傳熱學知識點

傳熱學知識點

傳熱學主要知識點：熱量傳遞有三種基本方式：導熱、對流和熱輻射。導熱的特點包括必須有溫差、物體直接接觸、依靠微觀粒子熱運動傳遞熱量等，而在引力場下單純的導熱一般只發(fā)生在密實的固體中。對流是指流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運動而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。對流換熱具有導熱與熱對流同時存在的復雜熱傳遞過程、必須有直接接觸和宏觀運動、以及壁面處會形成速度梯度很大的邊界層等特點。牛頓冷卻公式的基本表達式為q''=h(t_w-t_\infty)(w)，其中h是對流換熱系數(shù)、q''是熱流密度、\phi是導熱量，單位分別為w/(m2·k)、W/m2、W。熱輻射的特點包括任何物體只要溫度高于0K就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射、可以在真空中傳播、伴隨能量形式的轉變、具有強烈的方向性、輻射能與溫度和波長均有關、發(fā)射輻射取決于溫度的4次方等。導熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱系數(shù)之間的區(qū)別在于導熱系數(shù)是表征材料導熱能力的物性參數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是單位時間內(nèi)流體與壁面溫度相差1度時每單位壁面面積所傳遞的熱量、傳熱系數(shù)是表征傳熱過程強烈程度的標尺。第一章導熱理論基礎：傅立葉定律是導熱基本定律，其基本表達式為q''=-k?T，其中k是導熱系數(shù)、T為標量溫度場。在圓筒壁表面，垂直導過等溫面的熱流密度正比于該處的溫度梯度，方向與溫度梯度相反?？障吨谐溆锌諝鈺r，空氣導熱系數(shù)小，因此保溫性好；但空隙太大會形成自然對流換熱，輻射的影響也會增強，因此并非空隙越大越好。由于水分滲入，會替代相當一部分空氣，而且更重要的是水分會從高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移，傳遞熱量。因此，在建筑物的圍護結構，特別是冷、熱設備的保溫層中，應采取防潮措施。導熱微分方程式是理論基礎，它基于傅里葉定律和熱力學第一定律。該方程式描述了導熱與導出凈熱量的關系，微元產(chǎn)生的熱量等于微元的內(nèi)能變化量。如果導熱率是常量，則可以應用一維或三維導熱微分方程式進行計算。如果沒有內(nèi)熱源，則可以使用一維導熱微分方程式計算溫度隨時間的變化率。熱擴散率（用a表示）反映了導熱過程中材料的導熱能力與沿途物質儲熱能力之間的關系。值越大，即λ值大或ρc值小，說明物體的某一部分一旦獲得熱量，該熱量能在整個物體中很快擴散。熱擴散率表征物體被加熱或冷卻時，物體內(nèi)各部分溫度趨向于均勻一致的能力。熱擴散率反應導熱過程動態(tài)特性，是研究不穩(wěn)態(tài)導熱的重要物理量。導熱微分方程式可以描寫物體的溫度隨時間和空間變化的關系，但它沒有涉及具體、特定的導熱過程。對特定的導熱過程，需要補充單值性條件，才能得到特定問題的唯一解。單值性條件包括四項：幾何條件、物理條件、時間條件（初始條件）、邊界條件。邊界條件說明導熱體邊界上過程進行的特點，反映過程與周圍環(huán)境相互作用的條件。有三種邊界條件：第一類邊界條件已知任一瞬間導熱體邊界上溫度值；第二類邊界條件已知物體邊界上熱流密度的分布及變化規(guī)律，相當于已知任何時刻物體邊界面法向的溫度梯度值；第三類邊界條件是當物體壁面與流體相接觸進行對流換熱時，已知任一時刻邊界面周圍流體的溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。在建筑領域，穩(wěn)態(tài)導熱是一個重要的概念。徑向系統(tǒng)的熱阻包括導熱熱阻和對流熱阻。1.分析如何增加傳熱量為了增加傳熱量，可以采取以下措施：(1)增加平壁兩邊的溫差（T∞,1-T∞,2），但受工藝條件限制。(2)減小熱阻：a)金屬壁一般很薄(L很小)、熱導率很大，故導熱熱阻一般可忽略。b)增大h1、h2，但提高h1、h2并非任意的。c)增大換熱面積A也能增加傳熱量。在一些換熱設備中，在換熱面上加裝肋片是增大換熱量的重要手段。2.管道外覆蓋保溫層是否能減少熱損失？不是，只有當管道外徑大于臨界熱絕緣直徑時，覆蓋保溫層才能減小熱損失。此外，還需要考慮接觸熱阻的影響。實際固體表面不是理想平整的，所以兩固體表面直接接觸的界面容易出現(xiàn)點接觸，或者只是部分的而不是完全的和平整的面接觸，給導熱帶來額外的熱阻，即接觸熱阻。3.形狀因子的定義及作用為了便于工程設計計算，對于有些二維、三維的穩(wěn)態(tài)導熱問題，針對已知兩個恒定溫度邊界之間的導熱熱流量，可以采用一種簡便的計算公式。在這種公式中，將有關涉及物體幾何形狀和尺寸的因素歸納在一起，稱為形狀因子。4.非穩(wěn)態(tài)導熱的分類及Bi準則數(shù)、Fo準則數(shù)的定義和物理意義非穩(wěn)態(tài)導熱分為周期性非穩(wěn)態(tài)導熱和瞬態(tài)非穩(wěn)態(tài)導熱。在瞬態(tài)導熱問題中，Bi準則數(shù)和Fo準則數(shù)是兩個重要的參數(shù)。Bi準則數(shù)表示物體內(nèi)部導熱熱阻與物體表面對流換熱熱阻之比，即Lh/λk。如果Bi<0.1，可以采用集總熱容法計算。Fo準則數(shù)表示瞬態(tài)過程中，物體內(nèi)部熱擴散時間和物體表面對流換熱時間之比，即αt/L^2。當Fo<0.2時，可以近似為一維問題。Fo數(shù)是非穩(wěn)態(tài)導熱過程的無量綱時間，它在穩(wěn)態(tài)導熱過程中起到了重要作用。當Fo值越大時，熱擾動越能深入地傳播到物體內(nèi)部，使物體內(nèi)部各點溫度趨于均勻一致，并接近于周圍介質溫度。集總參數(shù)法是一種忽略物體內(nèi)部導熱熱阻的分析方法，它認為物體溫度均勻一致，溫度分布只與時間有關，與空間位置無關。應用條件是Bi值小于0.1。熱時間常數(shù)用來確定固體達到某個溫度所需的時間，它可以反向計算在某一個時間到達的溫度。熱時間常數(shù)的數(shù)值越小表示測溫元件越能迅速地反映流體的溫度變化。在非穩(wěn)態(tài)導熱的正常情況階段，當Fo值大于等于0.2時，物體中任何給定地點過余溫度的對數(shù)值將隨時間按線性規(guī)律變化，這個階段稱為瞬態(tài)溫度變化的正常情況階段。半無限大物體是指以無限大的y-z平面為界面，在正x方向伸延至無窮遠的物體。在實際工程中，對于一個有限厚度的物體，在所考慮的時間范圍內(nèi)，若滲透厚度小于本身的厚度，可以認為該物體是個半無限大物體。數(shù)值解法是一種將原來在時間和空間連續(xù)的物理量的場用有限個離散點上的值的集合來代替的方法，通過求解建立的關于這些值的代數(shù)方程，獲得離散點上被求物理量的值。熱平衡法的基本思想是對每個有限大小的控制容積應用能量守恒，從而獲得溫度場的代數(shù)方程組，它從基本物理現(xiàn)象和基本定律出發(fā)，不必事先建立控制方程，依據(jù)能量守恒和傅立葉導熱定律即可。對流換熱是指流體的導熱和對流兩種傳熱方式共同作用的結果。其影響因素包括流動起因、流動狀態(tài)、流體有無相變、換熱表面的幾何因素和流體的熱物理性質。對流換熱可以根據(jù)流動起因、流動狀態(tài)、流體有無相變和換熱表面的幾何因素進行分類，包括自然對流和強制對流、層流和紊流、單相換熱和相變換熱、內(nèi)部流動對流換熱和外部流動對流換熱。對流換熱問題的數(shù)學描寫中包括連續(xù)性方程、動量微分方程、能量微分方程和對流換熱過程微分方程式。邊界層概念的基本思想是將流場劃分為邊界層區(qū)和主流區(qū)。邊界層區(qū)受流體粘性作用主導，其運動可用粘性流體運動微分方程描述；而主流區(qū)可視為無粘性理想流體，其運動可用歐拉方程描述。流動邊界層的幾個重要特性包括邊界層厚度極小、存在較大的速度梯度、流態(tài)分層流與湍流，以及可以劃分為熱邊界層區(qū)與等溫流動區(qū)。數(shù)量級分析的方法是比較方程中各量或各項的量級的相對大小，保留量級較大的量或項，舍去那些量級小的項，從而簡化方程。相似理論回答了關于試驗的哪三大問題，包括應測量哪些物理量、如何整理實驗數(shù)據(jù)以及如何進行試驗并推廣應用。Nu、Re、Pr和Gr準則數(shù)分別表征壁面法向無量綱過余溫度梯度的大小、流體流動時慣性力與粘滯力的相對大小、流體的熱物理性質和自然對流的強度。物性準則反映了流體動量傳遞能力和熱量傳遞能力的相對大小，而Gr數(shù)則表征了浮升力和粘滯力的相對大小，對自然對流流態(tài)的對換熱有影響。在對流條件下，相似參數(shù)的重要性在于可以將一組表面得到的結果應用于所處條件完全不同但幾何相似的表面。邊界層相似引入了重要的無量綱相似參數(shù)，如雷諾數(shù)Re、普朗特數(shù)Pr和施密特數(shù)Sc。對于管內(nèi)受迫對流換熱，采用短管和彎管可以強化流體的換熱。短管因為入口處邊界層較薄，對流換熱強度較大；彎管則由于離心力作用產(chǎn)生二次回流，對邊界層形成一定擾動。對于紊流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素，各因素的大小可以表示為h=f(u^0.8,λ^0.6,cp^0.4,ρ^0.8,μ^-0.4,d^-0.2)。在空氣橫掠管束時，管排數(shù)越多，換熱越強。這是因為前排管子后形成的渦旋對后排管子上的邊界層造成一定的擾動作用，有利于換熱。自然對流紊流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與定型尺寸無關，這種現(xiàn)象被稱為自模化現(xiàn)象。利用這一特征，紊流換熱實驗研究可以采用較小尺寸的物體進行，只要求實驗現(xiàn)象的Gr·Pr值處于紊流范圍。(2)特點：不需要介質傳遞，可以在真空中傳播；輻射強度與溫度的四次方成正比；輻射波長范圍廣，從長波紅外線到短波紫外線都有；輻射方向性強，與物體表面形狀相關。2．黑體輻射的概念和性質。(1)概念：指完全吸收所有輻射能的物體，不反射、不透過、不漏射輻射能量。(2)性質：黑體輻射具有唯一的輻射能量分布，即普朗克輻射定律；黑體輻射的輻射強度最大，即斯特藩-玻爾茲曼定律；黑體輻射的總輻射能量與溫度的四次方成正比，即斯特藩-玻爾茲曼定律。3．灰體和白體的概念及其特點。(1)灰體：指吸收、反射、透過輻射能量的能力介于黑體和白體之間的物體。(2)白體：指完全反射所有輻射能的物體，不吸收、不透過、不漏射輻射能量。(3)特點：灰體輻射的輻射強度比黑體輻射弱，但具有相同的輻射能量分布；白體不發(fā)出任何輻射能，只反射入射輻射能。4．斯特藩-玻爾茲曼定律和維恩位移定律的概念和公式。(1)斯特藩-玻爾茲曼定律：黑體輻射的總輻射能量與溫度的四次方成正比，公式為Q=σT^4，其中Q為輻射能量，σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度。(2)維恩位移定律：黑體輻射的輻射能量分布峰值波長與溫度呈反比關系，公式為λmaxT=b，其中λmax為峰值波長，T為溫度，b為維恩位移常數(shù)。5．輻射傳熱的基本形式和影響因素。(1)基本形式：輻射傳熱是通過熱輻射傳遞能量的方式進行的，其傳熱速率與物體表面溫度、表面形狀、表面顏色、輻射波長等因素有關。(2)影響因素：物體表面溫度越高，輻射傳熱速率越快；表面形狀和顏色影響輻射發(fā)射和吸收能力；輻射波長與物體表面溫度有關，波長越短，溫度越高，輻射能量越大。有哪些？間壁式換熱器主要型式包括板式換熱器、螺旋板式換熱器、管殼式換熱器、管束式換熱器等。其中，板式換熱器和管殼式換熱器是應用最廣泛的兩種形式。3．什么是熱傳導？熱傳導是指物質內(nèi)部或不同物質之間因溫度差而發(fā)生的熱量傳遞過程。在熱傳導中，熱量沿著溫度梯度從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞，傳遞的速率與溫度梯度成正比，與物質的熱導率和厚度成反比。4．什么是對流傳熱？對流傳熱是指流體內(nèi)部或流體與固體之間因溫度差而發(fā)生的熱量傳遞過程。在對流傳熱中，熱量通過流體的流動而傳遞，傳遞的速率與流體的流速和溫度梯度成正比，與流體的熱導率和流體與固體的接觸面積成反比。1.套管式換熱器是一種簡單的間壁式換熱器，適用于傳熱量較小或流量較小的情形。流體可以有順流和逆流兩種情況。2.管殼式換熱器是一種主要的間壁式換熱器，傳熱面由管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。3.交叉流換熱器是另一種主要的間壁式換熱器，其特點是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分為管束式、管翅式和板翅式三種。緊湊程度可以用單位體積內(nèi)所包含的換熱面積來衡量，大于700m2/m3的換熱器被稱為緊湊式換熱器，板翅式換熱器多屬于緊湊式，因此越來越受到重視。4.板式換熱器由一組幾何結構相同的平行薄平板疊加而成，冷熱流體間隔地在每個通道中流動。其特點是拆卸清洗方便，適用于含有易結垢物的流體。5.螺旋板式換熱器的換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，具有換熱效果好的優(yōu)點，但密封比較困難。對數(shù)平均溫差公式可用于計算。6.換熱器熱計算的基本方法包括平均溫差法和效能-傳熱單元數(shù)法。7.換熱器的