華科傳熱學2002

1、2022-3-241主講：劉志春主講：劉志春能源與動力工程學院能源與動力工程學院華中科技大學華中科技大學2022-3-2422-1 基本概念基本概念2-2 一維穩(wěn)態(tài)導熱一維穩(wěn)態(tài)導熱2022-3-2432-1基本概念基本概念溫度場溫度場(temperature field) ：等溫面與等溫線等溫面與等溫線定義定義特征特征溫度梯度溫度梯度傅立葉定律及導熱系數(shù)傅立葉定律及導熱系數(shù)),(zyxft 2022-3-244導熱微分方程導熱微分方程導熱過程的單值性條件導熱過程的單值性條件導熱問題的求解方法導熱問題的求解方法)()()(ztzytyxtxtc2022-3-2452-2一維穩(wěn)態(tài)導熱一維穩(wěn)態(tài)導熱1

2、 通過平壁的導熱通過平壁的導熱2 通過圓筒壁的導熱通過圓筒壁的導熱)(12AttttqW 2)ln( 2211221Rttlrrttrlqwwww2022-3-2463 通過球壁的導熱通過球壁的導熱4 變截面或變導熱系數(shù)問題變截面或變導熱系數(shù)問題5 內(nèi)熱源問題內(nèi)熱源問題6 肋片導熱肋片導熱傳熱過程包含串聯(lián)的三個環(huán)節(jié)。傳熱過程包含串聯(lián)的三個環(huán)節(jié)。在這三個環(huán)節(jié)中，經(jīng)常遇到其在這三個環(huán)節(jié)中，經(jīng)常遇到其中一個對流環(huán)節(jié)熱阻較大，強中一個對流環(huán)節(jié)熱阻較大，強化這個環(huán)節(jié)的傳熱，降低其熱化這個環(huán)節(jié)的傳熱，降低其熱阻，對增加整個傳熱過程的傳阻，對增加整個傳熱過程的傳熱量非常重要。熱量非常重要。tf1 h1 tw

3、1 q tw2 h2 tf2 2022-3-247W 112121AhAAhttff為了增加傳熱量，可以采取哪些措施為了增加傳熱量，可以采取哪些措施?增加溫差，但受工藝條件限制增加溫差，但受工藝條件限制減小熱阻：減小熱阻：金屬壁一般很薄金屬壁一般很薄( 很小很小)、熱導率很大，、熱導率很大，導熱熱阻一般可忽略導熱熱阻一般可忽略增大增大h1、h2，但提高，但提高h1、h2并非任意的并非任意的增大換熱面積增大換熱面積 A 也能增加傳熱量也能增加傳熱量tf1 h1 tw1 q tw2 h2 tf2 2022-3-248增加換熱面積是強化對流換熱的有效方法增加換熱面積是強化對流換熱的有效方法之一。之一

4、。工程上經(jīng)常采用肋片（又叫翅片）來強化工程上經(jīng)常采用肋片（又叫翅片）來強化換熱。換熱。 肋片：依附于基礎表面上的擴展表面。肋片：依附于基礎表面上的擴展表面。2022-3-2492022-3-2410芯片技術的冷卻芯片技術的冷卻各種類型翅片管各種類型翅片管翅片管換熱器翅片管換熱器-1-1翅片管換熱器翅片管換熱器-2-2各種金屬軋制管各種金屬軋制管繞帶管及其應用繞帶管及其應用-1-12022-3-24162022-3-24172022-3-2418科學家有爭論說：恐科學家有爭論說：恐龍是溫血的動物，其龍是溫血的動物，其身上的肋片加強了過身上的肋片加強了過多運動帶來的熱量散多運動帶來的熱量散失。失。

5、2022-3-2419肋片導熱的特點：肋片導熱的特點：在肋片伸展的方向上有表面的對流換熱及輻射在肋片伸展的方向上有表面的對流換熱及輻射換熱，因而熱流量沿傳遞方向不斷變化。換熱，因而熱流量沿傳遞方向不斷變化。肋片表面的所傳遞的熱量都來自（或進入）肋肋片表面的所傳遞的熱量都來自（或進入）肋片根部，即肋片與基礎表面的相交面。片根部，即肋片與基礎表面的相交面。分析目的：分析目的：1)獲得肋的溫度分布獲得肋的溫度分布;2)通過肋片散通過肋片散熱量熱量2022-3-2420直肋直肋通過等截面直肋的導熱通過等截面直肋的導熱從圖中取出一個肋片：設肋片與從圖中取出一個肋片：設肋片與基礎表面相交處（肋根）的溫度基

6、礎表面相交處（肋根）的溫度t0已知，周圍流體溫度為已知，周圍流體溫度為t ，肋，肋片與環(huán)境之間有熱交換（對流、片與環(huán)境之間有熱交換（對流、輻射）復合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為輻射）復合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h。嚴格地說，肋片中的溫度場是三維、穩(wěn)態(tài)、無嚴格地說，肋片中的溫度場是三維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源、常物性、第三類邊條的導熱問題。但內(nèi)熱源、常物性、第三類邊條的導熱問題。但由于三維問題比較復雜，故此，在忽略次要因由于三維問題比較復雜，故此，在忽略次要因素的基礎上，將問題簡化為一維問題。素的基礎上，將問題簡化為一維問題。2022-3-2421假定：假定：（1）肋片在垂直屏幕方）肋片在垂直屏幕方向很長，不考慮溫度沿向很長，

7、不考慮溫度沿該方向的變化；該方向的變化；（2）材料的導熱系數(shù)）材料的導熱系數(shù)(金屬，導熱系數(shù)大金屬，導熱系數(shù)大)及表及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為常數(shù)；面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為常數(shù)；（3） / tH，由于溫度計的感溫泡與套管頂部，由于溫度計的感溫泡與套管頂部直接接觸，可以認為溫度計的讀數(shù)就是套管直接接觸，可以認為溫度計的讀數(shù)就是套管頂端的壁面溫度頂端的壁面溫度tH。套管中每一截面上的溫。套管中每一截面上的溫度可以認為相等的，因而溫度計套管可以看度可以認為相等的，因而溫度計套管可以看成是截面為成是截面為d的一等截面直肋（的一等截面直肋（d為套管直為套管直徑）。而所謂的測溫誤差，就是套管頂端的徑）。而所謂的測溫誤差，就是套

8、管頂端的過余溫度過余溫度(由一維等截面肋片導熱理論）由一維等截面肋片導熱理論）2022-3-2451)cosh(0mHttttffHH此處此處tf是筒內(nèi)待測流體的真實溫度是筒內(nèi)待測流體的真實溫度,/hHmH 由雙曲余弦函數(shù)由雙曲余弦函數(shù)ch(mH)的性質可知：套管材的性質可知：套管材料導熱系數(shù)越大，測溫誤差越大。料導熱系數(shù)越大，測溫誤差越大。結論：結論：從減小測溫誤差的角度，套管材料用從減小測溫誤差的角度，套管材料用鋼比銅好。鋼比銅好。2022-3-2452減少測溫誤差的其它方法減少測溫誤差的其它方法:)cosh(0mHttttffHH/hHmH 增加套管長度增加套管長度 H 減小套管壁厚減小

9、套管壁厚 在儲氣筒外包以在儲氣筒外包以保溫材料保溫材料 強化套管和流體強化套管和流體之間的換熱，即之間的換熱，即增大增大 h2022-3-2453習題：習題：2-18， 2-20，2-222022-3-2454復習復習1：我們?yōu)槭裁窗牙咂纳釟w入一維穩(wěn)我們?yōu)槭裁窗牙咂纳釟w入一維穩(wěn)態(tài)導熱問題？肋片效率是如何定義的，它與哪態(tài)導熱問題？肋片效率是如何定義的，它與哪些因素相關？增大肋片效率有哪些措施？些因素相關？增大肋片效率有哪些措施？答：肋片是為了增強換熱而安裝在換熱壁面上答：肋片是為了增強換熱而安裝在換熱壁面上的擴展表面，通常是換熱面與環(huán)境之間的換熱的擴展表面，通常是換熱面與環(huán)境之間的換熱性

10、能較差，而安裝的肋片導熱性能較好，且厚性能較差，而安裝的肋片導熱性能較好，且厚度遠小于肋片伸展的高度，于是可以忽略肋片度遠小于肋片伸展的高度，于是可以忽略肋片厚度方向上的溫度變化，也就是有厚度方向上的溫度變化，也就是有Bi1 ，那，那么，肋片的散熱就可以視為僅僅發(fā)生在肋片高么，肋片的散熱就可以視為僅僅發(fā)生在肋片高度方向上的一維含源的穩(wěn)態(tài)導熱問題。度方向上的一維含源的穩(wěn)態(tài)導熱問題。 2022-3-2455肋片的效率定義為肋片實際的散熱量與整個肋肋片的效率定義為肋片實際的散熱量與整個肋片都處于肋基溫度下的理想散熱量之比，片都處于肋基溫度下的理想散熱量之比， mHmHhPHmHmhPf)tanh()

11、tanh(00hAhPmh它與肋片的物性（材質）、幾何形狀、和環(huán)它與肋片的物性（材質）、幾何形狀、和環(huán)境換熱情況有關。境換熱情況有關。 2022-3-2456增加肋片效率包括：增加肋片效率包括：熱導率增大、減小肋片高度、增加肋片厚度、熱導率增大、減小肋片高度、增加肋片厚度、減小減小h。2022-3-2457復習復習2：長度為長度為L的桿，暴露在的桿，暴露在t 的環(huán)境中，桿的環(huán)境中，桿一端溫度為一端溫度為t0，桿內(nèi)安裝電熱元件，沿桿方向，桿內(nèi)安裝電熱元件，沿桿方向產(chǎn)生均勻發(fā)熱率產(chǎn)生均勻發(fā)熱率 。試求：。試求：1）桿內(nèi)溫度分布表達式）桿內(nèi)溫度分布表達式2）桿散給環(huán)境的散熱量；）桿散給環(huán)境的散熱量；

12、解：解：在桿內(nèi)取一長度為在桿內(nèi)取一長度為dx的微元體，設桿截面積為的微元體，設桿截面積為A，周長為，周長為P，導熱系數(shù)為，導熱系數(shù)為，換熱系數(shù)為，換熱系數(shù)為hq2022-3-2458內(nèi)熱源產(chǎn)生熱量為內(nèi)熱源產(chǎn)生熱量為導入的熱量導入的熱量導出的熱量導出的熱量以對流方式向周圍散出的熱量為以對流方式向周圍散出的熱量為熱平衡方程為熱平衡方程為化簡得化簡得AdxqdxdtA)(dxdxdttdxdAtthPdxtthPdxdxdxdttdxdAdxdtAqAdx)(qmdxd2222022-3-2459通解為通解為帶入邊界條件帶入邊界條件則桿內(nèi)溫度分布表達式為則桿內(nèi)溫度分布表達式為hPAqececmxmx

13、21；ttx00, 0LLxPAdxdALx,hPAqeeemhhPAqeeeemhhPAqemxmLmLLmLmxmLmLLmL00 2022-3-2460（2）桿向周圍散出的熱流量為）桿向周圍散出的熱流量為LLmLmLLmLmLLLhAALqLheeLheehPAqmhPhAdxhPQ2002022-3-246170年代的世界能源危機促進了強化傳熱的研年代的世界能源危機促進了強化傳熱的研究究發(fā)生于發(fā)生于70年代的能源危機對世界的經(jīng)濟發(fā)展年代的能源危機對世界的經(jīng)濟發(fā)展是一次大沖擊。迫使人們盡力減少石油與其是一次大沖擊。迫使人們盡力減少石油與其它二次能源的消耗，客觀上極大地促進了強它二次能源的

14、消耗，客觀上極大地促進了強化傳熱技術的研究化傳熱技術的研究其實質是探求在消耗一其實質是探求在消耗一定的能量條件下盡可能多地傳遞為某種過程定的能量條件下盡可能多地傳遞為某種過程所需的熱量。所需的熱量。2022-3-2462根據(jù)根據(jù)Bergles 這個時期世界范圍內(nèi)關于強化傳這個時期世界范圍內(nèi)關于強化傳熱研究論文的數(shù)量急劇上升（圖熱研究論文的數(shù)量急劇上升（圖1）。）。Bergles, A. E., Jensen, M. K., and Shome, B. (1995). Bibliography on Enhancement of Convective Heat and Mass Transfer

15、, Report HTL-23, Heat Transfer Laboratory, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY. 被動式強化傳熱技術被動式強化傳熱技術基于表面的：異型管、擴展表面基于表面的：異型管、擴展表面 螺旋槽紋管、橫槽紋管、縱槽管、縱向渦強化管、內(nèi)翅片管、螺旋槽紋管、橫槽紋管、縱槽管、縱向渦強化管、內(nèi)翅片管、低螺紋翅片管低螺紋翅片管基于流體的：內(nèi)插物基于流體的：內(nèi)插物 扭帶、繞花絲、螺旋線圈、金屬泡沫、添加劑扭帶、繞花絲、螺旋線圈、金屬泡沫、添加劑存在的問題存在的問題傳熱強加的同時，流體阻力也同時增加傳熱強加的同時，流體阻力也同

16、時增加強化傳熱理論強化傳熱理論減薄熱邊界層厚度、增加換熱面積、增加壁面附近流減薄熱邊界層厚度、增加換熱面積、增加壁面附近流體擾動體擾動場協(xié)同原理場協(xié)同原理Nakamura, H., and Tanaka, M. (1973). Cross-Rifled Vapor Generating Tube, U.S. patent 3,734,140.Wang L K, Sunden B. Performance comparison of some tube inserts. Int Comm Heat Mass Transfer, 2002, 29(1): 4556Wang L K, Sunden

17、B. Performance comparison of some tube inserts. Int Comm Heat Mass Transfer, 2002, 29(1): 45562022-3-2470早期教材（早期教材（60年代）中幾乎沒有出現(xiàn)年代）中幾乎沒有出現(xiàn)“強化傳強化傳熱熱” 的術語，文獻中提出了的術語，文獻中提出了“傳熱的增強傳熱的增強”的的概念，但僅限于分析強化傳熱過程首先要強化概念，但僅限于分析強化傳熱過程首先要強化熱阻大的一側的換熱過程，還未對強化傳熱的熱阻大的一側的換熱過程，還未對強化傳熱的技術開展闡述。技術開展闡述。1 Miheev M A. Fundamenta

18、ls of heat transfer (In Russian) . 3rd edition. 1956. 2 楊世銘，陳大燮編，傳熱學，北京：中國楊世銘，陳大燮編，傳熱學，北京：中國工業(yè)出版社，工業(yè)出版社，19612022-3-2471中期教材（中期教材（6595年）的年）的Kreith 教材（教材（1986）已經(jīng)將已經(jīng)將Augmentation 列入主題索引。列入主題索引。在在1993年出版的年出版的Bejan的教材中則更加開宗明的教材中則更加開宗明義地提出研究傳熱學的主要任務是（義地提出研究傳熱學的主要任務是（1）熱絕）熱絕緣；（緣；（2）強化傳熱；（）強化傳熱；（3）溫度控制）溫度控制

19、，非常精，非常精練地道出了近代傳熱學的研究的基本命題。練地道出了近代傳熱學的研究的基本命題。在在Incropera、DeWitt 教材中的教材中的85年版本正文年版本正文中已經(jīng)有這方面的闡述，但未列入主題索引。中已經(jīng)有這方面的闡述，但未列入主題索引。在在2002年版本中，則已將年版本中，則已將enhancement surfaces 列入主題索引。列入主題索引。 2022-3-2472電子器件冷卻技術發(fā)展為傳熱學提供了許多強電子器件冷卻技術發(fā)展為傳熱學提供了許多強化換熱的實例化換熱的實例電子技術是迄今為止世界上發(fā)展最為迅速的技電子技術是迄今為止世界上發(fā)展最為迅速的技術領域。芯片上集成的晶體管數(shù)

20、目、主頻以及術領域。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。由于功率不芯片功率隨年份的變化迅速增加。由于功率不斷增加，使電子器件的冷卻成為目前斷增加，使電子器件的冷卻成為目前IT 工業(yè)工業(yè)的瓶頸問題之一，由于溫度超標而失效成為電的瓶頸問題之一，由于溫度超標而失效成為電子器件失效的主要原因。子器件失效的主要原因。2022-3-24732022-3-2474因此從因此從20世紀世紀90年代起，電子器件冷卻技術年代起，電子器件冷卻技術的研究廣泛受到重視，給傳熱學教材提供了的研究廣泛受到重視，給傳熱學教材提供了大量具有實際意義的例題與習題。大量具有實際意義的例題與習題。執(zhí)行可持續(xù)

21、發(fā)展戰(zhàn)略和節(jié)能為主的方針，要執(zhí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和節(jié)能為主的方針，要求對傳熱強化技術予以足夠的關注，求對傳熱強化技術予以足夠的關注，在介紹強化對流換熱的技術時，必須指出，在介紹強化對流換熱的技術時，必須指出，任何強化技術都會引起流動阻力的增加；只任何強化技術都會引起流動阻力的增加；只有那些按照一定的約束條件（如泵功一定，有那些按照一定的約束條件（如泵功一定，壓降一定）的技術才能節(jié)能。壓降一定）的技術才能節(jié)能。2022-3-2475電子器件冷卻電子器件冷卻2022-3-24762022-3-2477電腦散熱用熱管電腦散熱用熱管2022-3-2478自自然然對對流流冷冷卻卻2022-3-2479芯片

22、上的沸騰芯片上的沸騰2022-3-2480液液膜膜下下降降冷冷卻卻2022-3-2481液液膜膜下下降降冷冷卻卻測測試試2022-3-2482液液柱柱飛飛濺濺冷冷卻卻2022-3-2483液體飛濺冷卻液體飛濺冷卻2022-3-2484液滴撞擊在芯片表面液滴撞擊在芯片表面2022-3-2485翅片傳熱強化翅片傳熱強化2022-3-24862022-3-24872022-3-2488翅片上的沸騰翅片上的沸騰2022-3-2489隨著家用空調(diào)的普及，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能程度成隨著家用空調(diào)的普及，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能程度成為全世界空調(diào)廠商吸引顧客的一個重要指標，為全世界空調(diào)廠商吸引顧客的一個重要指標，使家用空調(diào)中的兩器使家用空調(diào)中的兩器冷凝器與蒸發(fā)器傳熱冷凝器與蒸發(fā)器傳熱強化的研究呈現(xiàn)常興不衰的勢頭：空氣側的強化的研究呈現(xiàn)常興不衰的勢頭：空氣側的翅片，由平片、波紋片、到開縫片；對于水翅片