《传热学基本知识》课件

传热学基本知识传热学是一门研究能量传递的学科，探讨热量在不同介质或同一介质的不同部位之间的传递过程该学科涉及热量传递的不同模式，包括传导、对流和辐射什么是传热能量传递温度差驱动三种主要方式传热是指热量从高温物体传递到低温物体的传热是由温度差驱动的，热量总是从高温物传热主要有三种方式热传导、对流和辐射过程体流向低温物体热传导的基本定律热传导定义热传导的条件热传导的应用热传导是热量通过物质内部的分子运动传热传导需要存在温度梯度，也就是温度差热传导在许多工程领域都有应用，例如锅递的方式热量从高温区域传递到低温区热量总是从高温区域流向低温区域炉、热交换器、电子设备等域傅里叶定律热流密度温度梯度热流密度是指单位时间内流过单温度梯度是指温度变化率，即温位面积的热量，其方向与温度梯度变化量与距离变化量的比值度方向相反热传导系数热传导系数是材料的物理属性，反映了材料的导热能力导热系数定义物质导热能力的指标单位瓦特每米开尔文W/m·K影响因素材料的性质、温度、压力等意义预测热量传递速率，进行热量传递分析热传导方程导热系数1物体的导热能力热源2内部热量产生温度梯度3温度变化率热流密度4单位面积热量传递热传导方程描述了温度场随时间的变化，涉及热量在物体内部的传递它是一个偏微分方程，包含了导热系数、热源、温度梯度和热流密度等参数一维热传导一维热传导是指热量在单一方向上传输的现象热量沿着温度梯度方向传递，从高温区域流向低温区域稳态传热1温度不随时间变化非稳态传热2温度随时间变化热阻3材料阻碍热量传递稳态传热是指热量传递过程达到平衡状态，温度不再随时间变化非稳态传热是指热量传递过程尚未达到平衡状态，温度仍在随时间变化热阻是指材料对热量传递的阻碍作用，由材料的导热系数、厚度和面积决定平板、圆柱和球体的热传导平板热传导圆柱热传导球体热传导123平板热传导是指热量在平板内部以热圆柱热传导是指热量在圆柱体内部以球体热传导是指热量在球体内部以热传导的方式进行传递的过程热传导的方式进行传递的过程传导的方式进行传递的过程边界条件温度梯度描述物体表面温度变化率热通量描述单位时间内流过物体表面的热量传热系数反映物体表面与周围流体之间的热传递效率热对流热量通过流体运动传递，称为对流换热流体运动可以是自然对流或强制对流自然对流是指流体受温度差或密度差影响而产生的流动，例如空气对流和水对流强制对流是指通过外部力量驱动流体流动，例如风机或泵对流换热系数对流换热系数是表征对流换热强度的重要参数，其数值大小反映了流体与固体表面之间热量传递的快慢对流换热系数的数值取决于流体的物理性质、流速、表面几何形状以及其他因素10010W/m²K空气典型单位对流换热系数100010000水沸腾对流换热系数对流换热系数自然对流温度差对流运动

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22.流体内部温度差导致密度差异热流体向上运动，冷流体向下，产生浮力运动，形成对流循环热量传递常见现象

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44.对流循环过程中，热量在流体生活中常见的例子包括开水中传递，实现热交换沸腾、暖气散热等强制对流流体流动增强传热强制对流是通过外力驱动流体流强制对流比自然对流传热效率更动，例如风扇、泵或气流高，因为它可以使流体以更高的速度流动，从而加快热量的传递应用广泛强制对流广泛应用于各种工业和生活场景，例如空调系统、锅炉、发动机冷却系统等热辐射基本概念电磁波形式温度影响波长范围热辐射以电磁波的形式传播，不依赖介质物体的温度越高，辐射能量越大热辐射的波长范围很广，包括可见光和红外线黑体辐射定律黑体辐射定律描述了黑体在不同温度下辐射能量的分布规律黑体是一种理想物体，它可以吸收所有波长的电磁辐射，同时也能在所有波长下发射辐射黑体辐射定律表明，黑体的辐射能量与温度的四次方成正比，即其中，为黑体的辐射能量，为斯特藩玻尔兹曼常数，为E=σT⁴Eσ-T黑体的绝对温度各种物体的辐射特性黑体黑体是一种理想的物体，它可以吸收所有波长的辐射，同时也可以辐射所有波长的选择性辐射体灰体辐射选择性辐射体吸收和发射特定波长的辐射灰体吸收和发射不同波长的辐射能力不同，对其他波长的辐射则吸收或发射很少，但其吸收率和发射率与波长无关辐射换热辐射换热太阳辐射工业应用不同温度的物体之间通过电磁波传递热能的太阳辐射是地球上最重要的热量来源，通过在工业生产中，辐射换热应用广泛，例如高过程称为辐射换热电磁波传递热能到地球温炉、加热器等黑体炉黑体炉是一种理想的辐射源，它能够吸收所有照射到它表面的辐射能量黑体炉的温度均匀，因此其辐射能量仅取决于其温度，可用于校准辐射计和其他测量设备黑体炉在工业、科研等领域有着广泛的应用，例如材料科学、光学、热物理学等功率辐射功率辐射是指物体在单位时间内辐射出的能量，也称为辐射功率它是描述物体辐射能力的一个重要参数1W1000W功率千瓦瓦特，表示单位时间内辐射出的能量千瓦是功率的常用单位，表示瓦特10001MW1GW兆瓦吉瓦兆瓦是功率的更大单位，表示万瓦特吉瓦是功率的更大单位，表示亿瓦特10010辐射与对流的耦合同时存在相互影响辐射与对流通常在实际应用中同辐射会影响流体的温度，而对流时存在则会影响辐射的强度和方向耦合分析需要考虑两种传热方式的相互作用，才能准确分析传热过程传热系数和总传热系数传热系数总传热系数12传热系数反映了物体表面与流总传热系数考虑了多个热阻的体之间热量传递的难易程度影响，例如对流热阻、传导热数值越大，传热越快阻和辐射热阻应用3传热系数和总传热系数在热交换器设计、热量损失计算等方面具有重要意义总传热系数的计算确定传热路径首先，确定热量从高温流体流向低温流体的路径，例如，从炉膛到锅炉水确定各个传热阻力根据传热路径，确定每个传热过程的传热阻力，包括对流换热、导热和辐射换热计算总传热阻力将各个传热阻力进行叠加，得到总传热阻力，即热量从高温流体传递到低温流体所遇到的阻力计算总传热系数总传热系数是总传热阻力的倒数，表示热量传递能力的指标，数值越大，传热能力越强热交换器热交换器热传递节能热交换器是一种专门用来传递热量的设备热量可以通过传导、对流和辐射三种方式传热交换器在工业生产和日常生活中都有广泛它利用两种或多种流体之间的温度差，实现递热交换器通常利用传导和对流来实现热的应用，例如，发电厂、空调系统、汽车发热能的传递量传递动机等等换热器的类型板式换热器管式换热器板式换热器由多个薄板组成，这些薄板之间形成狭窄的通道，流体在通道中流动进行热交换这类换热器结构紧凑，换热效率高，是目前应用最广泛的管式换热器由多个管子构成，流体在管内或管外流动进行热交换这类换热器结构简单，成本低，耐高温高压，广泛应用于石油化工、电力等领域换热器类型之一换热器的性能指标换热器的设计方法确定换热需求1首先要明确换热器的应用场景，例如冷却水、加热油等，以及所需的换热量、进出口温度等参数选择换热器类型2根据换热需求选择合适的换热器类型，例如板式换热器、管壳式换热器、螺旋板式换热器等，并考虑其尺寸、材质、成本等因素进行热力计算3根据换热器类型和设计参数，进行热力计算，确定换热器的有效换热面积、流体流速、压降等参数，确保换热器能够满足设计需求机械设计与制造4根据热力计算结果，进行换热器的机械设计，确定换热器的结构、尺寸、材料等，并完成制造工作现场安装与调试5完成换热器的安装，并进行调试，确保其正常运行，并满足设计要求相变传热定义传热机理相变传热是指物质在相变过程中相变传热涉及潜热传递，即物质发生的传热现象例如，水沸腾在相变过程中吸收或释放热量，或凝固成冰的过程而温度保持不变应用相变传热在许多工程应用中至关重要，例如发电厂、制冷系统和化学反应器凝结传热定义机制应用气体变成液体并释放热量，同时热量传递到气体冷却，凝结成液体，并释放热量，热量空调系统、发电厂冷凝器等设备中，通过凝固体表面通过固体表面传递到周围环境结传热，实现热量回收和循环沸腾传热泡腾沸腾核沸腾

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22.液体在加热表面开始沸腾时，当热流密度增加时，气泡会迅气泡很小且不稳定，通常是混速长大并离开加热表面，导致合沸腾传热系数增加临界热流密度膜沸腾

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44.当热流密度继续增加，沸腾传超过临界热流密度，加热表面热系数达到最大值，称为临界被气泡层覆盖，导致传热系数热流密度急剧下降相变换热在工程上的应用蒸汽锅炉冷凝器空调锅炉内水被加热，蒸发成蒸汽，这个过程冷凝器用于将蒸汽冷凝成液体，这个过程空调系统利用冷媒在蒸发器中吸收热量，利用了沸腾传热，将热量从燃烧的燃料传利用了凝结传热，将热量从蒸汽传递给冷并在冷凝器中释放热量，实现制冷或制热递给水却介质功能，其中涉及到沸腾和凝结传热总结本课程介绍了传热学的基本知识，包括热传导、热对流和热辐射三种传热方式，以及它们在工程中的应用掌握传热学的基本知识可以帮助我们理解和解决工程中的许多问题，例如设计高效的热交换器、优化散热系统等。