《热传递原理与应用》课件复习

热传递原理与应用课件复习本课件将回顾热传递的基本概念、传热方式、热设计与优化、工程应用实例以及未来发展趋势热量传递的基本概念热量温度能量的一种形式，表现为物体内部微观粒子无规则运动的动能和表示物体冷热程度的物理量，是物体内部微观粒子平均动能的反势能的总和，热量传递是能量从高温物体向低温物体转移的过程映，温度越高，粒子运动越剧烈导热和绝热材料导热材料绝热材料指热量能够快速传递的材料，导热系数较高，如金属、石材、陶指热量难以传递的材料，导热系数较低，如泡沫塑料、玻璃纤维瓷等导热材料常用于需要快速传热或散热的场合，例如散热器、岩棉等绝热材料常用于需要隔热或保温的场合，例如房屋外、热交换器等墙、管道保温等导热系数与热流密度的关系导热系数热流密度表示材料导热性能的物理量，定义为单位时间内单位面积上温度表示单位时间内流过单位面积的热量，与导热系数和温度梯度成梯度为1时的热流量导热系数越高，材料导热性能越好正比热流密度越大，表明热量传递越快热传导的基本定律1傅里叶定律热流密度与温度2热传导方程描述非稳态热传梯度成正比，比例系数为导热导过程的偏微分方程，考虑了系数，即q=-k∇T该定律热量在物体内部的分布和时间适用于稳态和非稳态热传导变化，即ρCp∂T/∂t=∇·k∇T+Q3边界条件描述热传导过程的边界条件，用于确定热传导方程的解，常见的边界条件有温度边界条件、热流边界条件、对流边界条件等一维稳态热传导定义解析解热量传递方向只有一个，且温度不随时间变化，例如平面壁的热对于一些简单的几何形状和边界条件，可以利用傅里叶定律和热传导，圆柱体的热传导等传导方程得到解析解，例如平面壁的热传导解复杂结构的热传导数值解软件工具对于形状复杂、边界条件复杂或非线性热传导问题，通常需要采目前有很多专业的热传导分析软件，例如ANSYS、COMSOL等用数值解法，例如有限元法、有限差分法等，可以方便地模拟各种热传导问题非稳态热传导定义求解方法热量传递方向只有一个，且温度随时间变化，例如加热或冷却物非稳态热传导的求解方法比稳态热传导更加复杂，通常需要采用体时，物体内部的温度随时间变化数值解法，例如有限元法、有限差分法等热传导的数值计算方法有限元法有限差分法12将物体分割成有限个单元，每将连续的热传导方程用离散的个单元上的温度用有限个节点差分方程来表示，然后建立差上的温度来表示，然后建立单分方程组，最后求解差分方程元方程，并将单元方程组装成组得到物体内部的温度分布全局方程，最后求解全局方程得到物体内部的温度分布边界元法3将物体表面分割成有限个边界元，然后建立边界元方程，最后求解边界元方程得到物体内部的温度分布对流热传递的基本概念定义分类流体与固体表面之间由于流体运动而引起的热量传递，对流热传对流热传递可分为自然对流和强制对流自然对流是指由于流体递的强弱与流体性质、流体速度、表面温度差等因素有关自身密度变化引起的流动，强制对流是指由于外界因素，例如风机、泵等引起的流动对流换热系数与影响因素对流换热系数影响因素表示单位时间内单位面积上温度差为1时的热流量，反映了流体影响对流换热系数的因素主要有流体的性质、流体的速度、表面与固体表面之间热量传递的快慢对流换热系数越高，表明热量温度差、表面形状等传递越快自然对流与强制对流自然对流强制对流是指由于流体自身密度变化引起的流动，例如暖气片附近的空气是指由于外界因素，例如风机、泵等引起的流动，例如空调制冷流动，热水器中的水流动等自然对流换热系数相对较低，风扇散热等强制对流换热系数相对较高相变过程的热传递沸腾凝结指液体表面或内部发生汽化的现象，沸腾过程伴随着大量的热量指气体转变为液体的现象，凝结过程释放大量的热量，例如蒸汽传递，例如水沸腾时吸收大量的热量凝结成水时释放大量的热量辐射热传导的基本定律斯特藩玻尔兹曼定律维恩位移定律-描述黑体辐射能量与温度的关系，即黑体辐射功率与绝对温度的描述黑体辐射能量峰值波长与温度的关系，即黑体辐射能量峰值四次方成正比，即P=σAT4，其中σ为斯特藩-玻尔兹曼常数波长与绝对温度成反比，即λmaxT=b，其中b为维恩位移常数黑体、灰体与实际辐射体黑体灰体实际辐射体指能够完全吸收所有入射辐射的物体，指能够部分吸收所有入射辐射的物体，实际物体都不是理想的黑体或灰体，而同时也是最强的辐射体，黑体辐射功率灰体的辐射功率介于黑体和白体之间是介于两者之间，其辐射特性取决于物最大体的表面性质和温度表面热辐射的计算辐射热交换辐射系数指两个表面之间由于辐射而产生的热量传递，辐射热交换的强弱表示物体辐射能力的物理量，辐射系数越高，物体辐射能力越强与两个表面的辐射特性、温度差和距离有关实际物体的辐射系数介于0到1之间辐射与对流的耦合传热定义计算方法指辐射热传递和对流热传递同时发生，例如太阳照射到地面，地耦合传热的计算方法需要考虑辐射和对流的相互影响，可以使用面同时进行辐射和对流传热数值解法或解析解法进行计算工程应用实例房屋供暖热传递原理优化设计房屋供暖系统利用热量传递原理将热量传递给房间，常用的供暖房屋供暖系统的优化设计需要考虑房屋的保温性能、供暖设备的方式有暖气片供暖、地暖供暖、空调供暖等选型、管道布局等因素，以提高供暖效率，降低能耗工程应用实例电子设备散热热管理优化设计电子设备在工作时会产生大量的热量，需要进行热管理，以保证电子设备散热系统的优化设计需要考虑设备的发热功率、散热器设备正常工作和延长使用寿命常用的散热方式有风冷散热、水结构、风道设计等因素，以提高散热效率冷散热等工程应用实例工业窑炉热量传递优化设计工业窑炉利用热量传递原理将热量传递给炉内物料，常用的加热工业窑炉的优化设计需要考虑炉体结构、燃烧系统、热量传递效方式有火焰加热、电加热、辐射加热等率等因素，以提高加热效率，降低能耗工程应用实例太阳能利用太阳能热利用热管理太阳能热利用系统利用太阳能进行热能转换，常用的太阳能热利太阳能热利用系统的热管理需要考虑太阳辐射强度、热量收集效用方式有太阳能热水器、太阳能发电等率、储热系统等因素，以提高能量利用效率热传递测量的基本方法热电偶法热电阻法利用两种不同金属导体接触点之间产生的温差电势来测量温度，利用金属电阻随温度变化的规律来测量温度，热电阻法测量精度热电偶法测量精度高，应用广泛高，稳定性好不同测量仪器的原理与应用红外热像仪热流计利用物体自身辐射的红外线来测量温度，红外热像仪可以实现非利用热流计测量流过某一截面的热流量，热流计测量精度高，适接触测量，适用于大范围温度测量用于局部热流量测量水管、换热器等设备的热设计热损失计算传热面积设计需要考虑水管或换热器的材料、尺寸、温度差、环境温度等因素需要根据热量传递需求，确定水管或换热器的传热面积，以满足，计算热损失，保证设备的热量传递效率传热要求传热优化设计的常用方法提高传热系数采用高导热系减少热损失采用绝热材料、数材料、增大表面积、增加流降低温度差、改善管道布局等动速度等方法，提高传热系数方法，减少热损失，提高能量，加快热量传递速度利用效率优化结构设计采用新型传热结构，例如翅片式换热器、螺旋式换热器等，提高传热效率新型换热材料与结构纳米材料相变材料纳米材料具有高导热系数、高比表面积等特性，可以显著提高传相变材料在相变过程中可以吸收或释放大量的热量，可以用于热热效率，例如纳米流体量储存和释放，例如蓄热材料自然对流换热的优化设计优化表面形状优化流体布局采用翅片式结构、表面粗糙化处理等方法，增加表面积，增强自合理设计流体通道，避免流动死角，提高流体流动速度，增强自然对流，提高换热效率然对流，提高换热效率强制对流换热的优化设计优化风道设计优化风机选型合理设计风道，保证流体流动方向一致，避免流动死角，提高流选择合适的风机，保证风机风量和风压，提高强制对流换热效率体流动速度，增强强制对流，提高换热效率辐射换热的优化设计优化表面辐射特性优化辐射角度采用高辐射系数材料、增加表面积、提高表面温度等方法，提高合理设计辐射角度，最大化辐射热交换，提高辐射换热效率辐射换热效率相变换热的优化设计优化沸腾传热优化凝结传热采用表面粗糙化处理、增加表面积、提高液体流动速度等方法，采用表面光滑化处理、增加表面积、提高气体流动速度等方法，提高沸腾传热效率提高凝结传热效率多种传热方式耦合的优化综合考虑协同作用同时考虑辐射、对流、传导等多种传热方式的相互影响，进行综利用不同传热方式的协同作用，例如利用辐射传热提高对流传热合优化设计，以提高整体传热效率效率，利用对流传热降低辐射传热效率等热管理在航天工程中的应用热防护温度控制航天器在进入大气层时会产生大量的热量，需要进行热防护，以航天器在太空中需要进行温度控制，以保证设备正常工作，常用保证航天器安全返回地面的温度控制方式有辐射散热、液氮冷却等热管理在电子设备中的应用散热设计热量传递电子设备在工作时会产生大量的热量，需要进行散热设计，以保电子设备的热量传递路径主要有传导、对流、辐射，需要根据设证设备正常工作和延长使用寿命备的实际情况选择合适的散热方式热管理在建筑节能中的应用保温隔热自然通风利用保温隔热材料，减少建筑物的热量损失，降低建筑能耗，提利用自然风力进行通风换气，降低空调能耗，节约能源高舒适度热管理在工业炉窑中的应用热量利用温度控制工业炉窑的热量利用率较低，需要进行热量回收，降低能源消耗工业炉窑的温度控制精度较高，需要采用先进的温度控制系统，，减少环境污染保证生产工艺要求热量回收技术在工业中的应用余热利用热能储存利用工业生产过程中的余热进行热量回收，例如利用废气余热进利用蓄热材料储存热量，例如利用相变材料储存热量行发电热量回收技术在建筑中的应用热回收系统节能效果利用热回收系统，回收建筑物排出的废气中的热量，用于供暖或热回收系统可以有效降低建筑物的能耗，提高建筑的节能效果制冷，降低能耗热量回收技术在动力系统中的应用能量回收效率提升利用发动机排气中的热量进行能量回收，例如采用涡轮增压技术能量回收可以提高动力系统的效率，降低燃料消耗集中供热系统的热量管理热量分配热量计量集中供热系统需要根据不同用户的需求进行热量分配，保证供暖集中供热系统需要进行热量计量，方便用户结算热费，提高能源质量，提高能源利用效率管理效率分布式热电联供系统的热管理热电联产热量匹配分布式热电联供系统可以同时生产电力和热能，提高能源利用效分布式热电联供系统需要进行热量匹配，保证热能供应满足需求率，降低环境污染太阳能热利用系统的热管理热量收集热量储存太阳能热利用系统需要进行热量收集，例如使用太阳能集热器太阳能热利用系统需要进行热量储存，例如使用蓄热池地热能利用系统的热管理地热能提取热量分配地热能利用系统需要进行地热能提取，例如使用地热泵地热能利用系统需要进行热量分配，例如使用地热供暖系统先进制冷技术的热管理问题高效制冷低温制冷先进制冷技术需要提高制冷效率，降低能耗先进制冷技术需要解决低温制冷的热管理问题近年来热传导研究的新进展纳米材料热管理技术纳米材料的应用极大地提高了热传导效率，例如纳米流体、石墨热管理技术不断发展，例如微纳米尺度热管理技术、热电制冷技烯等术等近年来对流换热研究的新进展湍流模型数值模拟对流换热研究中，湍流模型的改进提高了对流换热的预测精度对流换热的数值模拟技术不断发展，例如大涡模拟、直接数值模拟等近年来辐射传热研究的新进展辐射系数测量辐射模型辐射系数测量的精度不断提高，为辐射传热的精确计算提供了保辐射模型不断改进，例如蒙特卡罗方法、离散坐标法等，提高了障辐射传热的预测精度热传递综合优化设计的发展方向多目标优化人工智能考虑多个目标函数，例如提高传热效率、降低能耗、减少环境污利用人工智能技术，例如神经网络、遗传算法等，进行热传递优染等化设计热管理技术在未来的应用前景新能源节能减排热管理技术将在新能源领域发挥重要作用，例如太阳能热利用、热管理技术将推动节能减排，促进可持续发展，例如建筑节能、地热能利用等工业节能等课程总结与展望课程回顾未来展望本课程介绍了热传递的基本原理、传热方式、热设计与优化、工热传递技术将继续发展，例如纳米热管理技术、热电制冷技术等程应用实例以及未来发展趋势，为人类社会发展做出更大的贡献。