传热学课件-清华大学 (3)
- 格式：pdf
- 大小：3.47 MB
- 文档页数：77
下载文档原格式
合集下载
清华大学热工基础课件工程力学加传热学绪论-PPT资料23页
30.11.2019
21
热工基础课程在人才培养中的地位与作用
热工基础是现代工程技术人才必备的技 术基础知识，是21世纪工科各类专业人才工 程素质的重要组成部分。除了能源、动力类 专业学生必须进一步深入学习工程热力学与 传热学之外，热工基础课程应该是机械类、 交通运输类、航空航天类、武器类、土建类、 材料类、化工与制药类、轻工纺织食品类、 环境与安全类等各类专业大学本科生必修的 一门技术基础课。
500
400
300
200
100
0 1960
30.11.2019
1970
1980
1991
1997
中国 世界先进
10
3）环境污染严重
工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，
我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标； 48个大中城市空气中的SO2浓度超标； 82%城市出现过酸雨；
我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占 世界总排放量的13.6%。
13
据统计，目前通过热能形式利用的能源在我 国占总能源利用的90％以上，世界其它各国平均 也超过85％。由此可见，在能量转换与利用过程 中，热能不仅是最常见的形式，而且具有特殊重 要的作用。热能的有效利用对于解决我国的能源 问题乃至对人类社会的发展有着重大意义。
30.11.2019
14
热能利用的基本方式
我国大陆地区年总发电量 2.5 亿千瓦， 人均 0.2 千瓦/（人·年）；台湾地区人均 1.0千瓦/ （人·年）；
欧、美、日本等发达国家 6 千瓦/人·年） 。
30.11.2019
7
2）能源开发利用设备和技术落后，能源利 用效率低，浪费严重
我国能源的终端利用效率为32 ％ ～33％；
清华大学传热学课件48-传热学-0
T
— 黑体表面的绝对温度（热力学温度） K
实际物体辐射能力：低于同温度黑体
— 实际物体表面的发射率（黑度），0~1；
与物体的种类、表面状况和温度有关 （Emissivity）
E bT
4
W m
2
§0-3 传热过程简介
● 传热过程：两（冷热）流体间通过固体壁面进行的换热 ● 传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成
t
热导率（导热系数）(Thermal conductivity) Φ t W Φ A A t
—— 具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体(1m)， 在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J) 热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定
传热学发展史
• 传热学是在18世纪30年代英国开始的工业革
命使生产力空前发展的条件下发展起来的
• 传热学的发展史实际就是：导热、对流、热
辐射三种热传递方式的发展史
• 导热、对流早为人们所认识，而热辐射是在 1803年才确认的
参见《传热学》杨世铭、陶文铨编著
Rh 1 (hA) [ C W ]
rh 1 h [m C W ]
2
Thermal resistance for convection
三、热辐射（Thermal radiation）
● 定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐
射能的现象；凡物体都具有辐射能力 ● 物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种 类不同、表面状况不同，其辐射能力不同
傅里叶定律的由来
• 傅里叶（J.B.J. Fourier）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 题正确的数学描述；研究导热问题的基础 • 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（J.B.J. Fourier）被公认为导热理 论的奠基人
《传热学基本知识》PPT课件
3、传热的基本方式
导热 热对流 热辐射
4、稳定传热基本概念
稳定传热 传热中温度差保持一恒定值，即不随时间有所变化。
不稳定传热 传热中温度差随时间变化而变化。
本章无特别说明的传热现象都是指稳定传热。
§2－2 稳定导热
一、定义
温度不同的物体直接接触，温度较高的物体把热能传给 温度较低的物体，或在同一物体内部，热能从温度较高 的部分传给温度较低部分的传热现象。
Q－单位时间的对流换热量。 q －对流换热热流强度。 F －墙壁的换热面积。 tb －墙面的温度。
t1 －流体的温度。
－对流换热系数，
其大小反映了对流换热的强弱。
变换公式的形式，可得：
q tb t1 tb t1
1
R
R －对流换热热阻，与对流换热系数成反比。
§2－4 辐射换热
1 1 d
1
1
1
Rn R Rw R
n w
K －墙体的总传热系数。 R －墙体的总传热阻。
二、传热的增强与削弱
1、增强传热的基本途径 Q KFt
（1）提高传热系数 （2）增大传热面积 （3）增大传热温差
2、增强传热的方法
（1）改变流体的流动状况 （2）改变流体的物性 （3）改变换热表面情况
一、热辐射的本质和特点
1、定义 2、特点：
不依靠物质的直接接触而进行能量传递。 伴随能量形式两次转化：内能→电磁波能→内能。 只要T＞OK，物体都会不断向周围发射热射线。
即使没有温差，也存在热辐射，只不过物体辐射和吸收的 能量相等，处于动态平衡。
二、辐射能的吸收、反射和透射
根据能量守恒定律，有：
清华大学热工基础课件工程热力学加传热学第十章-对流换热、单相流体
1）热导率，W/(mK)， 愈大，流体导热热阻愈小，
对流换热愈强烈；
2）密度，kg/m3 3）比热容c，J/(kgK)。 c反映单位体积流体热容量
的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对 流换热愈强烈；
4）动力粘度，Pas；运动粘度＝/，m2/s。流体
的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；
u v 0
dy
x y
2）动量微分方程（动量守恒）
微元体
惯性力
压力差 0
dx
x
x方向: u u u xv u y F x x p x 2 u 2 y 2 u 2
D duFxxp2u 体积力
20
局部表面传热系数的变化趋势：
流动边界层厚度 与热边界层厚度t的比较 ：
两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度 与
热扩散率a的相对大小。令
对于层流边界层:Pr≥1 t ；Pr≤1 t
Pr a
对于湍流边界层: t
普朗特数
一般液体:Pr=0.6~4000；气体：Pr=0.6~0.8。 21
cp
t
uxt vyt
2t x2
2t y2
4个微分方程含有4个未知量(u、v、p、t)，方程 组封闭。原则上，方程组对于满足上述假定条件的对 流换热（强迫、自然、层流、湍流换热）都适用。15
（2）对流换热的单值性条件
1) 几何条件
1
10-1 概述
1. 牛顿冷却公式
= A h( tw－tf ) q = h( tw－tf )
h—整个固体表面的平均 表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的流体 主流温度；对于内部流动，tf 取流体的平均温度。
对流换热愈强烈；
2）密度，kg/m3 3）比热容c，J/(kgK)。 c反映单位体积流体热容量
的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对 流换热愈强烈；
4）动力粘度，Pas；运动粘度＝/，m2/s。流体
的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；
u v 0
dy
x y
2）动量微分方程（动量守恒）
微元体
惯性力
压力差 0
dx
x
x方向: u u u xv u y F x x p x 2 u 2 y 2 u 2
D duFxxp2u 体积力
20
局部表面传热系数的变化趋势：
流动边界层厚度 与热边界层厚度t的比较 ：
两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度 与
热扩散率a的相对大小。令
对于层流边界层:Pr≥1 t ；Pr≤1 t
Pr a
对于湍流边界层: t
普朗特数
一般液体:Pr=0.6~4000；气体：Pr=0.6~0.8。 21
cp
t
uxt vyt
2t x2
2t y2
4个微分方程含有4个未知量(u、v、p、t)，方程 组封闭。原则上，方程组对于满足上述假定条件的对 流换热（强迫、自然、层流、湍流换热）都适用。15
（2）对流换热的单值性条件
1) 几何条件
1
10-1 概述
1. 牛顿冷却公式
= A h( tw－tf ) q = h( tw－tf )
h—整个固体表面的平均 表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的流体 主流温度；对于内部流动，tf 取流体的平均温度。
传热学基本知识PPT课件
Qt1t2t3 t1t4
R1R2R3
R
通过各层的导热量相同， 各层导热所遵循的规律相同
2021
29
传热学基本知识
热传导
4、导热计算 3）单层圆筒壁的稳定热传导
特点：单层圆筒壁的导热面积不是常量，随圆
筒半径而变、同时温度也只是随半径而变。
Q t1 t2 R
t
A均
A均=2πr均L
r均
r2 r1 ln r2
导热分为两类
稳定导热：温度不随时间而变化的导热 不稳定导热：温度随时间而变化的导热
知识回顾
2021
23
传热学基本知识
热传导
2、傅里叶导热定律
热传导的速率与垂直于热流方向的表面积成正比，与壁面两侧的温差成正比，与壁厚成反比。
QAt1t2
q
Q A
t
Q
t
t R
A
Q 导热量，传热速率 , W;
导热动力 导热阻力
自然对流
泡状沸腾或泡核沸腾（传热系数大）
膜状沸腾
2021
36
蒸汽冷凝时的对流传热
蒸汽冷凝的对流传热
蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧 时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽在饱 和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供 冷流体加热。
2021
37
蒸汽冷凝时的对流传热
(1) 蒸汽冷凝的方式
t t1t2 l n t1 t2 2021
当⊿t1/⊿t2＜2时
⊿t=(⊿t1+⊿t2)/2
15
（2）双侧变温时的平均温度差
并流
逆流
错流
折流
①并流时的(对数)平均温度差
传热学课件课件
传热学课件课件
A dt
dx
（1-1）
式中 是比例系数，称为热导率，又称导
热系数，负号表示热量传递的方向与温度
升高的方向相反。
传热学课件课件
传热学课件课件
传热学课件课件
❖ （ 2 ）导电固体：其中有许多自由电子， 它们在晶格之间像气体分子那样运动。自 由电子的运动在导电固体的导热中起主导 作用。
❖ （ 3 ）非导电固体：导热是通过晶格结构 的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、 分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
传热学课件课件
❖（ 4 ）液体的导热机理：存在两种不同的 观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些， 因液体分子的间距较近，分子间的作用力对 碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非 导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动， 原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的） 的作用。
传热学课件课件
(2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题
动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新 能源、微电子、核能、航空航天、微机电 系统（MEMS）、新材料、军事科学与技 术、生命科学与生物技术…
传热学课件课件
(3) 几个特殊领域中的具体应用
a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷 却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却； 卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大 气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷 却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火 箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机
的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停
机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热
过程。
传热学课件课件
二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容 之一，是建环专业必修的专业基础课。是 否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到 后续专业课的学习效果。
A dt
dx
（1-1）
式中 是比例系数，称为热导率，又称导
热系数，负号表示热量传递的方向与温度
升高的方向相反。
传热学课件课件
传热学课件课件
传热学课件课件
❖ （ 2 ）导电固体：其中有许多自由电子， 它们在晶格之间像气体分子那样运动。自 由电子的运动在导电固体的导热中起主导 作用。
❖ （ 3 ）非导电固体：导热是通过晶格结构 的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、 分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
传热学课件课件
❖（ 4 ）液体的导热机理：存在两种不同的 观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些， 因液体分子的间距较近，分子间的作用力对 碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非 导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动， 原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的） 的作用。
传热学课件课件
(2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题
动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新 能源、微电子、核能、航空航天、微机电 系统（MEMS）、新材料、军事科学与技 术、生命科学与生物技术…
传热学课件课件
(3) 几个特殊领域中的具体应用
a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷 却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却； 卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大 气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷 却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火 箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机
的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停
机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热
过程。
传热学课件课件
二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容 之一，是建环专业必修的专业基础课。是 否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到 后续专业课的学习效果。
清华大学化工原理05第五章传热3-课件
x
x
平均
1 L
L
O xdx
L
L dx
O x
2、垂直壁面的膜状冷凝 1）理论分析
物性＝const 假设 蒸汽存在对液膜无磨擦阻力
滞流
1
可以导出：0.943rg23/Lt4(平 均 值 )
定性尺寸：L
定性温度：膜温：12twtS，ts饱和温度
r：饱和温度下的冷凝潜热
若传热量一定，r，冷凝量，膜厚，α ρ，单位体积受力，流动快，膜厚，α λ（通过膜导热）α μ 膜厚，α Δt 传热推动力，冷凝液，膜厚，α
a）首先明确生产目的，加热，冷却
b） QW S1CP1T1T2 需 要 传 递 的 热 量
QK St
实 际 传 递 的 热 量
两者的一致性 确定所求的量。
5、基本方法 1) 对比计算法 2) 控制热阻法：
u0.8 d 0.2
0.8 0.4~0.5
忽略，K接近于小一方； 若 大>>小，小≈K 如 汽水 冷凝水
膜、滴交错
七、液体沸腾时的： 锅炉、蒸发器、再沸器 温差 容积沸腾：加热面浸于液体中 自然对流 汽泡运动 管内沸腾：一定流速流动，加热管
1、沸腾现象：
特征：有气泡产生；由加热表面首先生成； 必要条件过热
p b r2p L r22 r， pp bp L2 /r p2 /r汽 泡 生 成 ， 存 在 p 由 过 热 t 造 成
t2
0
36.6 C
w S '2 c p 2t 2 t 1 w S 1 c p 2t 2 t 1
措施：
w S '2 w S 2 t t 2 2 t t 1 1 0 . 5 6 4 w S 2
w
清华大学热工基课件工程热力学加传热学第十一章-PPT精品文档
Gd
0
Gd
0
Gd
0
Gd
0
Gd
3
类、温度和表面状况，是波长的函数。 ,不仅取决于物体的性质，还与投射辐射能的波 , 长分布有关。 （ 2 ）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属 于表面效应 ： 金属的表面层厚度小于 1m ；绝大多数 非金属的表面层厚度小于1mm。 （3）对于固体和液体， 。 0 , 1
E E d b b 1 2
1
2
d d b b E E
9
Hale Waihona Puke 定向辐射力与辐射力之间的关系：
E
2
Ed
定向辐射力与辐射强度之间的关系：
E L o s c
辐射力与辐射强度之间的关系：
E
2
L c o s d
10
11-2 黑体辐射的基本定律
1.普朗克（Planck）定律 2.斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 3.兰贝特（Lambert）定律
注意： , （1） , 属于物体的辐射特性，取决于物体的种
镜反射与漫反射：
产生何种反射决于物体表 面的粗糙程度和投射辐射能 的波长 。
4
2. 灰体与黑体
灰体： 光谱辐射特性不随波长而变化的假想物体，即 , , 分别等于常数。
0
G d
0
G d
G G
G G
G 透射比 G 1
G G
如果投入辐射是某一波长的辐射能G ，则
清华大学传热学课件-传热学-3-1
X c2 cos(x) c3 sin( x) X ( x) ( ) 2 ( x, ) A cos(x) B sin( x)exp( a )
( x, ) A cos(x) B sin( x)exp( a )
2
A、B 和 可由初始条件和边界条件确定
f (Bi, x
) f (Bi, Fo)
( x, ) ( x, ) m ( ) ; 0 m ( ) 0
f (Bi,
x
) f (Bi, Fo)
( x, ) (Bi, ) m ( )
x
( x, ) ( x, ) m ( ) ; 0 m ( ) 0
分析解法、近似分析法、数值解法
分析解法：分离变量法、积分变换、拉普拉斯变换 近似分析法：集总参数法、积分法、瑞利-里兹法 数值解法：有限差分法、蒙特卡洛法、有限元法、 分子动力学模拟
§3-2 有限厚度无限大平壁的瞬态导热
一、加热或冷却过程的分析解法（分离变量法） 厚度 2 的无限大平壁，、a 为已知常数；=0时温度为 t0; 突然把两侧介质温度降低为 t 并保持不变；壁表面与介质之 间的表面传热系数为h。两侧冷 却情况相同、温度分布对称。 中心为原点。 2 初始条件： t
x 0, x 0
x
x0
B0
a 2
A sin( x) B cos(x) x0 e
B e
2
a 2
0
( x, ) A cos(x) exp( a )
x
2 2
A sin( )exp( a ) hA cos( ) exp( a )
2
清华大学传热学课件-传热学-3-2
1、无限长直角柱体中的瞬态导热
直角柱体的截面：2x 2y 可以看成是厚度为 2x 和厚度 为 2y 的两块无限大平壁垂直 相交形成的 可以证明：无限长直角柱体 的温度场是这两块无限大平 壁温度场的乘积
可以证明：无限长直角柱体的 温度场是这两块无限大平壁温 度场的乘积（试证明之） （要求初始、边界条件一致）
qw
t f t0 1 1.13 a h
W m2
qw
t w ( ) t0
1.13 a
qw h(t f ( ) t w ( ))
第一类边界条件下，半无限大物体的温度分布：
第三类边界条件下，半无限大物体的温度分布:（略） 例：地下某建筑物，墙厚48cm，F=10m2，=0.815， 加热5个小时后，使墙壁温度升高了18度，问：Q=?
( ) Ae
a 2
X ( x) Be
x
Ce
x
a 2 x x Be Ce ( x, ) X ( x) ( ) Ae 2 1 d 1 d X 若假设： 2 a d X dx2 2 d d X 2 2 a 0 X 0 2 d
3、六面体中的瞬态导热
六面体截面：2L1 2L2 2L3
可以看成是厚度分别为 2L1 、 2L2和 2L3的三块无限大平壁 垂直相交形成的
( x, y, z, ) ( x, ) ( y, ) ( z, ) 0 0 0 0
二维或三维瞬态导热过程中放热量或吸热量计算方法:
实测综 合温度 简谐波
实测数据表明：综合温度的周期性波动规律可以视为 一个简单的简谐波曲线 工程中把环境温度或表面温度的波动概括为简谐振动
二、半无限大物体在周期性变化边界条件下的温度波 1、第一类边界条件下的温度场 半无限大物体：以无限大的 y-z平面为界面，在正 x 方向延伸至无穷远的物体。 Aw Aw 均质半无限大物体导热方程： 0 2
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
§3-1 非稳态导热的基本概念
第三章非稳态导热
（Transient Conduction ）
自然界和工程上许多导热过程为非稳态，t = f(τ)例如：冶金、热处理与热加工：工件被加热或冷却非稳态导热：周期性和非周期性（瞬态导热）
非周期性非稳态导热（瞬态导热）：物体的温度随时间不断地升高（加热过程）或降低（冷却过程），在经历相当长时间后，物体温度逐渐趋近于周围介质温度，最终达到热平衡周期性非稳态导热：物体温度按一定的周期发生变化锅炉、内燃机、制冷设备等装置起动、停机、变工况供暖或停暖过程中墙内与室内空气温度自然环境温度
一、瞬态导热过程简介
采暖设备开始供热前：墙内温度场是稳态、不变的采暖房屋外墙墙内温度
变化过程
采暖设备开始供热：室内空气温度很快升高并稳定；墙壁内温度逐渐升高；越靠近内墙升温越快；经历一段时间后墙内温度趋于稳定、新的温度分布
二者的差值，
为墙本身温度的
升高提供的热量采暖设备开始供热前：二者相等、稳定不变
墙内各
处温度
最高值墙内各
处温度
平均值
当常数A 1、A 2 …. A n 为任何值时各个特解都满足导热微分方程式和边界条件；但是上述特解中的任何一个都与初始时刻的实际温度值不等。
需用初始条件确定A i 该导热问题的通解为各个特解的线性叠加：导热微分方程式和边界条件都是线性的——温度和温度的各阶导数项的系数都与温度无关
在给定Bi 准则的条件下，对应于每一个特征值，温度分布的特解为：
)
exp()cos(),(.......
........................................)
exp()cos(),()
exp()cos(),(2
2
22222
1111τεετθτεετθτεετθn n n n a x A x a x A x a x A x −=−=−=∑∞
=−=1
2
)
exp()cos(),(n n n n a x A x τεετθ
)
(
Fo) (Bi,θτθm ⇒
非稳态导热过程可
以分为三个阶段：
a )初始阶段
b) 正规状况阶段
c) 新的稳态
2、Fo<0.2时是瞬态温度变化的初始阶段或非正规状
况阶段。
各点温度变化速率不同
' tg x t t x ∞=−=δϕ而点O’距壁面的距离为
当Bi →0时，意味着物体的热导率很大、导热热阻→0
（Bi=h δ/λ）。
物体内的温度分布趋于均匀一致。
定向点O’在无限远处
定向点O’:（δ+δ/Bi ，t ∞）当0<Bi<∞时，定向点O’坐标为（δ+δ/Bi ，t ∞）或（-δ-δ/Bi ，t ∞）Bi →0 是一个极限情况，工程上把
Bi<0.1看作是接近这种极限的判据。
Bi<0.1时，平壁中心温度与表面温度的差别≤5%，接近均匀一致
——可用集总参数法求解t =t 0
方程式改写为：
τρθθVc
hA e t t t t −∞
∞=−−=008.36 1
===−e Vc
θρ时，
对于测温的热电偶节点，时间常数越小、说明热电偶对流体温度变化的响应越快。
这是测温技术所需要的！
（微细热电偶、薄膜热电阻）
%
83.1 4==θ
ρτ时，当Vc
当物体被加热时(t<t ∞)，计算式相同（为什么？）)(0τ
τττd ΦQ ==∫对于非稳态导热问题，首先应判断
二、无限长直角柱体、有限长圆柱体和六面体
无限大平壁、无限长圆柱体和球体的加热和冷却问题都是一维瞬态导热。
1、无限长直角柱体中的瞬态导热
直角柱体的截面：2δx ×2δy
可以证明：无限长直角柱体
的温度场是这两块无限大平
壁温度场的乘积
二维或三维瞬态导热问题可由这些一维问题的解确定
可以看成是厚度为2δx 和厚度
为2δy 的两块无限大平壁垂直
相交形成的。