工程传热学课件.ppt
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- 工程 传热学 课件
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1、2022-10-231刘志春刘志春能源与动力工程学院能源与动力工程学院传热与节能技术研究中心传热与节能技术研究中心2022-10-232传热学传热学许国良编著许国良编著传热学传热学杨世铭杨世铭 陶文铨陶文铨 第三版第三版Heat TransferJ.P.Holman 9th edition数值传热学数值传热学陶文铨陶文铨 第二版第二版2022-10-233q考核方式考核方式平时作业平时作业实验实验考试成绩考试成绩q个人简介个人简介专业:工程热物理专业:工程热物理研究方向:传热与传质研究方向:传热与传质办公室:动力楼办公室:动力楼412Email:电话:电话:875426182022-10-23
2、4传热学概述传热学概述热量传递的基本方式热量传递的基本方式传热过程与传热系数传热过程与传热系数2022-10-235热科学:研究热能、热量以及热现象的科学热科学:研究热能、热量以及热现象的科学热科学热科学传热学传热学工程热力工程热力学学燃烧学燃烧学制冷与制冷与低温低温热学热学2022-10-236q热学:研究自然界中物质与冷热有关的性质及这些性质变化的规律q工程热力学:研究能量转换的规律以及热能的性质q传热学:研究热量传递规律的一门科学 热量传递的机理、规律、计算和测试方法q燃烧学:研究燃烧现象和燃烧机理q制冷与低温:用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却,使其温度降到环境温度以
3、下或很低的温度并保持该温度2022-10-2371 传热学的概念传热学的概念 研究热量传递规律的一门科学,具体来讲研究热量传递规律的一门科学,具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法试方法2022-10-238热量来源热量来源钻木取火钻木取火 太阳太阳电热器电热器 地热地热2022-10-239热量传递过程的推动力:温差热量传递过程的推动力:温差 热力学第二定律:热量可以自发地由高热力学第二定律:热量可以自发地由高温热源传给低温热源温热源传给低温热源 有温差就会有有温差就会有传热传热 温差是热量传递的推动力温差是热量传递的推动力2022-10-23
4、10Energy flows from hot objects to cold.There is no energy flow between two objects at the same temperature.2022-10-2311 求解温度分布求解温度分布 计算热量传递的速率计算热量传递的速率 热力学热力学 +传热学传热学=热科学热科学(Thermal Science)系统从一个平系统从一个平衡态到另一个衡态到另一个平衡态的过程平衡态的过程中传递热量的中传递热量的多少。多少。关心的是热关心的是热量传递的过量传递的过程,即热量程,即热量传递的速率。传递的速率。水,水,M220oC铁块铁
5、块,M1300oC热力学:热力学:tm,Q 传热学传热学)();,(fQzyxft 2022-10-23122022-10-2313123443a3b3a3b透平能透平能量损失量损失烟囱能烟囱能量损失量损失透平温降透平温降(压降)(压降)烟囱温降烟囱温降(压降)(压降)动能损失动能损失太阳能烟囱电站空气循环温熵图太阳能烟囱电站空气循环温熵图TS1 太阳能太阳能热气流能热气流能机械能机械能电电 能能2022-10-23142022-10-2315传热学以热力学第一定律和第二定律为基础,传热学以热力学第一定律和第二定律为基础,即即热量始终从高温热源向低温热源传递,如热量始终从高温热源向低温热源传递
6、,如果没有能量形式的转化,则热量始终是守恒果没有能量形式的转化,则热量始终是守恒的。的。2022-10-2316自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差传热很普传热很普遍遍日常生活中的例子:日常生活中的例子:为什么水壶的提把要包上橡胶?为什么水壶的提把要包上橡胶?2022-10-2317a a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持冬天都保持2020度,那么在冬天与夏天、人在房间里所度,那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样?为什么?穿的衣服能否一样?为什么?2022-10-2318b b 夏夏天人在同样温度(如:天
7、人在同样温度(如:2525度)的空气和水中的感度)的空气和水中的感觉不一样。为什么?觉不一样。为什么?2022-10-2319c c 北方寒冷地区,建筑房屋都是双层玻璃,以利于保北方寒冷地区,建筑房屋都是双层玻璃,以利于保温。如何解释其道理?越厚越好?温。如何解释其道理?越厚越好?2022-10-2320(2)传热学在科学技术领域重的应用p强化传热,即在一定的条件下(如一定的温差、体强化传热,即在一定的条件下(如一定的温差、体积重量,或者泵功)增加传递的热量积重量,或者泵功)增加传递的热量p削弱传热,即在一定的温差下使热量的传递减到最削弱传热,即在一定的温差下使热量的传递减到最小小p温度控制,
8、为使一些设备安全经济的运行,或者为温度控制,为使一些设备安全经济的运行,或者为了得到优质的产品,要对热量传递过程重的物体关键了得到优质的产品,要对热量传递过程重的物体关键部分的温度进行控制部分的温度进行控制尽管各个科学领域中遇到的传热问题形式多样,大致上尽管各个科学领域中遇到的传热问题形式多样,大致上可以归纳为以下三类问题可以归纳为以下三类问题2022-10-23212022-10-2322肿瘤检测与热疗肿瘤检测与热疗2022-10-2323太阳能集热器太阳能集热器家用散热片是家用散热片是传热学的最简单运用传热学的最简单运用2022-10-2324 封闭腔辐射换热选择性涂层保温层散热肋壁温度场
9、分析有限空间自然对流太阳能集热器传热问题太阳能集热器传热问题2022-10-2325航天器发射前与回收后航天器发射前与回收后2022-10-23262022-10-23272022-10-23282022-10-23292022-10-2330芯片技术的冷却芯片技术的冷却2022-10-23312022-10-2332LHP2022-10-23332022-10-2334 2022-10-23352022-10-2336交流稳压电源温度测试系统直流稳压电源2X2 LED封装芯片和微射流系统出水管系统进水管微泵小水箱和风冷散热装置换热器种类繁多,结构各异,其中管壳式换热器换热器种类繁多,结构各异
10、,其中管壳式换热器应用最广,约占各类换热器总量的应用最广,约占各类换热器总量的70%。2022-10-2350依据物体温度与时间的依变关系,可将传热依据物体温度与时间的依变关系,可将传热过程分为过程分为稳态稳态传热过程和传热过程和非稳态非稳态传热过程。传热过程。若物体中各点温度不随时间改变,则对应的若物体中各点温度不随时间改变,则对应的传热过程为传热过程为稳态稳态热传递过程;若物体中各点热传递过程;若物体中各点温度随时间改变,则对应的传热过程为温度随时间改变,则对应的传热过程为非稳非稳态态热传递过程。热传递过程。稳态过程和非稳态过程又称为稳态过程和非稳态过程又称为定常过程定常过程和和非非定常过
11、程定常过程。2022-10-2351热量传递基本方式:热量传递基本方式:热传导、热对流、热辐射热传导、热对流、热辐射2022-10-2352热量传递基本方式:热量传递基本方式:热传导、热对流、热辐射热传导、热对流、热辐射2022-10-2353热传导的定义热传导的定义物质的属性:可以在固体、液体、气体中物质的属性:可以在固体、液体、气体中发生发生温度不同的物体各部分之间或温度不同的各温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时,依靠分子、原子及自物体之间直接接触时,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象的现象2022-1
12、0-2354导热的特点导热的特点必须有温差必须有温差物体直接接触物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量热运动而传递热量不发生宏观的相对位移不发生宏观的相对位移2022-10-23552022-10-2356导热机理导热机理气体:气体分子不规则运动时相互碰撞气体:气体分子不规则运动时相互碰撞的结果的结果导电固体:自由电子运动导电固体:自由电子运动非导电固体:晶格结构振动非导电固体:晶格结构振动液体:兼有气体和固体导热的机理液体:兼有气体和固体导热的机理2022-10-2357:热流量,单位时间传递的热量:热流量,单位时间传递的热量W;q:
13、热流密度,单位时间通过单位面积传递的热热流密度,单位时间通过单位面积传递的热量;量;A:垂直于导热方向的截面积:垂直于导热方向的截面积m2;:导热系数(热导率)导热系数(热导率)W/(m K)。1822年,法国数学家年,法国数学家Fourier:tqAx t1t22022-10-2358xtq2m/W当温度当温度t沿沿x方向增加时,方向增加时,dt/dx0,q0,说,说明热量沿明热量沿x减小的方向传递;反之,减小的方向传递;反之,dt/dx0,q0,说明热量沿,说明热量沿x增加的方向传递。增加的方向传递。负号表示热量传递的方向与温度升高的方向负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。相反。2
14、022-10-2359热导率(导热系数)热导率(导热系数)(Thermal conductivity)表征材料导热能力的大小,是一种物性参数,表征材料导热能力的大小,是一种物性参数,与材料种类和温度有关。与材料种类和温度有关。气体液体非金属固体金属;)(398CmW纯铜;)(6.0CmW水)(空气CCmW20 )(026.0tqAx 2022-10-2360 t1t2大平板稳态导热,由于是一维问题,大平板稳态导热,由于是一维问题,且且 和和q为常量,积分傅立叶定律:为常量,积分傅立叶定律:210 dd21ttqtxqtttqAx rtttq21RtAtt212022-10-2361rtttq2
15、1RtAtt21温 压热 流 量热 阻这里有必要引入这里有必要引入热阻热阻的概念。热量传递是自的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移过程有一然界中的一种转移过程。各种转移过程有一个共同规律,就是:个共同规律,就是:过程的动力过程中的转移量过程的阻力AR 导热热阻导热热阻r单位导热热阻单位导热热阻2022-10-2362t1t2Q1t2tA2022-10-2363若流体有宏观的运动,且内部存在温差,则若流体有宏观的运动,且内部存在温差,则由于流体各部分之间发生相对位移,冷热流由于流体各部分之间发生相对位移,冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对
16、热对流。流。若热对流过程使具有质量流量若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度的流体由温度t1处流至温度处流至温度t2处,则此过程传递的热流量为:处,则此过程传递的热流量为:热对流与对流换热热对流与对流换热 WttGcp )(122022-10-2364流体中有温差流体中有温差 热对流必然同时伴随着热热对流必然同时伴随着热传导,传导,自然界不存在单一的热对流自然界不存在单一的热对流在日常生活及工程实践中,人们遇到更多的在日常生活及工程实践中,人们遇到更多的是流体流过一个温度不同的物体表面时引起是流体流过一个温度不同的物体表面时引起的热量传递,这种情况称为的热量传递,这种情况称为对流换热对流换热
17、。uttwA2022-10-2365当实际流体流过物体表面时,由于当实际流体流过物体表面时,由于粘性作用粘性作用,紧贴物体表面的流体是静止的,热量传递只紧贴物体表面的流体是静止的,热量传递只能依能依导热导热的方式进行;离开物体表面,流体的方式进行;离开物体表面,流体有宏观运动,有宏观运动,热对流热对流方式将发生作用。所以,方式将发生作用。所以,对流换热是热对流和导热两种基本传热方式对流换热是热对流和导热两种基本传热方式共同作用的结果共同作用的结果。对流换热的特点对流换热的特点对流换热与热对流不同,既有热对流,也有对流换热与热对流不同,既有热对流,也有导热,导热,2022-10-2366不是基本
18、传热方式,导热与热对流同时存在不是基本传热方式,导热与热对流同时存在的复杂热传递过程的复杂热传递过程必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;也必须有温差也必须有温差对流换热的分类对流换热的分类a)根据流动原因,分为:强制对流换热和自然根据流动原因,分为:强制对流换热和自然对流换热。对流换热。b)是否相变,分为:有相变的对流换热和无相是否相变,分为:有相变的对流换热和无相变的对流换热变的对流换热2022-10-23672022-10-2368 对流换热公式对流换热公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式uttwA 热流量热流量WW,单位时间传递的热量,单位时间传递的热
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