熱量傳遞PPT課件

1、1 傳導傳熱 對流換熱 熱輻射 傳熱過程與換熱器第1頁/共33頁21 概 述傳遞過程動量傳遞能量傳遞質量傳遞流體力學傳熱學傳質學應用領域：各種工業(yè)窯爐及換熱設備的設計；核能、火箭等尖端技術；太陽能、地熱能和工業(yè)余熱利用；農業(yè)、生物、地質、氣象等部門。主要傳熱問題：一類是求解局部或者平均的傳熱速率的大??；另一類求解研究對象內部的溫度分布。第2頁/共33頁31.1 傳熱的基本方式與熱流速率的基本方程 熱力學第二定律：熱量總是自發(fā)地、不可逆地從高溫處流向低溫處。機理熱傳導熱對流熱輻射傳熱穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)tT 0即：有溫差存在，就會出現(xiàn)熱量的傳遞。第3頁/共33頁4熱傳導：兩個相互接觸的物體或同一物體的各部

2、分之間由于溫差而引起的熱量傳遞現(xiàn)象，簡稱導熱。通常發(fā)生在固體與固體之間。 通過平板的一維導熱 1) 對于x方向上一個厚度為dx的微元層，單位時間內通過該層的導熱熱量dtQkAdx= -QdtqkAdx= -一維穩(wěn)態(tài)導熱傅里葉定律數(shù)學表達式第4頁/共33頁5熱對流：依靠流體的運動，而引起流體與固體壁表面之間的傳熱。有流體參與，通常發(fā)生在氣-固、液-固之間。 有相變的對流換熱對流換熱量的基本計算式牛頓冷卻公式（1701年提出）：QAht=Dqht=D引起流體流動的原因導熱熱對流共同作用對流換熱自然對流強制對流沸騰換熱凝結換熱第5頁/共33頁輻射換熱輻射吸收共同作用6熱輻射：依靠物體表面對外發(fā)射可見

3、和不可見的電磁波來傳遞能量。輻射換熱特征傳熱方式：非接觸能量的轉移中伴隨著能量形式的轉換影響因素：溫度以及物體的屬性和表面狀況。物體內能電磁波能物體內能不需要直接接觸。第6頁/共33頁7斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律： 黑體是指能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能的物體。4QA Ts=經驗修正4QA Te s=四次方定律例：兩塊非常接近的互相平行的壁面間的輻射換熱: 441112(-)QATTes=8245.67 10w/(m K )s-=斯蒂芬-玻爾茲曼系數(shù)e物體輻射率，其值固液氣nkk晶體定形隨T ,金屬k非金屬k隨T ,氣體k液體k規(guī)律不同。不同物質的導熱系數(shù)保溫

4、材料：導熱系數(shù)不大于0. 2w/(m.k)。保溫機理：多孔狀。一般工程應用壓力范圍內，認為k僅與溫度有關，(1)0k kbt第12頁/共33頁132.3 導熱微分方程與定解條件()2deqkPtudmftrrrr=+炎+能量方程：微元體熱力學能(內能)增量：tdecdxdydzmdrtt=微元體內熱源的生成熱:qQdxdydzmr=可逆膨脹功：()0Pur=摩擦耗散功：0mfr=()()()ttttckkkQxxyyzzrt抖抖抖=+抖抖抖1）直角坐標系第13頁/共33頁222222()ttttQaxyzctr抖抖=+抖抖14導熱系數(shù)為常數(shù)導熱系數(shù)為常數(shù)、無內熱源222222()ttttaxy

5、zt抖抖=+抖抖導熱系數(shù)為常數(shù)、穩(wěn)態(tài)導熱導熱系數(shù)為常數(shù)、無內熱源、穩(wěn)態(tài)導熱2222220tttQxyzk抖+=抖泊松方程2222220tttxyz抖+=抖拉普拉斯方程導熱系數(shù)為常數(shù)、無內熱源、一維穩(wěn)態(tài)導熱220tx=熱擴散率內部溫度均勻化的能力kcar=第14頁/共33頁152）徑向坐標系圓柱坐標系球坐標系211()()()ttttckrkkQrrrrzzrtff抖抖抖=+抖抖抖222222111()()( sin)sinsinttttckrkkQrrrrrrqtqffqqq抖抖抖=+抖抖抖第15頁/共33頁16定解條件包括：幾何條件 、物理條件 、初始條件和邊界條件。 三類邊界條件第一類邊界

6、條件wstt=非穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)wt常 數(shù)=()wtft=第二類邊界條件wsqq=或wsqtnk-=非穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)wq =常數(shù)( )wqft=第三類邊界條件：fth()fsstkh ttn-=-穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)hft與時間無關hft與時間函數(shù)關系幾何條件：給定導熱體的幾何形狀、尺寸及相對位置物理條件： =0時，導熱體內的溫度分布。穩(wěn)態(tài)無初始條件。導熱體各物理參數(shù)的大小、內熱源分布狀況邊界條件：給定導熱體各邊界上的熱狀態(tài)。初始條件：第16頁/共33頁172.4 穩(wěn)態(tài)導熱分析與計算 通過單層平壁的導熱1) 一維穩(wěn)態(tài)導熱已知:平壁的兩個表面分別維持均勻且恒定的溫度tw1和tw2，無內熱源，壁厚為。 解：導熱系數(shù)k常數(shù)

7、，無內熱源、一維、穩(wěn)態(tài)導熱微分方程式220d tdx=t=C1x+C2 x= 0 時t= tw1x=時t= tw2 211wwwtttxtd-=+21wwttdtdxd-=12()wwk ttkqtdd-= - D表面積為A kQAtd= -D第17頁/共33頁18 通過多層平壁的導熱已知：各層的厚度1、2、3，各層的導熱系數(shù) k1 、k2和k3及多層壁兩表面的溫度tw1和tw4。 解：121123223433wwwwwwttqkttqkttqkddd-=-=-= 14312123wwttqkkkddd-=+14312123wwttqkkkddd-=+1(1)1ww mniiittqkd+=-

8、=求：各層間分界面上的溫度。1211wwttqkd=-3343wwtqtkd=-第18頁/共33頁1914131241234()wwttqkkkkdddd-=+131241234()Rtkkkkdddd-=+第19頁/共33頁20 通過圓筒壁的導熱已知：一個內外半徑分別為 r1 、r2的圓筒壁，其內、外表面溫度分別維持均勻恒定的溫度t1和t2。 求：通過圓筒壁的導熱量及壁內的溫度分布。解：()0ddtrdrdr=12lntCrC=+211121ln( / )ln(/ )ttttr rrr-=+1221ln(/ )ttkqkrrrrt-=-12212()2ln(/ )kl ttQqrlrrpp-

9、=21ln(/)2kddtRQklpD=142113224332 ()ln(/)/ln(/)/ln(/)/l ttQddkddkddkp-=+r = r1時 t = t1 r = r2時 t = t2通過多層圓筒壁的導熱一維、穩(wěn)態(tài)、無內熱源柱體導熱第20頁/共33頁21多維穩(wěn)態(tài)導熱a、二維、穩(wěn)態(tài)導熱問題分析解法矩形區(qū)域中的二維穩(wěn)態(tài)導熱22220ttxy抖+=抖（0 xb，0y） 例：二維矩形物體的三個邊界溫度均為t1，第四個邊界溫度為t2，無內熱源，導熱系數(shù)k為常數(shù)，確定物體中的溫度分布。 解：121tttt-Q =-(0, )0; ( , )0( ,0)0; ( , )1yb yxxdQ=Q

10、= Q=Q= 22220 xy Q Q+=抖用分離變量法，設(x,y)=X(x)Y(y)，并利用傅里葉級數(shù)，得：112(1)1sinh(/ )( , )sinsinh(/ )nnn xn y bx ynbnbppppd+=-+Q=過余溫度1(0, );tyt=1( , )t b yt=1( ,0);t xt=2( , )t xtd=第21頁/共33頁22b、形狀因子法12()Qk tSt=-ASd=QktAd=D例：一傳達室，室內面積為34(m2)，高度為2.8m，紅磚墻厚度為240mm，紅磚的導熱系數(shù)為0.43W/(m.K)。已知墻內表面溫度為20，外表面溫度為5 ，求通過傳達室四周墻壁的散

11、熱量。解：1132.8350.24ASmd=30.540.542.81.512Slm=2242.846.670.24ASmd=()1232242185.10QSSSktW=+D=形狀因子第22頁/共33頁232.5 非穩(wěn)態(tài)導熱瞬態(tài)導熱：物體的溫度隨時間的推移逐漸趨近于恒定的值周期性導熱：物體的溫度隨時間周期性變化非穩(wěn)態(tài)導熱基本概念物體的溫度變化過程：t1t001234非正規(guī)狀態(tài)階段正規(guī)狀態(tài)階段溫度分布主要受初始溫度分布控制溫度分布主要取決于邊界條件及物性第23頁/共33頁241.hkRR2.hkRR以第三類邊界條件為重點ttfhtfhx0問題的分析 如圖所示，存在兩個換熱環(huán)節(jié)：a 流體與物體表

12、面的對流換熱環(huán)節(jié) b 物體內部的導熱1hRhkRk有如下三種可能：對流換熱很快，忽略對流傳導換熱很快，忽略導熱都存在khRR 0khRRkhRR有限大小3.hkRR第24頁/共33頁25畢渥數(shù)BiBi 準數(shù)對無限大平壁溫度分布的影響t0iB0iB 1232121100000tt0tt0tt2310ttt-xxoxo-x-xoxiB Bi 0Bi Bi 有限大小與外界條件無關與內部條件無關同時受內部、外界條件影響1khRkhBiRhk第25頁/共33頁26集總參數(shù)法分析求解1 定義：忽略物體內部導熱熱阻、認為物體溫度均勻一致分析方法。此時 ，溫度分布只與時間有關，即 ，與空間位置無關，因此，也稱

13、為零維問題。 0Bi )(ft 2 溫度分布如圖所示，任意形狀的物體，參數(shù)均為已知00tt時，將其突然置于溫度恒為t 的流體中0 or0,hBihor kk，第26頁/共33頁27忽略內部熱阻（t=f()）、非穩(wěn)態(tài)、有內熱源，能量方程可化為：ddtVctthA-)(00)0(-ttddVchAtQc其中 應看成是廣義熱源，即界面上交換的熱量可折算成整個物體的體積熱源 Q)( ttAhVQ集總參數(shù)法方程令過余溫度tt ，有：積分 00dcVhAd)exp(00 cVhAtttt 第27頁/共33頁28對上式進行整理，得：0Aexp()hVckkAVlkc20exp()exp()vvl alhBi

14、 Fok令： 為時間常數(shù)，表示物體蓄熱量與表面換熱量之比hAcVc當c：00exp( 1)0.36836.8%tttt當4c：0exp( 4)1.83%工程上認為此時已達到熱平衡狀態(tài)當0：000exp(0)1100%tttt 1hll kBikh物體內部導熱熱阻物體表面對流換熱熱阻22Flol a換熱時間邊界熱擾動擴散到 面積上所需的時間Fo越大，熱擾動就能越深入地傳播到物體內部，物體內度就越接近周圍介質的溫度。第28頁/共33頁29200exp()exp()vvl atthBi Fotltk在物體內部導熱熱阻可以忽略時，上式適用于冷卻，加熱場合，又稱為牛頓冷卻或牛頓加熱。對于球、板和柱體，當Bi滿足：MkAVhBiv1 . 0)/(無限大平板，M1無限長圓柱，M1/2球，M1/3可以采用集總參數(shù)法進行分析。采用此判據時，物體中各點過余溫度的差別小于5%第29頁/共33頁30例：一直徑為5cm的鋼球，初始溫度為450，突然被置于溫度為30的空氣中。設鋼球表面與周圍環(huán)境間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為24W/(m2K)，試計算鋼球冷卻到300所需的時間。已知鋼球的c=0.48 kJ/(kgK)，=7753 kg/m3，k=33 W/(mK)。 【解】 首先檢驗是否可用集總參數(shù)法。鋼球 M=1/30333. 01 . 0006