唐老師傳熱學(xué)教學(xué)課件

第十章

幾個專題1第十章

幾個專題1第十章幾個專題10-1太陽能利用中的傳熱問題(371頁)10-2熱管及其應(yīng)用(376頁)10-3射流沖擊換熱(379頁)10-4傳質(zhì)過程簡介(382頁)10-5傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用(392頁)2第十章幾個專題10-1太陽能利用中的傳熱問題10-1太陽能利用中的傳熱問題太陽是個熾熱的氣團，它的內(nèi)部不斷地進行著核聚變反應(yīng)，由此產(chǎn)生的巨大能量以輻射方式向宇宙空間發(fā)射出去。到達地球大氣層外緣的能量，具有如圖10-1中位置較高的實線所示的光譜特性，近似于溫度為5762K的黑體輻射。310-1太陽能利用中的傳熱問題太陽是個日地間的距離在一年中是有變化的。在日地平均距離處，大氣層外緣與太陽射線相垂直的單位表面積所接受到的太陽輻射能為。此值稱為太陽常數(shù)，記為Sc,它與地理位置或一天中的時間無關(guān)。實際上，大氣層外緣水平面上每單位面積接受到的太陽輻射能為：式中：f——地日距離修正系數(shù)，f=0.97~1.03；——太陽射線與地面法線間的夾角，稱天頂角。4日地間的距離在一年中是有變化的。在日地平均距在太陽能利用中會碰到許多傳熱問題，現(xiàn)以太陽能集熱器為例來分析。太陽能集熱器是將太陽能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)(水)的熱能的設(shè)備，典型的集熱器如圖10-3所示：太陽能在穿過透明的蓋板后投射到吸熱面上。為了提高效率，在吸熱面上常涂有對太陽輻射具有很高光譜吸收比的涂層。所謂太陽能集熱器的效率,可定義為集熱器的有效收益熱流密度qg與投入集熱器的太陽輻射Gs的比值，即：5在太陽能利用中會碰到許多傳熱問題，現(xiàn)以太陽能提高太陽能集熱器效率的途徑是，在保持最大限度采集太陽輻射的同時,盡可能減小其對流和輻射熱損失。措施之一是：利用對太陽光透明的玻璃或塑料薄膜使吸熱面不直接暴露于外界環(huán)境。如圖10-4所示，普通玻璃對m的熱輻射有很高的穿透比，而對>m的熱輻射的穿透比很小。于是大部分太陽輻射能穿過玻璃進入有吸熱面的腔內(nèi)，而吸熱面發(fā)出的常溫下的長波輻射卻被玻璃阻隔在腔內(nèi)，從而產(chǎn)生了所謂溫室效應(yīng)。6提高太陽能集熱器效率的途徑是，在保持最大限度吸熱面的輻射特性對集熱器效率也是重要的。以圖10-3所示的平板型集熱器為例，在熱穩(wěn)態(tài)情況下，集熱器單位面積的熱平衡方程為：可采用灰體平行平板間的輻射換熱公式計算：代入式(10-3)化簡，得：7吸熱面的輻射特性對集熱器效率也是重要的。以圖太陽能利用中吸熱面材料理想的輻射特性應(yīng)是：在0.3~3m的波長范圍內(nèi)的光譜吸收比接近于1，而在大于3m的波長范圍內(nèi)的光譜吸收比接近于零。即要求s盡可能大，而盡可能小。用人工的方法改造表面，如對材料表面覆蓋涂層是提高s/值的有效手段，這種涂層稱為光譜選擇性涂層，如在銅材上電鍍黑鎳鍍層，其吸收比特性如圖10-5中曲線2所示。黑鎳鍍層的厚度對表面特性的影響示于表10-1。8太陽能利用中吸熱面材料理想的輻射特性應(yīng)是：在表10-1黑鎳鍍層厚度對輻射特性的影響（鍍層表面溫度為50C）由表中可以看出，黑鎳鍍層使s/值可提高到10左右。9表10-1黑鎳鍍層厚度對輻射特性的影響（鍍層表面溫不僅人工研制的涂層表面對太陽能的吸收比不等于其自身的發(fā)射率，一般材料也常是如此。表10-2部分材料對太陽輻射的吸收比及自身發(fā)射率10不僅人工研制的涂層表面對太陽能的吸收比不等于10-2熱管及其應(yīng)用熱管是20世紀60年代發(fā)展起來的具有特別高的導(dǎo)熱性能的傳熱元件。圖10-6為其工作原理示意圖。工作液在熱管內(nèi)循環(huán)流動，把熱量從加熱段傳遞到散熱段。1110-2熱管及其應(yīng)用熱管是20世紀帶有吸液芯的熱管有突出的優(yōu)點——對蒸發(fā)段與冷凝段的位置沒有任何限制，但其制造成本較高，多用于航天事業(yè)中。地面上常采用依靠重力回流冷凝液的重力熱管。這時冷凝段必須位于蒸發(fā)段之上。如圖10-7所示。重力熱管中應(yīng)用最廣的是鋼-水熱管。鋼-水熱管在運行過程中會產(chǎn)生不凝結(jié)氣體——氫氣，并最終聚集到冷凝段使凝結(jié)換熱惡化，以致使熱管性能變壞或失效。這種現(xiàn)象稱為鋼-水的不相容性。12帶有吸液芯的熱管有突出的優(yōu)點——對蒸發(fā)段與冷下面我們以一根鋼-水重力熱管為例來分析其熱傳遞過程中各個環(huán)節(jié)的熱阻大小。設(shè)熱管的外徑do=25mm，內(nèi)徑di=21mm，蒸發(fā)段長度le及冷凝段長度lc均為1m，碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)=43.2W/(m·K)。熱量從熱流體傳到冷流體的過程中各個環(huán)節(jié)的熱阻如下：設(shè)蒸發(fā)段外表面總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為ho，e，則：(1).從熱流體到蒸發(fā)段外壁的換熱熱阻R1(2).從蒸發(fā)段外壁到內(nèi)壁的導(dǎo)熱熱阻R213下面我們以一根鋼-水重力熱管為例來分析其熱傳(3).蒸發(fā)段換熱熱阻R3

設(shè)蒸發(fā)換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi,e=5000W/(m2·K),則：(4).從蒸發(fā)段到冷凝段蒸汽流動的壓降所引起的熱阻R4

蒸汽的壓降導(dǎo)致飽和溫度下降,這等價于存在一個熱阻。但實際上由于壓降很小，因而所引起的相應(yīng)的溫差也很小，所以R40。(5).冷凝段固體壁面導(dǎo)熱熱阻R5

R5與R2相同，為6.410-4K/W。14(3).蒸發(fā)段換熱熱阻R3(4).從蒸發(fā)段到冷凝段(6).冷凝段換熱熱阻R6

取凝結(jié)換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為hi，c=6000W/(m2·K)，則(7).冷凝段外管壁與冷流體間的換熱熱阻設(shè)冷流體的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為ho，c，則在R1~R7中，屬于熱管內(nèi)部的熱阻為R2~R6，其和為6.7810-3K/W。一根長2m、直徑為25mm的銅棒的熱阻是上述鋼-水熱管的1500倍。熱管的這種特別優(yōu)良的導(dǎo)熱性能又被稱為“超導(dǎo)熱性”。15(6).冷凝段換熱熱阻R610-3射流沖擊換熱當需要在換熱表面的局部地區(qū)產(chǎn)生強烈的換熱效果時，可采用沖擊射流。沖擊射流已廣泛用于平板玻璃回火、金屬薄板退火、紡織品或紙張干燥、燃氣輪機葉片冷卻及電子器件冷卻等技術(shù)中。在這種換熱方式中，氣體或液體在壓差作用下通過一個圓形或窄縫形噴嘴垂直（或成一定傾角）地噴射到被冷卻的表面上，從而使直接受到?jīng)_擊的區(qū)域產(chǎn)生很強的換熱效果。如圖10-9、10-10所示。射流到達壁面前的區(qū)域稱為自由射流。抵達壁面后，射流向四周沿著壁面流開，形成貼壁射流區(qū)。固體表面上正對噴嘴中心處稱為滯止區(qū)。這里的局部換熱強度特別高。1610-3射流沖擊換熱當需要在換熱表面的局圖10-11示出了一些典型情況下滯止區(qū)及其附近局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化情況。*.滯止區(qū)以外的射流沖擊區(qū)域中的平均換熱特性為：17圖10-11示出了一些典型情況下滯止區(qū)及其附函數(shù)f1、f2、f3可按以下公式計算：式(10–6)、(10–7)的適用范圍為：在玻璃、紙張等的冷卻或干燥工藝中還經(jīng)常采用狹縫沖擊射流，此時噴嘴出口形狀為狹長的長方形，一般其寬度小于長度的十分之一。18函數(shù)f1、f2、f3可按以下公式計算：式(10–6)、(110-4傳質(zhì)過程簡介在含有兩種或兩種以上組分的流體內(nèi)部，如果有濃度梯度存在，則每一種組分都有向低濃度方向轉(zhuǎn)移，以減弱這種濃度不均勻的趨勢?；旌衔锏慕M分在濃度梯度作用下由高濃度向低濃度方向的轉(zhuǎn)移過程稱為傳質(zhì)，亦稱質(zhì)量傳遞。正如溫度差是熱量傳遞的推動力那樣，濃度差是質(zhì)量傳遞的推動力。衣服的晾干是日常生活中遇到的空氣-水分二元混合物的傳質(zhì)現(xiàn)象。在能源、動力、低溫工程、化工及環(huán)境保護等工程領(lǐng)域中，存在著大量的物料干燥、加濕、去濕、吸收、脫吸等傳質(zhì)過程。由于分子運動而引起的質(zhì)量傳遞過程稱為質(zhì)擴散；由于對流摻混而引起的質(zhì)量傳遞稱為質(zhì)對流。1910-4傳質(zhì)過程簡介在含有兩種或兩種以一.混合物濃度的表示方法組分的濃度通常用質(zhì)量濃度和物質(zhì)的量濃度c表示，其定義為：式中：、分別為混合物容積V中組分A及B的質(zhì)量；、分別為混合物容積V中組分A及B的物質(zhì)的量。20一.混合物濃度的表示方法組分的濃度通常用質(zhì)二.質(zhì)擴散裴克(Fick)定律及典型擴散過程如圖10-12所示，組分A及組分B被分隔在容器的兩側(cè)，抽去隔板時,由于濃度梯度的存在組分A、B相互擴散。單位時間內(nèi)在垂直于質(zhì)量擴散方向的面積上所擴散的組分，可用裴克定律計算：DAB為比例系數(shù)，稱為質(zhì)擴散率。下角碼AB表示物質(zhì)A向物質(zhì)B擴散;負號表示質(zhì)量通量密度及物質(zhì)的量的通量指向濃度降低的方向。21二.質(zhì)擴散裴克(Fick)定律及典型擴散過程*.兩種典型的擴散過程1.等摩爾逆向擴散：如圖10-13所示，設(shè)組分A、B以相同的物質(zhì)的量的通量密度向相反方向擴散，則稱這種擴散過程為等摩爾逆向擴散。計算式為：22*.兩種典型的擴散過程如圖10-13所因為NA=–NB，故得：則有：在氣體分離的蒸餾過程中，當?shù)头悬c組分和高沸點組分的潛熱相近時，高沸點組分凝結(jié)釋放出的熱量使相同物質(zhì)的量的低沸點組分汽化，則該過程可近似地按等摩爾逆向擴散來處理。23因為NA=–NB，故得：則有：在氣體分2.單向擴散考慮如圖10-14所示的量筒底部的水層向頂部大氣的擴散過程。由于水面上水分的蒸發(fā)，水蒸氣不斷地向上擴散。設(shè)在量筒口有一股極低流速的氣流不斷地把水蒸氣帶走，則可建立起一個穩(wěn)態(tài)的擴散過程來。假設(shè)：(1).擴散過程是穩(wěn)態(tài)的；(2).系統(tǒng)是等溫的；(3).水面上方氣空間的壓力p0為常數(shù)；(4).混合氣體可以作為理想氣體處理。242.單向擴散考慮如圖10-14所示的量筒底由假定知：空氣在水中的溶解度幾乎為零，因而不能向水中擴散。在這一過程中水面上的水蒸氣不斷向空氣擴散，而空氣不能進入水面，因而稱為單向擴散。量筒口處空氣的分壓力要大于水面上的分壓力，必然有空氣不斷地從量筒口向量筒底擴散，會在水平面上積聚起越來越多的空氣。為了維持一個穩(wěn)定的擴散過程，設(shè)想有一股沿水面法線方向向上流動的混合氣流，夾帶有空氣，以補償從量筒口向水面的空氣擴散。在量筒任一截面上這股氣流的流速應(yīng)使此處空氣的凈質(zhì)量交換率為零，即：25由假定知：空氣在水中的溶解度幾乎為零，因而不該截面上水蒸氣的總質(zhì)量交換率為：對于理想氣體，有：26該截面上水蒸氣的總質(zhì)量交換率為：對于理想氣體，有：26將式(e)代入式(d)得：這是在裴克定律的基礎(chǔ)上考慮了單向擴散后得出的物質(zhì)的量的通量密度計算式，稱為斯蒂芬(Stephan)定律。將式(a)代入式(10-16)得：積分得：27將式(e)代入式(d)得：這是在裴克定律的基礎(chǔ)上考慮了單向擴若以水蒸氣的氣體常數(shù)Rw來代替摩爾氣體常數(shù)R，則計算得到的是質(zhì)量通量密度，即：式(10–17)、(10–18)稱為斯蒂芬定律的積分表達式。28若以水蒸氣的氣體常數(shù)Rw來代替摩爾氣體常數(shù)R，則計算三.對流傳質(zhì)及表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)

對流傳質(zhì)是指當流體流經(jīng)一個相界面時與界面之間發(fā)生的質(zhì)量交換。計算公式為：29三.對流傳質(zhì)及表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)對流傳質(zhì)是指當流四.質(zhì)量與熱量同時傳遞的過程以干濕球溫度計為例來分析傳熱、傳質(zhì)過程中的溫度差及濃度差之間的關(guān)系。如圖10-16所示，當一股溫度為t、水蒸氣質(zhì)量濃度為的氣流吹過濕球時同時發(fā)生著對流傳質(zhì)及對流傳熱。*.單位水膜面積上的質(zhì)交換為：*.單位面積上的換熱量為：30四.質(zhì)量與熱量同時傳遞的過程以干濕球溫度計10-5傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用1.選用或發(fā)展合適的換熱關(guān)聯(lián)式，以便有效地設(shè)計各類熱交換設(shè)備：在能源、動力、化工、冶金等工程部門中大量地使用著各類熱交換設(shè)備。如火力發(fā)電廠中的鍋爐以及火力發(fā)電廠、核電廠的汽輪機系統(tǒng)中的凝汽器、除氧器、加熱器、冷卻塔，制冷與空調(diào)裝置中制冷介質(zhì)的蒸發(fā)器與冷凝器，石油、化工生產(chǎn)中用的加熱器、重沸器、蒸餾釜，冶金工業(yè)中的各種加熱爐、熱風爐等都是熱交換設(shè)備。傳熱學(xué)的應(yīng)用幾乎涉及到每一個技術(shù)領(lǐng)域。以下我們從10個方面概要介紹生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用傳熱學(xué)的目的或傳熱學(xué)在發(fā)展某些科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的作用。3110-5傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用12.利用或開發(fā)各種強化換熱的手段，以提高傳熱效果、降低材料消耗、改進設(shè)備緊湊性由于在許多工藝或生產(chǎn)過程中換熱器的投資占設(shè)備總投資相當大的比例或者是工藝過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因而如何強化傳熱、提高經(jīng)濟性就成為一項重要的工作。近20年來涌現(xiàn)出來的各種翅片管、緊湊式換熱器以及強化制冷劑凝結(jié)與沸騰的多種強化表面就是適應(yīng)這種需要的結(jié)果。322.利用或開發(fā)各種強化換熱的手段，以提高傳大型發(fā)電機中的定子線圈與轉(zhuǎn)子線圈、電子器件中大規(guī)模集成電路的芯片以及核反應(yīng)堆中的燃料棒，在運行中都會產(chǎn)生大量的熱量；燃氣輪機中轉(zhuǎn)子上的葉片、各種車輛發(fā)動機中的汽缸及重返大氣層時航天器的殼體，在運行過程中都受到強烈的加熱。必須及時把這些熱量有效地傳遞出去，才能保證設(shè)備的安全經(jīng)濟運行。3.開發(fā)或選擇有效的冷卻方法，以提高發(fā)熱(受熱)元件或設(shè)備的冷卻效果，保障設(shè)備的安全、經(jīng)濟運行33大型發(fā)電機中的定子線圈與轉(zhuǎn)子線圈、電子器件中4.設(shè)計絕熱工程、開發(fā)絕熱技術(shù)，以節(jié)約能量、保護環(huán)境幾乎在所有的熱能利用與熱量傳遞場合，都會遇到不同程度的絕熱問題。例如各種工業(yè)爐、窯的爐墻保溫，工業(yè)與民用建筑的采暖與保溫，冷凍、冷藏食品的保存，特別是低溫與極低溫(4K)環(huán)境的保持都需要利用絕熱技術(shù)。344.設(shè)計絕熱工程、開發(fā)絕熱技術(shù)，以節(jié)約能量、5.預(yù)測加工制造工藝中工件內(nèi)部的溫度場，以合理地控制生產(chǎn)工藝過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，或為熱應(yīng)力、熱變形的計算提供依據(jù)在金屬材料的成型過程中會遇到大量的加熱、冷卻、金屬熔化及液態(tài)金屬凝固等復(fù)雜的傳熱問題，研究與預(yù)測這些工藝過程中工件的溫度場的變化，對于控制產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率具有重要意義。各種熱力設(shè)備，如汽輪機與鍋爐的汽包，起動、停車過程中在壁面中形成的溫差常比正常運行時大，造成較大的熱應(yīng)力。在這種情況下，必須運用傳熱學(xué)的知識計算溫度場、預(yù)測熱應(yīng)力，從而制定出可靠的起動、停車制度。電子設(shè)備、精密儀表在運行過程中同樣存在熱變形問題，因此設(shè)計時必須對不同環(huán)境條件下機內(nèi)溫度工況及變形有合理的計算。355.預(yù)測加工制造工藝中工件內(nèi)部的溫度場6.開發(fā)新能源、清潔能源，合理利用現(xiàn)有能源傳熱學(xué)在開發(fā)新能源中的作用可以太陽能利用作為典型。在合理利用現(xiàn)有能源方面，可以相變儲能技術(shù)的開發(fā)為例。為了解決普遍存在的日間用電高峰時段供不應(yīng)求，而后夜低谷時段電力富裕的問題(稱為峰谷差)，世界各國多采用相變儲能技術(shù)，即在夜間電網(wǎng)低谷電價較低時,采用電動制冷機將冷量儲蓄于蓄冷介質(zhì)中(如將水變成冰),然后在日間用電高峰期部分或完全停止電動機組的運行，將蓄冷裝置中的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調(diào)或生產(chǎn)工藝用冷的要求。實現(xiàn)這種蓄冷的關(guān)鍵問題之一是相變換熱的規(guī)律性研究。366.開發(fā)新能源、清潔能源，合理利用現(xiàn)有能源7.多孔介質(zhì)中的傳熱傳質(zhì)是與農(nóng)業(yè)、林業(yè)、食品等部門中的許多操作或工藝有關(guān)的基本物理過程多孔介質(zhì)是構(gòu)成地球生物圈的最基本的物質(zhì)形式。土壤、巖層、植物與動物肌體都屬于多孔介質(zhì)。土壤與植物中的水分遷移，食品、木材、藥品、農(nóng)產(chǎn)品的干燥等都與多孔介質(zhì)中的傳熱傳質(zhì)問題有關(guān)。土壤中熱質(zhì)遷移規(guī)律的研究對于土壤中的水分保持，肥、鹽、污染物的處理具有重要意義。又如，食品的真空冷凍干燥過程是多孔介質(zhì)中具有運動相界面的傳熱傳質(zhì)問題。這種方法可保留新鮮食品的色、香、味及維生素，是新一代的高質(zhì)量食品保存方法。真空冷卻的方法也用來冷卻經(jīng)烘焙殺菌的食品。377.多孔介質(zhì)中的傳熱傳質(zhì)是與農(nóng)業(yè)、林業(yè)、8.生物醫(yī)學(xué)工程中存在著大量涉及熱量傳遞各種方式及非牛頓流體的傳熱問題生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域存在著大量的能量傳遞及平衡的現(xiàn)象。首先，人體與環(huán)境的換熱就涉及到輻射及多種對流方式。人體向環(huán)境散熱規(guī)律的研究為設(shè)計舒適的環(huán)境(如轎車車內(nèi)環(huán)境)，提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在人體內(nèi)部更是進行著各種常伴有化學(xué)反應(yīng)的傳熱傳質(zhì)過程，并且經(jīng)常由于能量傳遞與質(zhì)量傳遞的不平衡導(dǎo)致人體內(nèi)局部或大面積的病變。正是由于傳熱、傳質(zhì)的基本規(guī)律在生命科學(xué)研究中的重要作用，最近十余年來已逐漸形成了傳熱傳質(zhì)學(xué)的一門分支學(xué)科——生物傳熱學(xué)。實際上，人體從各種食物中攝入的營養(yǎng)，最終大都以熱能的形式散逸于環(huán)境中，熱量傳遞過程在生命科學(xué)中的重要性由此可見。388.生物醫(yī)學(xué)工程中存在著大量涉及熱量傳遞各9.傳熱學(xué)的規(guī)律在發(fā)展熱、流科學(xué)測試儀器中具有重要作用熱線風速儀是利用對流換熱的原理來測量流速的一種儀器。熱線是一根直徑均勻的金屬細絲，通電受熱后置于與氣流流速垂直的位置時就構(gòu)成了外掠單管的換熱，此時一般有Nu=A+BRe0.5。通過這種半經(jīng)驗的關(guān)聯(lián)式可建立起熱絲的通電電流與風速之間的關(guān)系。目前，熱線風速儀可用來測定溫度、密度和濃度。應(yīng)用的另一個例子是依據(jù)傳熱學(xué)規(guī)律進行溫度測量的輻射溫度計。根據(jù)斯忒藩-玻耳茲曼定律,一個表面發(fā)出的輻射能正比于其溫度的四次方，因此，如果用一個感受元件來吸收物體發(fā)出的輻射能，原則上就可能感知該發(fā)射表面的溫度。利用檢測到的物體發(fā)出的紅外輻射，還可確定該物體的圖像，并對物體進行跟蹤與識別。399.傳熱學(xué)的規(guī)律在發(fā)展熱、流科學(xué)測試儀器中10.高新技術(shù)的發(fā)展不斷地向傳熱學(xué)研究提出新的挑戰(zhàn)20世紀最后20余年發(fā)展起來的高新技術(shù)常常與傳熱問題密切相關(guān)。例如，現(xiàn)代通訊工具的重要元件——光纖的生產(chǎn)過程與傳熱、傳質(zhì)及流動過程密切相關(guān)。盡管光纖的年生產(chǎn)量在飛速發(fā)展，然而光纖生產(chǎn)的質(zhì)量還不穩(wěn)定。光纖的制造過程是先將熔融狀態(tài)的硅棒拉成纖維，然后進入涂層區(qū)，將聚合物涂在制成的纖維的表面上，以保護其原有的玻璃表面及纖維強度。涂層后的光纖直徑幾乎加倍。涂層質(zhì)量的好壞嚴重影響光纖的光學(xué)特性。光纖涂層杯內(nèi)流動與換熱的情況十分復(fù)雜。查明這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)中的流動與換熱規(guī)律是掌握光纖涂層過程的機理所必須的。4010.高新技術(shù)的發(fā)展不斷地向傳熱學(xué)研究提出新完41完41第十章

幾個專題42第十章

幾個專題1第十章幾個專題10-1太陽能利用中的傳熱問題(371頁)10-2熱管及其應(yīng)用(376頁)10-3射流沖擊換熱(379頁)10-4傳質(zhì)過程簡介(382頁)10-5傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用(392頁)43第十章幾個專題10-1太陽能利用中的傳熱問題10-1太陽能利用中的傳熱問題太陽是個熾熱的氣團，它的內(nèi)部不斷地進行著核聚變反應(yīng)，由此產(chǎn)生的巨大能量以輻射方式向宇宙空間發(fā)射出去。到達地球大氣層外緣的能量，具有如圖10-1中位置較高的實線所示的光譜特性，近似于溫度為5762K的黑體輻射。4410-1太陽能利用中的傳熱問題太陽是個日地間的距離在一年中是有變化的。在日地平均距離處，大氣層外緣與太陽射線相垂直的單位表面積所接受到的太陽輻射能為。此值稱為太陽常數(shù)，記為Sc,它與地理位置或一天中的時間無關(guān)。實際上，大氣層外緣水平面上每單位面積接受到的太陽輻射能為：式中：f——地日距離修正系數(shù)，f=0.97~1.03；——太陽射線與地面法線間的夾角，稱天頂角。45日地間的距離在一年中是有變化的。在日地平均距在太陽能利用中會碰到許多傳熱問題，現(xiàn)以太陽能集熱器為例來分析。太陽能集熱器是將太陽能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)(水)的熱能的設(shè)備，典型的集熱器如圖10-3所示：太陽能在穿過透明的蓋板后投射到吸熱面上。為了提高效率，在吸熱面上常涂有對太陽輻射具有很高光譜吸收比的涂層。所謂太陽能集熱器的效率,可定義為集熱器的有效收益熱流密度qg與投入集熱器的太陽輻射Gs的比值，即：46在太陽能利用中會碰到許多傳熱問題，現(xiàn)以太陽能提高太陽能集熱器效率的途徑是，在保持最大限度采集太陽輻射的同時,盡可能減小其對流和輻射熱損失。措施之一是：利用對太陽光透明的玻璃或塑料薄膜使吸熱面不直接暴露于外界環(huán)境。如圖10-4所示，普通玻璃對m的熱輻射有很高的穿透比，而對>m的熱輻射的穿透比很小。于是大部分太陽輻射能穿過玻璃進入有吸熱面的腔內(nèi)，而吸熱面發(fā)出的常溫下的長波輻射卻被玻璃阻隔在腔內(nèi)，從而產(chǎn)生了所謂溫室效應(yīng)。47提高太陽能集熱器效率的途徑是，在保持最大限度吸熱面的輻射特性對集熱器效率也是重要的。以圖10-3所示的平板型集熱器為例，在熱穩(wěn)態(tài)情況下，集熱器單位面積的熱平衡方程為：可采用灰體平行平板間的輻射換熱公式計算：代入式(10-3)化簡，得：48吸熱面的輻射特性對集熱器效率也是重要的。以圖太陽能利用中吸熱面材料理想的輻射特性應(yīng)是：在0.3~3m的波長范圍內(nèi)的光譜吸收比接近于1，而在大于3m的波長范圍內(nèi)的光譜吸收比接近于零。即要求s盡可能大，而盡可能小。用人工的方法改造表面，如對材料表面覆蓋涂層是提高s/值的有效手段，這種涂層稱為光譜選擇性涂層，如在銅材上電鍍黑鎳鍍層，其吸收比特性如圖10-5中曲線2所示。黑鎳鍍層的厚度對表面特性的影響示于表10-1。49太陽能利用中吸熱面材料理想的輻射特性應(yīng)是：在表10-1黑鎳鍍層厚度對輻射特性的影響（鍍層表面溫度為50C）由表中可以看出，黑鎳鍍層使s/值可提高到10左右。50表10-1黑鎳鍍層厚度對輻射特性的影響（鍍層表面溫不僅人工研制的涂層表面對太陽能的吸收比不等于其自身的發(fā)射率，一般材料也常是如此。表10-2部分材料對太陽輻射的吸收比及自身發(fā)射率51不僅人工研制的涂層表面對太陽能的吸收比不等于10-2熱管及其應(yīng)用熱管是20世紀60年代發(fā)展起來的具有特別高的導(dǎo)熱性能的傳熱元件。圖10-6為其工作原理示意圖。工作液在熱管內(nèi)循環(huán)流動，把熱量從加熱段傳遞到散熱段。5210-2熱管及其應(yīng)用熱管是20世紀帶有吸液芯的熱管有突出的優(yōu)點——對蒸發(fā)段與冷凝段的位置沒有任何限制，但其制造成本較高，多用于航天事業(yè)中。地面上常采用依靠重力回流冷凝液的重力熱管。這時冷凝段必須位于蒸發(fā)段之上。如圖10-7所示。重力熱管中應(yīng)用最廣的是鋼-水熱管。鋼-水熱管在運行過程中會產(chǎn)生不凝結(jié)氣體——氫氣，并最終聚集到冷凝段使凝結(jié)換熱惡化，以致使熱管性能變壞或失效。這種現(xiàn)象稱為鋼-水的不相容性。53帶有吸液芯的熱管有突出的優(yōu)點——對蒸發(fā)段與冷下面我們以一根鋼-水重力熱管為例來分析其熱傳遞過程中各個環(huán)節(jié)的熱阻大小。設(shè)熱管的外徑do=25mm，內(nèi)徑di=21mm，蒸發(fā)段長度le及冷凝段長度lc均為1m，碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)=43.2W/(m·K)。熱量從熱流體傳到冷流體的過程中各個環(huán)節(jié)的熱阻如下：設(shè)蒸發(fā)段外表面總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為ho，e，則：(1).從熱流體到蒸發(fā)段外壁的換熱熱阻R1(2).從蒸發(fā)段外壁到內(nèi)壁的導(dǎo)熱熱阻R254下面我們以一根鋼-水重力熱管為例來分析其熱傳(3).蒸發(fā)段換熱熱阻R3

設(shè)蒸發(fā)換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi,e=5000W/(m2·K),則：(4).從蒸發(fā)段到冷凝段蒸汽流動的壓降所引起的熱阻R4

蒸汽的壓降導(dǎo)致飽和溫度下降,這等價于存在一個熱阻。但實際上由于壓降很小，因而所引起的相應(yīng)的溫差也很小，所以R40。(5).冷凝段固體壁面導(dǎo)熱熱阻R5

R5與R2相同，為6.410-4K/W。55(3).蒸發(fā)段換熱熱阻R3(4).從蒸發(fā)段到冷凝段(6).冷凝段換熱熱阻R6

取凝結(jié)換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為hi，c=6000W/(m2·K)，則(7).冷凝段外管壁與冷流體間的換熱熱阻設(shè)冷流體的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為ho，c，則在R1~R7中，屬于熱管內(nèi)部的熱阻為R2~R6，其和為6.7810-3K/W。一根長2m、直徑為25mm的銅棒的熱阻是上述鋼-水熱管的1500倍。熱管的這種特別優(yōu)良的導(dǎo)熱性能又被稱為“超導(dǎo)熱性”。56(6).冷凝段換熱熱阻R610-3射流沖擊換熱當需要在換熱表面的局部地區(qū)產(chǎn)生強烈的換熱效果時，可采用沖擊射流。沖擊射流已廣泛用于平板玻璃回火、金屬薄板退火、紡織品或紙張干燥、燃氣輪機葉片冷卻及電子器件冷卻等技術(shù)中。在這種換熱方式中，氣體或液體在壓差作用下通過一個圓形或窄縫形噴嘴垂直（或成一定傾角）地噴射到被冷卻的表面上，從而使直接受到?jīng)_擊的區(qū)域產(chǎn)生很強的換熱效果。如圖10-9、10-10所示。射流到達壁面前的區(qū)域稱為自由射流。抵達壁面后，射流向四周沿著壁面流開，形成貼壁射流區(qū)。固體表面上正對噴嘴中心處稱為滯止區(qū)。這里的局部換熱強度特別高。5710-3射流沖擊換熱當需要在換熱表面的局圖10-11示出了一些典型情況下滯止區(qū)及其附近局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化情況。*.滯止區(qū)以外的射流沖擊區(qū)域中的平均換熱特性為：58圖10-11示出了一些典型情況下滯止區(qū)及其附函數(shù)f1、f2、f3可按以下公式計算：式(10–6)、(10–7)的適用范圍為：在玻璃、紙張等的冷卻或干燥工藝中還經(jīng)常采用狹縫沖擊射流，此時噴嘴出口形狀為狹長的長方形，一般其寬度小于長度的十分之一。59函數(shù)f1、f2、f3可按以下公式計算：式(10–6)、(110-4傳質(zhì)過程簡介在含有兩種或兩種以上組分的流體內(nèi)部，如果有濃度梯度存在，則每一種組分都有向低濃度方向轉(zhuǎn)移，以減弱這種濃度不均勻的趨勢?；旌衔锏慕M分在濃度梯度作用下由高濃度向低濃度方向的轉(zhuǎn)移過程稱為傳質(zhì)，亦稱質(zhì)量傳遞。正如溫度差是熱量傳遞的推動力那樣，濃度差是質(zhì)量傳遞的推動力。衣服的晾干是日常生活中遇到的空氣-水分二元混合物的傳質(zhì)現(xiàn)象。在能源、動力、低溫工程、化工及環(huán)境保護等工程領(lǐng)域中，存在著大量的物料干燥、加濕、去濕、吸收、脫吸等傳質(zhì)過程。由于分子運動而引起的質(zhì)量傳遞過程稱為質(zhì)擴散；由于對流摻混而引起的質(zhì)量傳遞稱為質(zhì)對流。6010-4傳質(zhì)過程簡介在含有兩種或兩種以一.混合物濃度的表示方法組分的濃度通常用質(zhì)量濃度和物質(zhì)的量濃度c表示，其定義為：式中：、分別為混合物容積V中組分A及B的質(zhì)量；、分別為混合物容積V中組分A及B的物質(zhì)的量。61一.混合物濃度的表示方法組分的濃度通常用質(zhì)二.質(zhì)擴散裴克(Fick)定律及典型擴散過程如圖10-12所示，組分A及組分B被分隔在容器的兩側(cè)，抽去隔板時,由于濃度梯度的存在組分A、B相互擴散。單位時間內(nèi)在垂直于質(zhì)量擴散方向的面積上所擴散的組分，可用裴克定律計算：DAB為比例系數(shù)，稱為質(zhì)擴散率。下角碼AB表示物質(zhì)A向物質(zhì)B擴散;負號表示質(zhì)量通量密度及物質(zhì)的量的通量指向濃度降低的方向。62二.質(zhì)擴散裴克(Fick)定律及典型擴散過程*.兩種典型的擴散過程1.等摩爾逆向擴散：如圖10-13所示，設(shè)組分A、B以相同的物質(zhì)的量的通量密度向相反方向擴散，則稱這種擴散過程為等摩爾逆向擴散。計算式為：63*.兩種典型的擴散過程如圖10-13所因為NA=–NB，故得：則有：在氣體分離的蒸餾過程中，當?shù)头悬c組分和高沸點組分的潛熱相近時，高沸點組分凝結(jié)釋放出的熱量使相同物質(zhì)的量的低沸點組分汽化，則該過程可近似地按等摩爾逆向擴散來處理。64因為NA=–NB，故得：則有：在氣體分2.單向擴散考慮如圖10-14所示的量筒底部的水層向頂部大氣的擴散過程。由于水面上水分的蒸發(fā)，水蒸氣不斷地向上擴散。設(shè)在量筒口有一股極低流速的氣流不斷地把水蒸氣帶走，則可建立起一個穩(wěn)態(tài)的擴散過程來。假設(shè)：(1).擴散過程是穩(wěn)態(tài)的；(2).系統(tǒng)是等溫的；(3).水面上方氣空間的壓力p0為常數(shù)；(4).混合氣體可以作為理想氣體處理。652.單向擴散考慮如圖10-14所示的量筒底由假定知：空氣在水中的溶解度幾乎為零，因而不能向水中擴散。在這一過程中水面上的水蒸氣不斷向空氣擴散，而空氣不能進入水面，因而稱為單向擴散。量筒口處空氣的分壓力要大于水面上的分壓力，必然有空氣不斷地從量筒口向量筒底擴散，會在水平面上積聚起越來越多的空氣。為了維持一個穩(wěn)定的擴散過程，設(shè)想有一股沿水面法線方向向上流動的混合氣流，夾帶有空氣，以補償從量筒口向水面的空氣擴散。在量筒任一截面上這股氣流的流速應(yīng)使此處空氣的凈質(zhì)量交換率為零，即：66由假定知：空氣在水中的溶解度幾乎為零，因而不該截面上水蒸氣的總質(zhì)量交換率為：對于理想氣體，有：67該截面上水蒸氣的總質(zhì)量交換率為：對于理想氣體，有：26將式(e)代入式(d)得：這是在裴克定律的基礎(chǔ)上考慮了單向擴散后得出的物質(zhì)的量的通量密度計算式，稱為斯蒂芬(Stephan)定律。將式(a)代入式(10-16)得：積分得：68將式(e)代入式(d)得：這是在裴克定律的基礎(chǔ)上考慮了單向擴若以水蒸氣的氣體常數(shù)Rw來代替摩爾氣體常數(shù)R，則計算得到的是質(zhì)量通量密度，即：式(10–17)、(10–18)稱為斯蒂芬定律的積分表達式。69若以水蒸氣的氣體常數(shù)Rw來代替摩爾氣體常數(shù)R，則計算三.對流傳質(zhì)及表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)

對流傳質(zhì)是指當流體流經(jīng)一個相界面時與界面之間發(fā)生的質(zhì)量交換。計算公式為：70三.對流傳質(zhì)及表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)對流傳質(zhì)是指當流四.質(zhì)量與熱量同時傳遞的過程以干濕球溫度計為例來分析傳熱、傳質(zhì)過程中的溫度差及濃度差之間的關(guān)系。如圖10-16所示，當一股溫度為t、水蒸氣質(zhì)量濃度為的氣流吹過濕球時同時發(fā)生著對流傳質(zhì)及對流傳熱。*.單位水膜面積上的質(zhì)交換為：*.單位面積上的換熱量為：71四.質(zhì)量與熱量同時傳遞的過程以干濕球溫度計10-5傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用1.選用或發(fā)展合適的換熱關(guān)聯(lián)式，以便有效地設(shè)計各類熱交換設(shè)備：在能源、動力、化工、冶金等工程部門中大量地使用著各類熱交換設(shè)備。如火力發(fā)電廠中的鍋爐以及火力發(fā)電廠、核電廠的汽輪機系統(tǒng)中的凝汽器、除氧器、加熱器、冷卻塔，制冷與空調(diào)裝置中制冷介質(zhì)的蒸發(fā)器與冷凝器，石油、化工生產(chǎn)中用的加熱器、重沸器、蒸餾釜，冶金工業(yè)中的各種加熱爐、熱風爐等都是熱交換設(shè)備。傳熱學(xué)的應(yīng)用幾乎涉及到每一個技術(shù)領(lǐng)域。以下我們從10個方面概要介紹生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用傳熱學(xué)的目的或傳熱學(xué)在發(fā)展某些科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的作用。7210-5傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用12.利用或開發(fā)各種強化換熱的手段，以提高傳熱效果、降低材料消耗、改進設(shè)備緊湊性由于在許多工藝或生產(chǎn)過程中換熱器的投資占設(shè)備總投資相當大的比例或者是工藝過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因而如何強化傳熱、提高經(jīng)濟性就成為一項重要的工作。近20年來涌現(xiàn)出來的各種翅片管、緊湊式換熱器以及強化制冷劑凝結(jié)與沸騰的多種強化表面就是適應(yīng)這種需要的結(jié)果。732.利用或開發(fā)各種強化換熱的手段，以提高傳大型發(fā)電機中的定子線圈與轉(zhuǎn)子線圈、電子器件中大規(guī)模集成電路的芯片以及核反應(yīng)堆中的燃料棒，在運行中都會產(chǎn)生大量的熱量；燃氣輪機中轉(zhuǎn)子上的葉片、各種車輛發(fā)動機中的汽缸及重返大氣層時航天器的殼體，在運行過程中都受到強烈的加熱。必須及時把這些熱量有效地傳遞出去，才能保證設(shè)備的安全經(jīng)濟運行。3.開發(fā)或選擇有效的冷卻方法，以提高發(fā)熱(受熱)元件或設(shè)備的冷卻效果，保障設(shè)備的安全、經(jīng)濟運行74大型發(fā)電機中的定子線圈與轉(zhuǎn)子線圈、電子器件中4.設(shè)計絕熱工程、開發(fā)絕熱技術(shù)，以節(jié)約能量、保護環(huán)境幾乎在所有的熱能利用與熱量傳遞場合，都會遇到不同程度的絕熱問題。例如各種工業(yè)爐、窯的爐墻保溫，工業(yè)與民用建筑的采暖與保溫，冷凍、冷藏食品的保存，特別是低溫與極低溫(4K)環(huán)境的保持都需要利用絕熱技術(shù)。754.設(shè)計絕熱工程、開發(fā)絕熱技術(shù)，以節(jié)約能量、5.預(yù)測加工制造工藝中工件內(nèi)部的溫度場，以合理地控制生產(chǎn)工藝過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，或為熱應(yīng)力、熱變形的計算提供依據(jù)在金屬材料的成型過程中會遇到大量的加熱、冷卻、金屬熔化及液態(tài)金屬凝固等復(fù)雜的傳熱問題，研究與預(yù)測這些工藝過程中工件的溫度場的變化，對于控制產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率具有重要意義。各種熱力設(shè)備，如汽輪機與鍋爐的汽包，起動、停車過程中在壁面中形成的溫差常比正常運行時大，造成較大的熱應(yīng)力。在這種情況下，必須運用傳熱學(xué)的知識計算溫度場、預(yù)測熱應(yīng)力，從而制定出可靠的起動、停車制度。電子設(shè)備、精密儀表在運行過程中同樣存在熱變形問題，因此設(shè)計時必