热控基础张学学教学课件

热控基础张学学教学课件第一章绪论热控基础的重要性与应用领域热控技术的关键作用领域•机械工程中的热管理与散热设计•能源系统中的热效率优化技术•航天工程中的极端温度控制•电子设备的热设计与保护•建筑节能与HVAC系统设计热控技术是现代工程技术的核心支撑，涉及从微电子器件到大型工业装置的温度管理与控制学习目标课程内容掌握热力学基本原理，理解传热机制，具备热控系统设计与分析能力热控基础的研究内容与发展趋势热控基础作为多学科交叉领域，融合了工程热力学与传热学的核心理论，为现代工程技术提供重要的理论支撑和实践指导工程热力学传热学研究热能与机械能相互转换规律，为热机、制冷设备设计提供理论基分析热量传递机理与规律，指导换热设备设计与热控系统优化础现代热控技术发展热点•纳米尺度传热机理研究与应用•相变材料储热技术发展•微通道冷却技术创新•智能热控系统与数字化仿真•新能源系统热管理技术突破第二章工程热力学基本概念热力系统的定义与分类热力系统是指用来研究热力过程的特定物质集合体，根据系统与环境间物质交换特性可分为闭口系统（控制质量）系统与环境间无物质交换，只有能量交换如汽缸中的工质、密闭容器中的气体等开口系统（控制容积）系统与环境间既有物质交换又有能量交换如汽轮机、压气机、换热器等状态参数与平衡状态准静态过程与可逆过程解析准静态过程过程进行速度足够缓慢，系统在任一瞬间都无限接近平衡状态的过程可逆过程既无摩擦又无传热温差的准静态过程，是理想化的极限过程两者的工程意义状态方程应用•准静态过程可在状态参数坐标图上用理想气体状态方程pv=RT连续曲线表示•可逆过程是热力学分析的理论基础•实际过程均为不可逆过程，可逆过程为理想极限•过程可逆性是评价实际过程完善程度的标准功量与热量的本质与计算功量和热量是热力学第一定律的核心概念，都是过程量，具有相同的量纲和单位，但本质完全不同功量W系统与环境间机械能传递的度量功的计算公式功量为过程量，其数值取决于过程路径热量Q系统与环境间由于温差而传递的能量热量传递的三种方式导热、对流、辐射热量同样为过程量，与传热过程有关功量与热量的区别与联系主要区别重要联系•功是有序能量传递，热是无序能量传递•都是能量传递的形式•功可以完全转换为热，热不能完全转换为功•都是过程量，取决于过程路径•功传递不需要温差，热传递需要温差第三章热力学第一定律详解能量守恒定律能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转换为另一种形式热力系统能量守恒原理热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表达对于任何热力系统，其内部储存的能量变化等于传入系统的热量与系统对外所作功量的代数和010203系统内能概念能量平衡方程工程应用基础系统内部微观粒子动能与势能的总和，是状态参建立系统能量输入、输出与储存变化的关系为热机、制冷机等设备的能量分析提供理论依据数闭口系统与开口系统的能量方程闭口系统能量方程开口系统能量方程对于闭口系统（控制质量），质量不变，能量方程为对于开口系统（控制容积），考虑流动功其中其中•Q-系统吸收的热量•H-焓（H=U+pV）•ΔU-内能变化量•Ws-轴功（技术功）•W-系统对外作功12稳定流动能量方程流动功概念对于稳定流动开口系统，单位质量工质的能量方程流动功pv是推动工质流动所需的功，是开口系统特有的功量形式3焓的物理意义热力学第一定律的工程应用案例汽轮机能量转换分析热交换器能量平衡汽轮机是典型的开口系统设备，高温高压蒸汽在其中膨胀做功，驱动发电机发电应用稳定流动能量对于管壳式换热器，热流体与冷流体间的方程分析能量交换遵循其中wt为汽轮机输出的技术功，h

1、h2分别为进出口焓值关键技术参数其中下标h表示热流体，c表示冷流体•进汽参数通常为高温高压过热蒸汽•排汽参数低压湿蒸汽或过热蒸汽•内效率实际功与理想功的比值第四章理想气体的性质与热力过程理想气体模型是热力学分析的重要基础，虽然是理想化模型，但在工程实际中具有很好的适用性理想气体假设状态方程热容定义•分子本身不占体积理想气体状态方程定压热容c_p=\left\frac{\partial h}{\partial T}\right_p•分子间无相互作用力定容热容c_v=\left\frac{\partial u}{\partial T}\right_v•碰撞为完全弹性碰撞或单位质量形式pv=RT理想气体的焓、熵及热力过程对于理想气体，内能和焓仅为温度的函数u=uT,h=hT焓与内能的关系h=u+RT理想气体的熵变计算公式为理想气体压缩与喷管流动绝热过程特性绝热过程是工程中重要的理想化过程，遵循绝热方程其中γ=cp/cv为比热比绝热过程的工程应用•压气机和汽轮机的近似分析•内燃机气缸内的压缩与膨胀•喷管和扩压器中的流动喷管中的气体流动特性流速变化气体在喷管中加速，动能增加，内能和温度降低压力分布沿流动方向压力逐渐降低，推动气体加速临界状态喷管出口达到当地音速时的特殊流动状态第五章热力学第二定律与熵热力学第二定律揭示自然过程的方向性过程方向性卡诺循环自发过程具有不可逆性，存在优势进行方向理想可逆热机循环，效率仅取决于热源温度无序度量熵增原理熵是系统无序程度的度量，统计热力学基础孤立系统熵永不减少，可逆过程熵不变熵的概念及其工程意义熵S是描述系统无序程度的状态参数，其微分定义为dS=\frac{\delta Q_{rev}}{T}对于理想气体，熵变计算公式为热力学第二定律的实际工程影响热效率极限与循环效率提升途径热力学第二定律揭示了热机效率的理论极限，为工程设计提供了重要指导卡诺效率代表了在给定温度条件下热机效率的上限₁₂1-T/T30-40%35-45%卡诺效率现代燃气轮机汽轮机组理论最高效率，仅取决于热源与冷源温度联合循环效率可达60%以上超临界参数下的高效发电典型热机循环分析奥托循环（汽油机）布雷顿循环（燃气轮机）理论循环包括两个等容过程和两个绝热过程循环效率主要受压缩比影响由两个等压过程和两个绝热过程组成通过提高压比和涡轮前温度来提高效率现代燃气轮机采用先进冷却技术，涡轮前温度可达1400℃以上其中ε为压缩比第六章水蒸气与湿空气热力性质水蒸气状态参数与热力过程水蒸气作为重要的工质，其热力性质比理想气体复杂水蒸气的状态可分为过冷水、湿蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽四个区域010203饱和状态特性湿度定义焓值计算在一定压力下，液体与蒸汽共存的平衡状态饱和温度与饱和压力一一干度x表示湿蒸汽中干蒸汽的质量分数x=mg/mg+mf湿蒸汽焓h=hf+x•hfg，其中hfg为汽化潜热对应湿空气性质及干湿球温度计原理湿空气是干空气与水蒸气的混合物，在空调工程中具有重要地位主要参数包括含湿量d单位质量干空气所含水蒸气的质量相对湿度φ空气中水蒸气分压与同温度下饱和水蒸气压之比露点温度空气开始结露时的温度湿球温度绝热加湿至饱和状态时的温度水蒸气动力循环与制冷循环基础蒸汽动力装置循环简介锅炉加热汽轮机膨胀水在锅炉中定压加热，经历预热、蒸发、过热过程过热蒸汽在汽轮机中绝热膨胀做功发电冷凝器凝结给水泵压缩排汽在冷凝器中定压冷却凝结成水冷凝水经给水泵加压送回锅炉朗肯循环是蒸汽动力装置的理想循环，实际循环效率可通过再热、回热等方式提高现代超临界火电机组效率可达45%以上空气压缩与蒸气压缩制冷循环蒸气压缩制冷循环包括压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程

1.压缩机绝热压缩制冷剂蒸气

2.冷凝器中制冷剂定压冷凝

3.节流阀中制冷剂等焓节流

4.蒸发器中制冷剂定压蒸发吸热第七章传热学绪论传热学基础热量传递的三种基本方式导热对流辐射固体内部或流体静止部分中，由于分子、原流体流动时流体各部分之间以及流体与固体表物体通过电磁波发射、传播和吸收来传递热量子、电子等微观粒子的热运动而产生的热量传面之间的热量传递现象的现象递现象•包括强迫对流和自然对流•无需介质即可传热•遵循傅里叶导热定律•牛顿冷却定律描述•遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律•导热系数是关键物性参数•对流换热系数影响因素复杂•温度四次方规律•温度梯度是传热驱动力传热过程的工程意义与控制技术第八章导热理论基础稳态与非稳态导热方程导热过程的数学描述基于傅里叶导热定律和能量守恒原理导热方程是传热学的核心方程之一12傅里叶导热定律导热微分方程其中λ为导热系数，∂T/∂x为温度梯度其中a=λ/ρc为导热系数稳态导热特点非稳态导热特点•温度不随时间变化∂T/∂t=0•温度随时间变化∂T/∂t≠0•热流量在各截面保持恒定•需要考虑热容量影响•应用于保温层计算、散热片设计等•应用于加热炉、冷却过程等•边界条件相对简单•初始条件与边界条件并存导热问题的数值解法简介导热强化与削弱技术保温材料应用散热肋片强化热管技术低导热系数材料如泡沫塑料、岩棉、气凝胶等，有效减少热损失通过增加散热面积提高导热效果，在电子设备散热中应用广泛利用相变传热实现高效导热，导热能力比铜高数百倍导热强化技术分类材料改进方向结构优化措施•高导热系数材料铜、银、石墨烯等•增加传热面积肋片、多孔结构•复合材料设计金属基复合材料•优化传热路径热桥设计•纳米材料应用碳纳米管、纳米流体•减小热阻接触热阻控制•相变材料潜热储能与导热•强化对流微通道冷却工程案例热桥与隔热设计热桥现象是建筑节能设计中的重要考虑因素通过结构设计避免高导热材料形成连续传热路径，采用断热措施降低传热系数现代建筑外墙保温系统通过外保温方式有效避免热桥，显著提高建筑能效第九章对流换热基础强迫对流与自然对流的区别强迫对流自然对流流体流动由外力（泵、风机等）驱动，流动速度相对较大，换热效果好流体流动由温度差引起的密度变化产生的浮升力驱动，流动速度较小•流动速度可人为控制•无需外加动力•换热系数通常较高•换热系数相对较低•应用空调系统、汽车散热器•应用散热片自然散热、房间通风对流换热数学模型与实验方法对流换热的数学描述包括连续性方程、动量方程（N-S方程）和能量方程这些方程构成了对流换热的完整数学模型牛顿冷却定律描述对流换热q=hT_w-T_f，其中h为对流换热系数理论分析1建立控制方程组，在简化假设下求得解析解实验研究2通过实验测量获得换热系数与特征数的关联式数值仿真3利用CFD软件求解复杂流动传热问题对流换热特征数关联式对流换热中的特征数是无量纲参数，反映了不同物理现象的相对重要性通过特征数关联式可以计算对流换热系数数数数Nusselt NuReynolds RePrandtl PrNu=hL/λRe=ρvL/μPr=cp•μ/λ表示对流换热与导热的相对强度，是待求表示惯性力与粘性力的比值，判断流动状表示动量扩散与热量扩散能力的相对大小的无量纲换热系数态的重要参数工程计算实例平板强迫对流换热的典型关联式管内流动换热横向流过圆柱层流Nu=

3.66（定热流）Nu=C Re^n Pr^{1/3}湍流Nu=

0.023Re^{

0.8}Pr^{

0.4}其中C和n随Reynolds数变化这些关联式是基于大量实验数据拟合得到，在工程设计中具有重要应用价值使用时需注意适用范围和修正因子凝结与沸腾换热现象相变传热的特殊性凝结和沸腾是两种重要的相变传热现象，其换热系数比单相对流高1-2个数量级，在电力、化工、制冷等行业中应用广泛膜状凝结凝结液在固体表面形成连续液膜Nusselt理论给出层流膜状凝结的解析解，换热系数随液膜厚度增加而减小滴状凝结凝结液呈液滴状分布在表面换热效果比膜状凝结好5-10倍，但较难在工程中稳定保持核态沸腾液体中产生蒸汽泡核，是最有效的沸腾换热方式临界热流密度是设计的重要参数，超过此值会发生沸腾危机膜态沸腾固体表面被蒸汽膜覆盖，换热系数急剧降低在高温表面淬火过程中常见，需要避免或控制工程应用中的换热强化强化措施•表面处理微细肋片、多孔表面•添加剂沸腾强化添加剂•结构优化螺旋管、波纹管•操作条件压力、流量控制第十章辐射换热基础热辐射传热电磁波形式的能量传递普朗克定律黑体辐射描述黑体光谱辐射力分布规律理想辐射体，吸收率和发射率均为1斯蒂芬玻尔兹曼定律-辐射力与温度四次方成正比基尔霍夫定律吸收率等于发射率维恩位移定律最大辐射波长与温度反比黑体辐射定律与基尔霍夫定律黑体是热辐射理论的基础概念，其辐射特性遵循以下基本定律⁻⁸其中σ=

5.67×10W/m²•K⁴为斯蒂芬-玻尔兹曼常数基尔霍夫定律表明在相同温度下，物体的发射率等于其吸收率，即ε=α这一定律为实际物体辐射特性分析提供了重要理论依据太阳辐射与遮热技术太阳辐射的工程影响太阳辐射是地球表面和近地空间最重要的热源，对建筑节能、航天器热控、太阳能利用等工程领域产生重要影响

136758000.5太阳常数太阳表面温度峰值波长W/m²-地球轨道处的太阳辐射强度K-相当于黑体辐射温度μm-太阳辐射能量分布峰值遮热板设计原理与应用遮热技术分类反射型遮热高反射率表面材料，如抛光铝板、镀银表面吸收型遮热多层绝热材料，减少热传导主动遮热可调节遮阳装置，根据太阳角度调整被动遮热固定式遮阳结构，建筑外遮阳航天器应用工业炉窑多层绝热材料MLI结合辐射换热器实现精确温度控制耐火材料与隔热层设计降低热损失第十一章传热过程与换热器设计传热过程综合分析实际工程中的传热过程往往是导热、对流、辐射三种基本方式的综合体现传热过程分析需要综合考虑各种传热机制的相对重要性总传热系数K1对流热阻导热热阻+2冷侧对流壁面导热热侧对流++3₁₂污垢热阻1/h+δ/λ+1/h+4传热过程的总热阻由各环节热阻串联组成R_{total}=\frac{1}{h_1A}+\frac{\delta}{\lambda A}+\frac{1}{h_2A}换热器类型与热计算方法主要类型设计计算步骤•管壳式换热器

1.确定换热器工艺参数和换热量•板式换热器

2.选择合适的换热器型式•紧凑式换热器

3.计算总传热系数•直接接触式换热器

4.利用传热方程确定传热面积•热管换热器

5.进行结构设计和强度计算•回转式换热器

6.校验压降并优化设计换热器热计算的核心公式Q=KA\Delta T_m，其中ΔTm为对数平均温差或修正温差效能-NTU法在换热器变工况分析中应用广泛换热强化与削弱技术应用传热强化技术实例扩展表面技术微通道冷却通过增加散热肋片、针翅等扩展传热面积现代CPU散热器采用铜管+铝翅片结构，传热效率通道尺寸在微米级，对流换热系数可达普通通道的10-100倍在高功率电子器件散热中应用前提升3-5倍景广阔表面改性技术湍流强化技术通过表面粗糙化、涂层处理等方式提高换热系数螺纹管、波纹管等在换热器中广泛应用利用扰流元件、旋流装置破坏边界层，增强流体混合涡流发生器可使换热系数提高50-200%工程节能与效率提升案例数据中心冷却优化汽车散热器强化某大型数据中心采用液冷技术替代传统风冷，结合微通道冷板设计新型汽车散热器采用多排扁管+波纹翅片设计•冷却效率提升40%•传热面积增加60%•能耗降低30%•重量减轻25%•设备密度提升2倍•风阻系数降低15%•噪声水平显著下降•冷却性能提升35%65%40%节能潜力成本节约传热强化技术在工业中的平均节能效果通过传热强化降低设备投资成本热控系统工程案例分析航空发动机热控设计航空发动机工作在极端高温环境下，涡轮前温度可达1700℃，而叶片材料允许温度仅约1200℃，必须采用先进的热控技术确保安全运行热障涂层保护叶片冷却设计冷却空气系统在叶片表面涂覆陶瓷基热障涂层，隔热效果可达150-200℃的温降采用复杂的内部冷却通道、冲击冷却、气膜冷却等多种冷却方式相结合从压气机引出冷空气，经过预冷和流量控制后送入涡轮叶片内部冷却通道核反应堆冷却系统热控方案反应堆冷却系统PWR一回路高压水循环带走堆芯热量蒸汽发生器一二回路热量交换主循环泵驱动冷却剂循环应急冷却事故工况下的安全冷却热控基础中的实验与测量技术热流测量仪器介绍温度测量热流测量热物性测量热电偶、热电阻、红外测温仪等，测量精度可达±

0.1℃热流计、量热计等，直接测量单位面积热流密度导热系数测定仪、热膨胀仪、差示扫描量热仪等•接触式热电偶、铂电阻•薄膜热流计响应速度快•稳态法平板法、圆柱法•非接触式红外热像仪•施密特-博尔特热流计高精度•非稳态法瞬态法、激光闪射法实验数据处理与误差分析数据处理方法误差分析要点异常数据识别3σ准则、格拉布斯检验•系统误差仪器精度、标定误差数据平滑处理移动平均法、最小二乘法•随机误差环境扰动、读数误差关联式拟合线性回归、非线性拟合•误差传递利用误差传递公式计算无量纲化分析量纲分析法•不确定度评定A类、B类不确定度现代热控实验越来越多地采用计算机辅助测试系统，实现数据自动采集、实时处理和可视化显示实验精度和效率得到显著提升热控基础学习中的常见难点与解题技巧状态参数图的应用图应用图应用图应用p-V T-S h-S直观显示热力过程的功量计算，闭口系统功等于p-V图下的面积熵坐标图便于分析可逆性，T-S图下面积代表可逆过程的热量焓熵图在汽轮机、压气机等开口系统分析中特别有用•等压过程水平直线•等熵过程垂直直线•等焓过程水平直线•等容过程垂直直线•等温过程水平直线•技术功焓差表示•等温过程双曲线•卡诺循环矩形•湿蒸汽区干度线分布•绝热过程陡峭曲线•不可逆程度熵增大小•压缩过程向上倾斜热力学循环计算方法总结循环分析步骤常用计算公式

1.确定循环各状态点参数热效率\eta=\frac{W_{net}}{Q_H}=1-\frac{Q_L}{Q_H}

2.计算各过程的功量和热量制冷系数COP=\frac{Q_L}{W_{net}}

3.应用热力学第一定律技术功w_t=\Delta h

4.计算循环净功和热效率

5.分析循环的完善程度解题技巧提示

1.画出循环示意图和状态参数图

2.明确系统边界和分析对象

3.合理选择分析方法和公式

4.注意单位统一和有效数字

5.验证结果的合理性热控基础课程考核与学习建议课程考核形式与重点123理论考试实验报告课程设计占总成绩60%，重点考查基本概念、计算方法和工程应用能力占总成绩20%，考查实验技能、数据处理和分析能力占总成绩20%，综合运用理论知识解决实际工程问题重点考核内容学习方法建议•热力学基本概念和定律•理论联系实际，注重物理概念理解•理想气体性质和热力过程•多做练习题，熟练掌握计算方法•热力学循环分析计算•重视实验环节，培养动手能力•传热学三种基本方式•关注工程应用，提高解决问题能力•换热器设计计算方法•利用仿真软件加深理解•工程传热问题分析•组织学习小组，互帮互助学习资源推荐经典教材在线资源仿真软件《工程热力学》（沈维道）、《传热学》（杨世铭）等权威教材中国大学MOOC、学堂在线等平台的热控基础课程ANSYS Fluent、COMSOL等CFD软件进行传热仿真热控基础的未来发展方向未来展望热控技术的创新发展新材料与纳米传热技术碳纳米材料相变储热材料智能热控材料石墨烯、碳纳米管等材料具有超高导热性能，导热系数可达新型相变材料具有更高的储能密度和更好的循环稳定性，在形状记忆合金、热致变色材料等可根据温度变化自动调节传5000W/m•K以上，在高效散热器中应用前景广阔建筑节能和工业余热回收中发挥重要作用热性能，实现自适应热控智能热控系统与数字化仿真人工智能与物联网技术的发展推动热控系统向智能化方向发展机器学习算法优化热控系统运行参数，提高能效数字孪生技术建立虚拟热控系统模型，实现预测性维护多尺度仿真从分子级到系统级的跨尺度传热模拟边缘计算实时处理热控数据，快速响应温度变化热控技术的发展将为实现碳达峰、碳中和目标提供重要支撑，推动能源利用效率的大幅提升未来热控基础学科将在新能源、信息技术、生物医学等交叉领域发挥更加重要的作用，为人类社会的可持续发展贡献力量。