《传热过程》课件

热量传递的基本机理热量的传递是由于温差所引起的分子、原子或自由电子的运动热量可通过三种基本方式在物体内部和物体间传递传导、对流和辐射这些机理与热能在物质:内部和物质间的传递方式密切相关MD byM D热量传递的三种基本形式导热对流辐射通过原子或分子之间的直接接触热量从高流体液体或气体运动带来的热量传递方式物体表面发出的电磁波携带热量不需要物,,温物体传递到低温物体的过程通常发生在流体与固体表面之间质介质就可以传播,导热的基本概念导热是热量从高温区域自发传到低温区域的过程热量传递的三种基本方式是导热、对流和辐射导热是通过分子间相互作用以热扩散的方式传递热量的一种,机制导热过程中热量沿温度梯度方向传递热量总是从高温传向低温导热速率取决,,于材料的导热性质以及温度梯度的大小导热的基本定律傅里叶定律热平衡定律热阻概念边界条件热量从高温区向低温区传递的系统内部任意微元的进热量等与电阻类似热阻描述了热量边界条件包括温度边界条件和,基本定律热量流密度与温度于其放热量即系统处于热平在特定介质中传递的难易程度热流边界条件限定了控制体,,梯度成正比传热方向与温度衡状态这是控制体热传导分有利用热阻分析复杂结构传内部和外部的传热过程,梯度相反析的基础热导热系数导热系数度量材料导热性能的数值，表示单位温差下单位面积通过的热量常见材料导热系数金属如铜铝钢

0.401,

0.237,；绝热材料如岩

0.051W/m·K棉泡沫塑料

0.035,

0.030W/m·K影响因素材料成分、温度、压力等温度升高时金属导热系数升高，而绝热材料下降导热方程定义1导热方程是描述稳定或不稳定热传导过程的数学方程它建立了温度场、热流及传热速率之间的定量关系关键变量2导热方程包括温度、热流密度、热传导系数等重要变量并由能,量守恒定律导出应用场景3导热方程广泛应用于工程热力学中如材料设计、热量保存和散,热问题的分析与优化一维稳定导热热传导1物质内部温度差导致的热量传播稳定状态2温度场随时间不变一维模型3热量沿单一方向传播一维稳定导热是指在物体内部温度随时间不变的情况下热量沿单一方向传播的过程这种模型可用于分析热量在固体内部的传播情况为,,工程应用提供理论基础一维不稳定导热初始条件1设定合适的初始温度分布边界条件2确定边界面上的温度或热流微分方程3建立描述导热过程的偏微分方程解法4采用数值或解析方法求解方程一维不稳定导热涉及复杂的时间和空间温度变化其分析过程包括设定初始温度分布、确定边界条件、建立描述导热过程的偏微分方程，然后采用数值或解析方法求解该方程这一过程需要结合具体问题的特点进行分析和求解二维导热温度场分布二维导热的温度场分布具有两个空间变量呈现出更加复杂的规律,边界条件二维导热过程中需要同时考虑两个空间方向上的边界条件分析方法解决二维导热问题常使用分离变量法、有限差分法或有限元法等数值分析方法应用场景二维导热广泛应用于建筑结构、电子设备、工业炉窑等领域的热传导分析热辐射辐射热传递热辐射的吸收和散射热辐射的机理热辐射是一种无介质的热传递方式通过电物体表面接收到的热辐射能量根据表面性质热辐射是由物体内部原子和分子的热运动产,磁波的传播将热量从一个物体传递到另一个而有所不同一部分被吸收一部分被反射或生的电磁波这种电磁波能量随温度的升高,,,物体这是热传递的基本形式之一散射这决定了物体的热吸收和辐射特性而增加在这个过程中不需要传质介质,热辐射的基本定律普朗克定律斯蒂芬波尔兹曼定律-描述了理想黑体在特定温度下的说明了理想黑体在特定温度下的辐射能量的频率分布总辐射能量韦恩位移定律基尔霍夫定律描述了理想黑体辐射谱的峰值波表明所有物体的吸收率和发射率长随温度的变化在相同温度和波长条件下是相等的吸收系数和发射系数

0.9吸收系数物体表面对入射辐射的吸收能力

0.8发射系数物体表面辐射能力的度量1黑体吸收和发射辐射最强的理想物体吸收系数和发射系数是描述物体热辐射性能的两个重要概念吸收系数表示物体表面对入射辐射的吸收能力，发射系数则表示物体表面辐射能力的程度黑体是最理想的吸收和发射辐射的物体，其吸收系数和发射系数都为1灰体热辐射灰体是理想化的热辐射体其表面吸收和发射辐射能量的能力都是,均匀和完全的这种理想化的物体被称为完全黑体灰体的辐射特性可以通过两个无量纲参数来描述吸收系数和发射:系数这些参数的值决定了灰体的辐射特性热对流对流传热过程自然对流强迫对流对流传热是通过流体运动传热的一种方式当流体受到温度差作用而产生密度差从而引当流体的流动是由外部动力如风扇或泵等产热量从热源表面向流体传递再由流体带走起流动时就会形成自然对流这在日常生生时就会形成强迫对流在工程应用中被,,,热量活中随处可见广泛使用热对流系数热对流系数是描述对流热传递过程的重要参数其取决于流场及边界条件是无,量纲的对流系数大小决定了对流热传递的强度是热工设计中的关键参数之一,影响对流系数的主要因素包括流体性质、流动状态、几何尺寸等通常通过实验测定或经验关联式计算得出对于强迫对流和自然对流有不同的计算方法,无量纲数定义作用12无量纲数是由物理量之间的比无量纲数可以简化复杂的定量值构成的一种无量纲的数字分析为工程设计和实验研究提,它们用于表征某些物理过程的供重要参考依据性质和规律常见无量纲数应用34雷诺数、普朗特数、努塞尔数无量纲数广泛应用于工程领域,等反映流体力学、传热传质过如热交换器设计、阻力系数计,程的重要特征算、传热过程分析等层流和湍流层流湍流层流是指流体流动时呈现有序、平滑的流动状态在层流中流体湍流是指流体流动时出现紊乱的流动状态湍流中存在大小涡流,的各层之间不会发生混合流线是平行且规则的这种流动状态下的产生和破碎使得流体各层之间发生剧烈的混合和交换湍流的,,阻力较小传热效率也较低传热和传质效率高于层流但阻力也相对更大,,边界层理论边界层概念1边界层是指流体接触固体表面时形成的一个薄层在此层内流体,的速度和温度都与距离壁面的距离有关边界层发展2当流体流过固体表面时由于黏性作用流体在表面形成边界层,,,并随着流动距离的增加而不断发展边界层分类3边界层可分为层流边界层和湍流边界层它们有不同的特性和计,算方法自然对流温度差1温度差导致密度差异，产生浮力驱动对流边界层2流体在固体表面形成边界层，发生自然对流无量纲数3数和数描述自然对流过程Grashof Prandtl自然对流是由于温度差引起的密度差异而导致的流体流动固体表面的边界层是自然对流传热的关键通过无量纲数如数和Grashof数可以描述和分析自然对流的过程和特征Prandtl强迫对流定义1在外部力的作用下引起流体运动从而产生对流换热的过程称为强迫对流,特点2可以通过控制外部力的大小和方向来控制对流换热过程应用3广泛应用于工业生产和日常生活中如冷却系统、空调系统等,与自然对流不同强迫对流通过外部机械作用来驱动流体运动从而提高换热效率通过控制外部力的大小和方向可以有效调节对流换热过,,,程广泛应用于各种工业和生活场合,沸腾和凝结沸腾热传递沸腾过程中液体表面上形成气泡并持续脱离从而导致液体高度传热这种热传递方式效率,,,很高凝结热传递当蒸汽接触到较冷的表面时会形成液滴并在表面聚集释放大量的潜热实现高效的热传递,,,相变热传递沸腾和凝结属于相变过程在此过程中会大量吸收或释放潜热使热量高效地从一处传递到另一,,处沸腾热传递过程液体加热液体在加热过程中温度逐渐升高至饱和温度气泡形成在液体表面或内部产生气泡核气泡不断增大,气泡脱离气泡脱离液体表面不断上升并最终破裂,热量传递热量在液体内部、液体表面和气泡之间不断传递沸腾传热系数沸腾传热系数影响因素具体情况液体性质液体的表面张力、导热性、动力粘度等特性会影响沸腾传热系数表面粗糙度表面越粗糙气泡脱离更容易传热效果越好,,压力压力越大沸腾温度越高气泡越小传热系数越高,,,流动方式自然对流时传热系数较低强迫对流时传热系数较高,沸腾传热系数是描述沸腾过程中传热能力的关键参数受多种因素影响了解各因素对传热系数的影响规律有助于优化沸腾传热过程提高换热设备的性能,,,凝结热传递过程汽相1气态物质处于较高温度和较低压力状态界面2气液界面发生相变过程液相3液态物质处于较低温度和较高压力状态凝结热传递过程包括汽相、气液界面和液相三个阶段在界面处气态分子失去动能并凝结成液滴释放出大量潜热这个过程伴随着温度,,和压力的变化通过控制温差和压力差可以有效促进凝结热的传递,凝结传热系数5平均传热系数表示单位面积和温差下的平均热流密度500比值范围从几十到数百㎡不等W/·K150最大值出现在高压饱和蒸汽凝结时凝结传热系数反映了凝结过程中单位面积和温差下的平均热流密度它因凝结条件的不同而有较大差异，一般范围从几十到数百㎡不等，最大值约㎡出现在高压饱和蒸汽凝结时W/·K150W/·K换热器换热器是将热量从高温流体转移到低温流体的装置它广泛应用于工业和日常生活中如冷却系统、空调系统、热水系统等换热,器通过传热原理实现能量转换提高能源利用率,换热器的类型包括管壳式换热器、板式换热器、管状换热器等根据流体流向的不同还可分为并流式、逆流式和交叉流式换热器,换热器的基本类型管壳式换热器板式换热器管壳式换热器由一系列平行的管板式换热器由一系列平行的金属子和一个外壳组成它们通常用板组成两种流体在板之间流动,于工业和应用它们紧凑、易清洁且高效HVAC螺旋管换热器扁管换热器螺旋管换热器采用螺旋形流道设扁管换热器使用扁平管道可以提,计可以实现高效换热它们常用高换热面积它们通常用于冷却,于石油和化工行业应用如空调和冰箱,换热器的传热分析传热机理分析1确定传热形式及其在换热器中的流动过程边界条件设定2根据换热器几何结构和工作参数确定边界条件传热微方程求解3应用数学模型对传热过程进行定量分析换热性能预测4根据分析结果评估换热效果和温度场分布换热器的传热分析是设计优化的关键首先需要明确换热器内的传热机理包括传热形式和流动过程然后根据几何结构和工作条件确定边界条件并,,建立数学模型进行定量计算最后利用分析结果预测换热性能为优化设计提供依据,换热器的效率热管热管是一种高效的被动式热传输设备能够在没有任何外部动力源的情况下快速,,、安静地将热量从热源传输到远离的冷端它广泛应用于电子设备、航天器、工业设备等领域热管的工作原理是利用液体的相变潜热以及毛细作用实现快速高效的热量传输,蒸发凝结循环可以实现热量的高效转移使其成为一种无与伦比的热传导设备-,热管的工作原理吸收热量热管的一端吸收热量使工质蒸发成为气体,气体流动气体沿着热管内壁流动传输到另一端,冷凝放热气体在冷端冷凝将热量释放到外界,凝结液体回流凝结的液体在毛细作用力的驱动下沿着热管内壁回流到热端,。