具有高度的靶向性二杀伤特异性二安全性好二特征吸收率高二热旁观者效应二还可与其他肿瘤治疗手段联合应用的普适性强等优点,使其具备其它热疗所不具备的特殊优势.因此,磁性液体热疗是目前国内外学者研究的热点之一. 当前国内外学者在磁场发生装置[４]二磁性液体制备及表面活化[５]二生物传热方程[６]等方面取得了丰硕的成果.精确无损地测量和控制磁性液体比热吸收效率的研究是改进磁性液体热疗的趋势.目前,学者们采用了热电偶传感器二温度计二超声等技术测量手段,取得了很好的测量效果[７];为了精确控制磁性液体热疗的温度,温度敏感型磁性液体在磁性液体热疗中也引起了国内外学者的极大兴趣,精确无损性和可控性需要对交变磁场下磁性液体的动力学性能深入研究. R o s e n s w e i g[８]根据磁性液体动力学规律,建立了交变场下磁性液体的能量损耗理论,得出了交变磁场下单位体积的热率随粒径和粘度变化的规律,对理论计算交变磁场下磁性液体的比热吸收率具有重要的指导意义.M a r i n等[９]和H u a n g等[１０]理论研究了不同因素下磁性液体等效热容.F a n n i n和P a y e t等[１１Ｇ１２]开展了磁性液体动力学理论工作和在大量的实验研究工作,为磁性液体动力学理论和磁性液体场致发热的应用研究提供了实验指导.国内的学者也在积极开展相关研究工作,刘文中等[６]对磁性液体热疗中电磁感应热和生物热传递过程进行了数值计算,证明了肿瘤组织过热而健康组织没受到影响的结论.自形成磁性液体在磁性液体热疗中研究较少,本课题组[１３]也曾对自形成C o F e２O４磁性液体的热效率进行了研究,得出了磁性液体物理参数与热效率的规律. 本文建立了肿瘤和正常生物组织的双球模型,采用了赫尔姆兹线圈产生磁性液体热疗的均匀磁场,将 ０１２１ ０２０１９年第１期(５０)卷 ?基金项目:湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划基金资助项目(T２０１７１２);湖北民族学院博士科研启动基金资助项目(MY２０１２B００６);湖北民族学院院内青年科研基金资助项目(MY２０１７Q００６);湖北民族学院大学生创新创业资助 项目(２０１８１０５１７２８０,２０１８１０５１７２８９) 收到初稿日期:２０１８Ｇ０３Ｇ１０收到修改稿日期:２０１８Ｇ０６Ｇ１０通讯作者:李一强,EＧm a i l:m a g n e t i c_f l u i d＠y a h o o．c o m 作者简介:李一强一(１９８２－),男,湖北利川人,博士,副教授,主要从事磁性液体理论及应用研究.
中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院热能与动力工程系 《计算传热学程序设计》 设计报告 学生姓名: 学号： 专业班级： 指导教师 2012年 7 月 7 日
1、设计题目 有一房屋的砖墙厚δ= m ，λ= W/(m·℃)，ρc =×106 J/( m 3·K)，室内温度T f1 保持20℃不变，表面传热系数h 1=6W/(m 2·℃)。开始时墙的温度处于稳定状态，内墙表面温度Tw 1为15℃寒潮入侵后，室外温度T f2下降为-10℃，外墙的表面传热系数为35W /(m 2·℃)。试分析寒潮入侵后多少时间内墙壁面方可感受到外界气温的变化。 图1 墙壁简化图 已知参数 壁厚，墙壁导热系数，密度与比热容的乘积，室内和寒潮入侵后室外空气温度，室内空气和外墙的表面传热系数，开始时稳定状态下的内墙表面温度。 求解 寒潮入侵多少时间后内墙壁面可感受到外界气温的变化？ 2 物理与数学模型 物理模型 该墙面为常物性，可以假设：（1）其为无限大平面，（2）只有在厚度方向传热，没有纵向传热，则该问题转化为一维常物性无限大平面非稳态导热问题。 数学模型 以墙外表面为坐标原点，沿厚度方向为坐标正方向，建立坐标系。基于上述模型，取其在x 方向上的微元作为研究对象，则该问题的数学模型可描述如下： T () T c x x ρλτ???=??? （1a ） 初始条件： （1b ） 室外 寒流入侵 室内 0 x
在两侧相应的边界条件是第三类边界条件，分别由傅立叶定律可描述如下： 左边界： 020 2()x f x T h T T X ==?-λ =-? （1c ） 右边界： 11()x f x T h T T X =δ=δ ?-λ=-? （1d ） 3 数值处理与程序设计 数值处理 采用外点法用均匀网格对求解区域进行离散化，得到的网格系统如图2所示。一共使用了0~N-1共N 个节点。 节点间距δx 为: 图2 墙壁内的网格划分 此例中墙壁导热系数为常值，无源项。则可采用有限体积法对控制方程离散化，得到离散方程为： p p E E W W a T a T a T b =++ （2a ） 式中： P W E P a a a a ++= （2b ） x a E δλ= ，x a W δλ=，τ δρ?=x c a P 0 （2c ） 00p p b a T = （2d ） 其中的上标“0”表示此为上一时刻的值,分别为节点所在控制容积左右边界上的导热系数，由于墙壁导热系数不变，故都等于λ，△τ为时间步长。由元体能量平衡法可以得知左右边界节点的离散方程分别为：
换热器类型和结构 内容 1、换热器的定义 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。让热水从管道内流过。由于管道内热水和容器内冷热水的温度差，会形成热交换，也就是初中物理的热平衡，高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里水的热量交换给了容器内的冷水，换热器又称热交换器。 2、换热器的分类与结构 换热器按用途分类可以分为：冷却器、冷凝器、加热器、换热器、再沸器、蒸气发生器、废热(或余热)锅炉。 按换热方式可以分为：直接接触式换热器（又叫混合式换热器）、蓄热式换热器和间壁式换热器。 下面主要介绍一下按换热方式分类的换热器： 1)直接接触式换热器 直接接触式交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门。常用的混合式换热器有：冷却塔、气体洗涤塔、喷射式换热器和混合式冷凝器。
2)蓄热式换热器 蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。 3)间壁式换热器 此类换热器中，冷热俩流体间用一金属隔开，以便俩种流体不相混合而进行热量传递。在化工生产中冷热流体经常不能直接接触，故而间壁式换热器是最常用的一种换热器。下面主要介绍一下间壁式换热器的分类： a)夹套式换热器 由容器外壁安装夹套制成。（如图所示）
计算传热学课程报告 一、问题概述： 有限单元法是上个世纪五、六十年代首先在力学中发展起来的数值计算方法，由于它是基于变分原理，理论基础统一，对于复杂边界的适应程度比较好，所以很快的在其它领域得到运用，其中就包括了在传热学中的运用。本次计算传热学的课程就是对有限单元法在传热学中运用的一个学习与练习。 有限单元法处理问题的步骤，首先是建立有限元模型也即是将问题离散化，它的主要步骤之一就是将要计算的物体进行有限元的划分；第二步，进行单元分析也就是将变分原理运用到问题的方程与单元中，形成单元刚度矩阵；第三步，进行整体刚度矩阵的组集；最后就是引入边界条件进行求解的过程。 在计算传热学的课程中，主要完成了两个任务：第一，是将一个比较复杂的活塞进行了网格划分，并编译成一个通用性比较好的程序。第二，在前一个程序的基础上，加入计算过程，运用焓法，对一个比较简单的平面相变问题进行了计算。 二、划分单元网格： 划分单元网格是将问题进行有限元法分析的基础，但是如果在图纸上进行手工的单元划分，不但繁琐、容易出错，而且也不利于进一步计算程序的利用。因此有必要编辑一个程序，以自动完成划分网格的目的。网格的自动划分必须遵循以下的几条规则：(1).要严格区分边界单元与内部单元，并且严格区分边界单元不同的组；(2).单元标号必须先标志内部单元，然后依次标志第一类边界条件，第二类边界条件，第三类边界条件，如果同一类边界条件中有不同的组，那么也必须严格先划分第一组，然后第二组，第三组；(3). 对于边界单元，每一个边界单元必须只有一条边在边界上，而且为了程序的简单，一般是j,m边作为边界；(4).内部单元节点标号必须遵循逆时针方向的规则；(5). 一个单元中只能有一种材料组成。 遵循以上的规则，用FORTRAN 90编制了一个对形状比较复杂的活塞的网格划分，由于在编制过程中考虑了多种情况，所以这个程序有比较好的通用性，只需要输入不同的数据，程序也可以对许多其它情况进行划分。 需要指出的是，由于FORTRAN 90程序对于制图功能比较弱，所以下面的图是用VB 6.0的程序做出的，由于该网格划分程序集成了后续对第一类边界条件和第三类边界条件的焓法计算程序，故该程序源代码将在最后统一给出。网格划分的结果如图(1)。 需要输入的初始数据主要有：边界单元分组总数、边界单元分组中前一组的最后一个单元号、各组边界单元节点数、各边界单元边界节点号、
（三）热管换热器的结构形式 以热管为传热单元的热管换热器是一种新型高效换热器，其结构如图片4-50、图片4-51所示，它是由壳体、热管和隔板组成的。热管作为主要的传热元件，是一种具有高导热性能的传热装置。它是一种真空容器，其基本组成部件为壳体、吸液芯和工作液。将壳体抽真空后充入适量的工作液，密闭壳体便构成一只热管。当热源对其一端供热时，工作液自热源吸收热量而蒸发汽化，携带潜热的蒸汽在压差作用下，高速传输至壳体的另一端，向冷源放出潜热而凝结，冷凝液回至热端，再次沸腾汽化。如此反复循环，热量乃不断从热端传至冷端。 【图片4-50】热管换热器。 【图片4-51】热管示意图。 热管按冷凝液循环方式分为吸液芯热管、重力热管和离心热管三种。吸液芯热管的冷凝液依靠毛细管的作用回到热端，这种热管可以在失重情况下工作；重力热管的冷凝液是依靠重力流回热端，它的传热具有单向性，一般为垂直放置离心热管是靠离心力使冷凝液回到热端，通常用于旋转部件的冷却。 热管按工作液的工作温度分为深冷热管、低温热管、中温热管和高温热管四种。深冷热管在200K以下工作，工作液有氮、氢、氖、氧、甲烷、乙烷等；低温热管在 200~550K 范围内工作，工作液有氟里昂、氨、丙酮、乙醇、水等；中温热管在550~750K范围内
工作，工作液有导热姆 A、水银、铯、水及钾─钠混合液等；高温热管在750K 以上工作，工作液有液态金属钾、钠、锂、银等。 热管的传热特点是热管中的热量传递通过沸腾汽化、蒸汽流动和蒸汽冷凝三步进行，由于沸腾和冷凝的对流传热强度都很大，而蒸汽流动阻力损失又较小，因此热管两端温度差可以很小，即能在很小的温差下传递很大的热流量。因此，它特别适用于低温差传热及某些等温性要求较高的场合。热管换热器具有结构简单、使用寿命长、工作可靠、应用范围广等优点，可用于气─气、气─液和液─液之间的换热过程。
计算传热学程序介绍 计算传热学是用计算的方法研究热传递过程，给出刻画这些过程的状态量的数值大小，并据此来认识热传递过程及其变化规律，实际上计算传热学是一种近似方法，其基础是数值方法是离散化的近似算法，通过求解非连续的（分析解是连续的）区域代表点上待求变量的近似值。本课程计算传热学程序的核心是用一系列的点代表连续的求解区域，本程序求解的核心是用离散的变量代替连续的变量。 计算传热学程序计算方法的计算步骤如下： ?????? ????????????????????????????→????? 积分法级数展开法方程离散化内节点法外节点法区域离散化能量守恒动量守恒质量守恒数学模型物理模型 计算传热学步骤控制容积多项项拟合T aylor 计算方法首先提出问题——流动性质（内流、外流；层流、湍流；单相流、多项流；可压、不可压……），确定流体属性（牛顿流体：液体、单组分气体、多组分气体、化学反应气体；非牛顿流体）；然后分析问题——建模——N-S 方程（连续性假设），Boltzmann 方程（稀薄气体流动），各类本构方程与封闭模型； 根据分析结果解决问题——差分格式的构造/选择，程序的具体编写/软件的选用，后处理的完成；最后形成成果说明——文字，提交报告。 本课程计算传热学程序采用二维椭圆型流动和传热问题通用计算程序为基础研究计算传热学程序的计算方法，该程序具有以下特点： 1. 采用原始变量法，即以速度U 、V 及压力P 作为直接求解的变量 2. 守恒型的差分格式，离散方程系对守恒型的控制方程通过对控制容积作积分而得出的，无论网格疏密程度如何，均满足在计算区域内守恒的条件； 3. 采用区域离散化方法B ，即先定控制体界面、再定节点位置 4. 采用交叉网格，速度U 、V 与其他变量分别存储于三套网格系统中；
【最新整理，下载后即可编辑】 生物传热基础 题目：生物组织传热红外热成像的三维温度场重建 作者： 学号：
生物组织传热红外热成像的三维温度场重建 红外热成像技术作为新型的非接触测温方法，具有无损、快捷、方便的特点，并且可以利用计算机技术对生物组织内部温度场进行三维重构。采用基于红外热成像的无损测温方法，获取模拟生物组织的分层仿生体模的红外热辐射温度信息，然后对该信息进行灰度变换和伪彩色处理，生成红外热像图，并在此基础上采用体绘制光线投射算法进行温度场三维重建。 温度场三维重建方法如下文所述： 1.生物组织传热 本文采用Pennes 传热方程，其一般形式为： r m b b b t q q T T c T k T c ++-+?=??)(2ωτ ρ其中 式中ρ、t c 、k 分别为生物组织的密度、比热容和热传导率， τ为加热时间，b ω为加热区域内加热时的血流速率，b c 为血液的 比热容，T b 为血液的温度，q m 为生物组织代谢产热率，q v 为外加热源的生热率。 仿生物组织的假设：1）假定生物组织的热学参数不随温度变化；2）生物组织均匀且各项同性；3）加热前温度分布均匀。Pennes 方程可以简化为 r t q T k T c +?=??2τ ρ 2.红外辐射与温度测量 根据红外辐射的原理，红外光具有很强的温度效应，由红外热像仪被动获得生物组织红外辐射的温度值。同时，由于生物组织的特性，红外热像仪探测到的温度值无法通过显示器直接显示，因而需要先将测量到的温度值根据公式转换为人眼能够感知的灰度值范围(0~255)，也可以根据需要进行分段线性灰度转换，