《热传递理论》课件

热传递理论热传递是物理学中一个重要的分支，它研究热量在不同物体或不同温度区域之间的传递过程热传递理论在工程、材料科学、能源、生物学等多个领域都有着广泛的应用，是理解和解决许多实际问题的基础课程简介热传递的重要性热传递是自然界中普遍存在的现象，在我们的生活中无处不在理解热传递原理对我们开发新技术、提高能源利用效率、改善生从太阳辐射到地球，到我们使用的各种设备，热传递都扮演着重活环境等方面都具有重要意义例如，在工业生产中，热传递是要的角色许多生产过程的核心，如热交换器、锅炉等热传递的三种基本模式导热热量通过物质内部的分对流热量通过流体（气体或子运动传递，需要物质作为介液体）的运动传递，需要流体质作为介质辐射热量通过电磁波传递，不需要介质，可以在真空中传播导热定义与机理导热是指热量通过静止的物质内部传递的过程热量从温度较高导热的机理是物质内部的分子运动温度较高的区域的分子运动的区域传递到温度较低的区域，传递方向与温度梯度方向相反更加剧烈，它们与周围的分子碰撞，将能量传递给周围的分子，从而使热量传递傅里叶导热定律傅里叶导热定律是描述导热过程的重要定律它指出，通过一个面积为A的平面的热流量Q与该平面上的温度梯度dT/dx成正比，即Q=-kAdT/dx，其中k为热导率热导率及其影响因素材料的性质温度压力不同材料的热导率不同，例如金属的大多数材料的热导率会随着温度的变对于气体，压力升高会使热导率增大热导率一般比非金属高化而变化，一般来说，温度越高，热，而对于液体和固体，压力对热导率导率越大的影响相对较小稳态导热平板壁稳态导热是指物体内部各点的温度不随时间变化的导热过程平板壁是指两侧温度不同的平板，在稳态下，平板壁的热流量可以通过以下公式计算Q=kAT1-T2/d，其中d为平板壁的厚度稳态导热圆筒壁对于圆筒壁，稳态导热可以通过以下公式计算Q=2πkLT1-T2/lnr2/r1，其中L为圆筒壁的长度，r1和r2分别为内壁和外壁的半径稳态导热球壳壁对于球壳壁，稳态导热可以通过以下公式计算Q=4πkT1-T2/1/r1-1/r2，其中r1和r2分别为内壁和外壁的半径复合壁的导热计算对于由多层材料组成的复合壁，可以通过叠加各个层的热阻来计算总热阻，然后根据总热阻和温差来计算热流量总热阻等于各个层的热阻之和对流换热定义与机理对流换热是指热量通过流体（气体或液体）的运动传递的过程对流换热的机理是流体的运动和热量在流体内部的扩散流体运流体运动会使温度不同的区域之间的热量传递加快动会将热量带到温度较低的区域，而热量在流体内部的扩散会使热量在流体内部均匀分布牛顿冷却公式牛顿冷却公式是描述对流换热过程的重要公式它指出，物体表面的热流量Q与物体表面温度T和流体温度Tf之差成正比，即Q=hAT-Tf，其中h为对流换热系数对流换热系数的影响因素流体的性质流体的速度流体的密度、粘度、比热容等性流体的速度越高，对流换热系数质都会影响对流换热系数越大物体表面的形状物体表面的形状也会影响对流换热系数，例如表面越光滑，对流换热系数越小自然对流自然对流是指流体由于温度差而产生的运动，例如暖空气上升，冷空气下降自然对流的换热系数一般比强制对流小，但它在许多实际应用中仍然很重要，例如建筑物的通风、冰箱的冷却等强制对流强制对流是指流体在外部力量的作用下产生的运动，例如风扇吹风、水泵抽水强制对流的换热系数一般比自然对流大，因此在工业生产中应用广泛，例如汽车发动机冷却、工业设备散热等层流与湍流层流是指流体流动时，各层流体之间互不混合，流动规则有序湍流是指流体流动时，各层流体之间相互混合，流动不规则无序层流的换热系数一般比较小湍流的换热系数一般比层流大得多边界层理论简介边界层是指流体与固体表面之间的一个薄层区域，在这个区域内，流体的速度和温度会发生急剧的变化边界层理论解释了流体流动对换热的影响，以及如何通过控制边界层来提高换热效率量纲分析法量纲分析法是一种将物理量之间的关系用数学公式表达的方法它可以帮助我们找到物理量之间的关系，并推导出一些重要的无量纲数，例如努塞尔数、普朗特数、雷诺数等相似准则相似准则是指两个流体流动系统在一定条件下具有相同的流动特征相似准则可以帮助我们利用模型实验来研究实际流动系统的特性无量纲数努塞尔数努塞尔数Nu是描述对流换热效率的重要无量纲数它表示对流换热量与导热换热量之比Nu越大，表示对流换热效率越高无量纲数普朗特数普朗特数Pr是描述流体流动中动量扩散与热量扩散之比的无量纲数Pr越大，表示动量扩散的速度比热量扩散的速度快无量纲数雷诺数雷诺数Re是描述流体流动中惯性力与粘性力之比的无量纲数Re越大，表示惯性力占主导地位，流动更容易出现湍流管内强制对流换热管内强制对流换热是指流体在管内流动时，流体与管壁之间的热量传递过程管内强制对流换热通常使用一些经验公式来计算，例如Dittus-Boelter公式管外强制对流换热管外强制对流换热是指流体在管外流动时，流体与管壁之间的热量传递过程管外强制对流换热的计算方法与管内类似，可以使用一些经验公式，例如Sieder-Tate公式自然对流换热关联式自然对流换热关联式是描述自然对流换热过程的经验公式这些公式通常包含一些无量纲数，例如格拉晓夫数、努塞尔数等辐射换热定义与机理辐射换热是指热量通过电磁波传递的过程所有温度高于绝对零辐射换热的机理是电磁波的辐射和吸收物体发射的电磁波会照度的物体都会发射电磁波，这些电磁波携带热量射到其他物体，被其他物体吸收，从而使热量传递热辐射的基本定律普朗克定律描述黑体在不同斯忒藩-玻尔兹曼定律描述黑波长下的辐射能量分布体的总辐射能量与温度的四次方成正比基尔霍夫定律描述物体的辐射能力与吸收能力之间的关系普朗克定律普朗克定律指出，黑体在不同波长下的辐射能量密度与波长和温度有关普朗克定律的公式比较复杂，但它可以用来计算黑体在特定波长下的辐射能量斯忒藩玻尔兹曼定律-斯忒藩-玻尔兹曼定律指出，黑体的总辐射能量与温度的四次方成正比斯忒藩-玻尔兹曼定律的公式为Q=σAT^4，其中σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，A为黑体的表面积，T为黑体的绝对温度基尔霍夫定律基尔霍夫定律指出，物体的辐射能力与吸收能力相等也就是说，一个物体吸收电磁波的能力越强，它发射电磁波的能力也越强灰体辐射灰体是指辐射能力与吸收能力之比为常数的物体灰体的辐射能力小于黑体的辐射能力，但它在许多实际应用中可以近似地看成黑体黑体辐射黑体是指吸收所有照射到它表面的电磁波的物体黑体具有最大的辐射能力，它可以作为辐射换热计算的参考标准表面辐射率表面辐射率是描述物体辐射能力与黑体辐射能力之比的无量纲数的值介于εε0到1之间，ε越接近1，表示物体越接近黑体角系数的概念角系数是指两个表面之间辐射能量交换的比例角系数取决于两个表面的形状、大小和相对位置两物体间的辐射换热两物体之间的辐射换热可以通过以下公式计算Q=σA1ε1F12T1^4-T2^4，其中A1和ε1分别为物体的表面积和表面辐射率，F12为两个物体之间的角系数，T1和T2分别为两个物体的绝对温度多物体间的辐射换热多物体之间的辐射换热可以用网络法来计算网络法将多个物体之间的辐射换热关系用一个网络图来表示，然后根据网络图来计算每个物体的热流量辐射屏蔽辐射屏蔽是指在两个物体之间放置一个辐射率很低的物体，来减少两个物体之间的辐射换热辐射屏蔽可以有效地降低热量的损失，例如在房屋的墙壁和屋顶上使用隔热材料太阳辐射太阳辐射是指太阳发射的电磁波，这些电磁波携带热量太阳辐射是地球上最重要的热源，它对地球的气候、生物的生长和人类的活动都具有重要的影响温室效应温室效应是指大气中某些气体，例如二氧化碳、甲烷等，对来自太阳的短波辐射具有较高的透过率，而对地球发射的长波辐射具有较强的吸收率，从而导致地球温度升高的现象热交换器种类介绍热交换器是利用热传递原理将热量从一种流体传递到另一种流体的设备热交换器在工业生产中应用广泛，例如发电厂、化工厂、空调系统等热交换器的分类依据结构形式流体类型例如板式换热器、管壳式换热器例如气-气、气-液、液-液换热器、翅片式换热器等等换热方式例如平行流、逆流、混合流换热器等换热器的传热计算换热器的传热计算通常需要考虑以下因素流体的流量、比热容、温度、换热系数、换热面积等平均温差平均温差是描述换热器两侧流体温度差的平均值平均温差的计算方法取决于流体的流动方式，例如平行流、逆流等传热系数传热系数是描述换热器传热效率的重要指标它表示在单位换热面积上，单位温差下每单位时间的热流量板式换热器板式换热器是由多个薄板组成的，薄板之间留有间隙，流体在薄板之间流动并进行热量交换板式换热器具有换热效率高、结构紧凑、占地面积小等优点管壳式换热器管壳式换热器是由一组管子和一个壳体组成的管子内流动一种流体，壳体内流动另一种流体，两种流体通过管壁进行热量交换管壳式换热器结构简单，应用广泛翅片式换热器翅片式换热器是指在管子或板式换热器的表面添加翅片，以增大换热面积，从而提高换热效率翅片式换热器通常用于对流换热，例如汽车发动机冷却、空调系统等相变传热沸腾沸腾是指液体在达到饱和温度后，发生相变，从液体状态转变为气体状态的过程沸腾过程伴随着大量的热量传递，因此在工业生产中应用广泛，例如锅炉、制冷系统等沸腾的类型池沸腾液体在容器内沸腾，流动沸腾液体在流动中沸腾没有强制流动，例如管内流动沸腾过热沸腾液体温度高于饱和温度，但尚未沸腾，此时液体发生爆沸现象沸腾曲线沸腾曲线描述了沸腾过程中热流量与表面过热度之间的关系沸腾曲线可以分为几个阶段，例如自然对流沸腾、核沸腾、过渡沸腾、膜沸腾等临界热流密度临界热流密度是指沸腾过程中，热流量可以达到的最大值当热流量超过临界热流密度时，沸腾过程会发生不稳定，甚至出现干涸沸腾现象相变传热凝结凝结是指气体在达到饱和温度后，发生相变，从气体状态转变为液体状态的过程凝结过程伴随着大量的热量释放，因此在工业生产中应用广泛，例如冷凝器、蒸发器等膜状凝结膜状凝结是指蒸汽凝结在冷表面上形成一层薄膜，这层薄膜会阻止蒸汽直接接触冷表面，从而降低凝结速度膜状凝结的换热系数一般较低滴状凝结滴状凝结是指蒸汽凝结在冷表面上形成一个个液滴，这些液滴会滚动，从而使冷表面保持干净，提高凝结速度滴状凝结的换热系数一般比膜状凝结高热管技术热管技术是一种利用相变传热来实现高效热量传递的技术热管通常由封闭的管子组成，管子里充满易挥发的液体，当热量传递到热管的一端时，液体就会蒸发，蒸汽会传递到另一端，并在冷端凝结释放热量，凝结的液体再流回热端，形成循环热传递的应用工业领域热交换器在化工、能源、食品等领域高温炉用于冶金、玻璃、陶瓷等行业熔炉用于金属的熔炼和铸造，利用热广泛应用，用于热量交换，例如锅炉、，利用高温进行材料的加工和处理量将固态金属熔化成液态冷凝器、制冷机等热传递的应用能源领域发电厂利用热传递原理将燃料燃烧产太阳能利用利用太阳辐射的热量来发地热能利用利用地下的热量来发电或生的热量转化为电能电或供暖供暖热传递的应用日常生活空调冰箱烹饪利用热传递原理来调节室内的温度和利用热传递原理来降低食物的温度，利用热传递原理来加热食物，使食物湿度延长食物的保鲜时间变得可口美味热传递的挑战与未来提高能源利用效率开发更节能的热交降低温室气体排放研究和发展更环保开发新材料开发具有更高热导率、更换器、热管等设备的能源技术，例如太阳能、地热能等低热阻的材料，以提高热传递效率课程总结与复习本课程介绍了热传递的基本概念、三种基本模式及其理论基础通过学习本课程，我们了解了热传递在各个领域的应用，以及未来热传递技术的发展方向希望通过本课程的学习，大家对热传递理论有一个更深入的理解，并能在实际应用中运用所学知识解决问题。