傳熱應(yīng)用與分析第一章 緒論VIP

1、 毛軍逵，副教授，主要承擔(dān)工程熱力學(xué)、采暖通風(fēng) 傳熱應(yīng)用與分析等課程的教學(xué)工作 從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱分析、紅外隱身、電子散熱、 高超氣動(dòng)熱和 CFD仿真研究 明故宮校區(qū) 能源與動(dòng)力學(xué)院 312房間由于在自然界以及各種工程領(lǐng)域中無處不存在溫差，因而由于在自然界以及各種工程領(lǐng)域中無處不存在溫差，因而無處不存在熱量傳遞現(xiàn)象；使得傳熱學(xué)與工業(yè)生產(chǎn)和日常生無處不存在熱量傳遞現(xiàn)象；使得傳熱學(xué)與工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的關(guān)系特別密切?；畹年P(guān)系特別密切。工業(yè)、科技領(lǐng)域的發(fā)工業(yè)、科技領(lǐng)域的發(fā)展需求是傳熱學(xué)發(fā)展展需求是傳熱學(xué)發(fā)展的根本動(dòng)力的根本動(dòng)力能源動(dòng)力 化工冶金 機(jī)械制造 材料制備 電子技術(shù)

2、航空航天. 火力發(fā)電廠： 鍋爐、凝汽器、除氧器、加熱器、冷卻塔； 制冷與空調(diào)裝置：蒸發(fā)器與冷凝器； 石油、化工生產(chǎn)：加熱器、重沸器、蒸餾釜； 冶金工業(yè)：各種加熱爐、熱風(fēng)爐。 熱端部件的強(qiáng)化冷卻技術(shù)航航 空空 航航 天天3T航航 空空 航航 天天 高超聲速熱防護(hù)技術(shù)新技術(shù)賦予傳熱學(xué)的新使命新技術(shù)賦予傳熱學(xué)的新使命p 新能源技術(shù) 太陽(yáng)能、地?zé)崮荛_發(fā)過程中蓄熱、放熱問題 p 環(huán)境技術(shù) p 空間技術(shù) 微重力場(chǎng)下的傳熱問題 p 材料技術(shù) 微尺度傳熱學(xué)p ：p ： 封閉腔輻射換熱選擇性涂層保溫層散熱肋壁溫度場(chǎng)分析有限空間自然對(duì)流傅立葉定律傅立葉定律導(dǎo)熱機(jī)理導(dǎo)熱機(jī)理導(dǎo)熱過程（穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)）導(dǎo)熱過程（穩(wěn)態(tài)、非

3、穩(wěn)態(tài)）肋壁的導(dǎo)熱過程肋壁的導(dǎo)熱過程牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式邊界層理論邊界層理論相似原理相似原理典型的對(duì)流換熱過程典型的對(duì)流換熱過程斯忒藩斯忒藩- -玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律黑體、灰體的輻射換熱黑體、灰體的輻射換熱角系數(shù)角系數(shù) 電子技術(shù)是迄今為止世界上發(fā)展最為迅速的技術(shù)領(lǐng)域。芯片上集成的晶體管數(shù)目、主頻以及芯片功率隨年份的變化迅速增加。 隨著功率不斷增加，電子器件的冷卻成為目前IT 工業(yè)的瓶頸問題之一，由于溫度超標(biāo)而失效成為電子器件失效的主要原因。 輻射熱流密度為700W/m2的太陽(yáng)輻射投射在用于加熱水的平板型太陽(yáng)能集熱器上。集熱器的面積為3m2，90的太陽(yáng)輻射穿過玻璃蓋板并被吸熱板吸收，剩余的

4、10被集熱器反射出去。水在吸熱板背部的管道中流過。溫度由進(jìn)口的T1加熱到出口溫度T2。工作溫度為30oC的玻璃蓋板發(fā)射率為0.94，與處于10oC的天空之間進(jìn)行輻射換熱。玻璃蓋板與25oC的環(huán)境空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)為10W/（m2*K）。1、對(duì)集熱器進(jìn)行能量平衡分析，確定單位集熱器面積收集有 用熱量的速率表達(dá)形式2、在流量為0.01kg/s時(shí)計(jì)算水的溫升T2T1。假設(shè)水的比容 為4179J/（Kg*K）3、求集熱器的效率。效率定義為收集有用熱量速率同太陽(yáng)能 投射到集熱器上的速率之比。假設(shè)假設(shè) 1、傳熱過程是穩(wěn)態(tài)的 2、集熱器的周測(cè)和背面沒有損失 3、與天空相比，集熱器的面積很小。具體問題中是

5、單層具體問題中是單層如果是雙層玻璃如果是雙層玻璃CTTTTcmqqqmwqTThqTTqqqqqqqEEEopusefulsusefulusefulcconvskycradssolarusefulconvradsolarcvgenoutin7 .27A255. 0/3/3869 . 0E11212244遵循能量守恒、水管內(nèi)的水加熱過程、顯然集熱器的效率其中：有根據(jù)每個(gè)過程的分析，系容積，寫出能量守恒關(guān)、將集熱器定義為控制平板集熱器平板集熱器是在17世紀(jì)后期發(fā)明的，但直至1960年以后才真正進(jìn)行深入研究和規(guī)?；瘧?yīng)用。在太陽(yáng)能低溫利用領(lǐng)域，平板集熱器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能遠(yuǎn)比聚光集熱器好。目前大量使用的是

6、液體集熱器； 按吸熱板芯材料劃分有鋼板鐵管、全銅、全鋁、銅鋁復(fù)合、不銹鋼、塑料及其它非金屬集熱器等； 按蓋板劃分有單層或多層玻璃、玻璃鋼或高分子透明材料、透明隔熱材料集熱器等。目前，國(guó)內(nèi)外使用比較普遍的是全銅集熱器和銅鋁復(fù)合集熱器。銅翅和銅管的結(jié)合，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已建成十幾條銅鋁復(fù)合生產(chǎn)線。 真空管集熱器為了減少平板集熱器的熱損，提高集熱溫度，70年代研制成功真空集熱管，其吸熱體被封閉在高真空的玻璃真空管內(nèi)，大大提高了熱性能。將若干支真空集熱管組裝在一起，即構(gòu)成真空管集熱器，為了增加太陽(yáng)光的采集量，有的在真空集熱管的背部還加裝了反光板。真空集熱管大體可分為全玻璃真空集熱管，玻璃-U型管真空集熱管，直

7、通式真空集熱管和貯熱式真空集熱管。我國(guó)擁有全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱管真空管生產(chǎn)基地，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到世界先進(jìn)水平，生產(chǎn)能力居世界首位。 聚光集熱器聚光集熱器主要由聚光器、吸收器和跟蹤系統(tǒng)三大部分組成。按照聚光原理區(qū)分，聚光集熱器基本可分為反射聚光和折射聚光兩大類，每一類中按照聚光器的不同又可分為若干種。在本世紀(jì)研制開發(fā)的聚光集熱器品種很多，但推廣應(yīng)用的數(shù)量遠(yuǎn)比平板集熱器少，商業(yè)化程度也低。 在反射式聚光集熱器中應(yīng)用較多的是旋轉(zhuǎn)拋物面鏡聚光集熱器（點(diǎn)聚焦）和槽形拋物面鏡聚光集熱器 （線聚焦）。前者可以獲得高溫，但要進(jìn)行二維跟蹤；后者可以獲得中溫，只要進(jìn)行一維跟蹤。 (1) 在傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)中，你已掌握了

8、哪些物理問題的數(shù)學(xué)建模方法？(2) 針對(duì)不同的傳熱問題，如何選擇合理、簡(jiǎn)單的控制體？(3) 在數(shù)學(xué)建模中，控制體的能量平衡需要考慮哪些方面？ changeoutgenerateinQQQQ 建立數(shù)學(xué)模型是用數(shù)學(xué)的手段解決傳熱學(xué)問題的關(guān)鍵。具體的傳熱問題的質(zhì)量、動(dòng)量或能量守恒關(guān)系的數(shù)學(xué)模型建立與控制體的選取密不可分。針對(duì)不同傳熱問題，控制體的形式有所區(qū)別，可以是微元控制體、也可以是有限控制體。netvhWddUdQdQdQxdydzxTdzdyqdQxx,dydzdxxqqdzdyqdQxxdxxdxx,dxdydzzyxdQzTyTxT x2211()()22ininoutoutmhugzmh

9、ugz xdxdydzzyxdQzTyTxTh(1)xxxxpHm hudyhc uTdy2211()()22ininoutoutmhugzmhugz xininoutoutm hmh xdydxxTTdxxuucHpdxx()() ppuTvTcdxdycdydxxy dxdydzzyxdQzTyTxThdxdydzqdQVvpppTTTUmcdxdyccdxdy0netW能量守恒能量守恒最終形式最終形式 = + 內(nèi)能增量?jī)?nèi)能增量 擴(kuò)散項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng) 對(duì)流項(xiàng)對(duì)流項(xiàng) 源項(xiàng)源項(xiàng)TCPzTyTxTPwvuCzTyTxT222222VqhVdQdQdQdQ忽略粘性耗散進(jìn)入和離開控制體的導(dǎo)熱熱流量分別為進(jìn)入

10、和離開控制體的導(dǎo)熱熱流量分別為 和和控制體周邊表面的對(duì)流換熱熱流量為控制體周邊表面的對(duì)流換熱熱流量為能量平衡（穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源）能量平衡（穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源） dxdTAQxxQdxxQSfCdATThQ)(CQ0fSTTdxdAhdxdTAdxd對(duì)于橫截面不變的肋片，假設(shè)橫截面的周長(zhǎng)為對(duì)于橫截面不變的肋片，假設(shè)橫截面的周長(zhǎng)為P P022vqdxTdCQ0fSTTdxdAhdxdTAdxd022fTTAPhdxTd同具有內(nèi)熱源一維導(dǎo)熱方程比較同具有內(nèi)熱源一維導(dǎo)熱方程比較集總熱容體集總熱容體 集總熱容法既然忽略了物體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻，那么，描集總熱容法既然忽略了物體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻，那么，描述這類物體的非

11、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的微分方程就可以根據(jù)能量守恒定述這類物體的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的微分方程就可以根據(jù)能量守恒定律導(dǎo)出一種簡(jiǎn)單的形式。即物體吸收的熱流量與表面的對(duì)流律導(dǎo)出一種簡(jiǎn)單的形式。即物體吸收的熱流量與表面的對(duì)流換熱熱流量相平衡換熱熱流量相平衡)(fTThAddTcV一臺(tái)輸出功率為一臺(tái)輸出功率為750W750W用于水中工作的電阻加熱器，總的暴露用于水中工作的電阻加熱器，總的暴露面積為面積為0.1m0.1m2 2，在水中的表面對(duì)流換熱系數(shù)為，在水中的表面對(duì)流換熱系數(shù)為 ，水溫為水溫為3737。試確定。試確定(1)(1)在設(shè)計(jì)工況下加熱器的表面溫度；在設(shè)計(jì)工況下加熱器的表面溫度；(2)(2)如 果 放 置 在如 果

12、 放 置 在 3 7 3 7 的 空 氣 中 ， 表 面 對(duì) 流 換 熱 系 數(shù) 變的 空 氣 中 ， 表 面 對(duì) 流 換 熱 系 數(shù) 變?yōu)闉?，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)表面溫度如何變化。，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)表面溫度如何變化。)/(2002KmWh )/(82KmWh 解解 取整個(gè)加熱器作為控制體，由于處于穩(wěn)定狀態(tài)，取整個(gè)加熱器作為控制體，由于處于穩(wěn)定狀態(tài)，故控制體內(nèi)儲(chǔ)存能量的變化為零。故控制體內(nèi)儲(chǔ)存能量的變化為零。 (1) (2) 本例題得到的是一個(gè)代數(shù)方程式。運(yùn)用控制體本例題得到的是一個(gè)代數(shù)方程式。運(yùn)用控制體的概念來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模在以后的學(xué)習(xí)中可以進(jìn)一步的概念來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模在以后的學(xué)習(xí)中可以進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)。領(lǐng)會(huì)。)(

13、7500fWTThA78.63WT35.919WT一根外徑為一根外徑為0.3m，壁厚為，壁厚為3mm，長(zhǎng)為，長(zhǎng)為10m的圓管，入口溫度的圓管，入口溫度為為80的水以的水以0.1m/s的平均速度在管內(nèi)流動(dòng)，管道外部橫向的平均速度在管內(nèi)流動(dòng)，管道外部橫向流過溫度為流過溫度為20的空氣，實(shí)驗(yàn)測(cè)得管道外壁面的平均溫度為的空氣，實(shí)驗(yàn)測(cè)得管道外壁面的平均溫度為7 5 ， 水 的 出 口 溫 度 為， 水 的 出 口 溫 度 為 7 8 。 已 知 水 的 定 壓 比 熱 為。 已 知 水 的 定 壓 比 熱 為4187J/(kgK)，密度為，密度為980kg/m3，試確定空氣與管道之間的對(duì)，試確定空氣與管

14、道之間的對(duì)流換熱系數(shù)。流換熱系數(shù)。解解 根據(jù)熱量傳遞過程中能量守恒的定理，管內(nèi)水的散熱量必根據(jù)熱量傳遞過程中能量守恒的定理，管內(nèi)水的散熱量必然等于管道外壁與空氣之間的對(duì)流換熱量然等于管道外壁與空氣之間的對(duì)流換熱量(1) (1) 管內(nèi)水的散熱量為管內(nèi)水的散熱量為式中式中 為管道流通截面積，為管道流通截面積， (2) (2) 管道外壁與空氣之間的對(duì)流換熱量為管道外壁與空氣之間的對(duì)流換熱量為 (3) (3)能量平衡能量平衡)(outinPcTTcuAQcA)(1 .518)2075(103 . 0)()(0WhhTTldTThAQfWfW)/(55.1072KmWh 980 0.1 0.0679 4187 (80 78)55722.27QW 熱電廠中，對(duì)進(jìn)入鍋爐之前的水，即鍋爐給水中熱