傳熱學(xué)知識(shí)點(diǎn)

傳熱學(xué)知識(shí)點(diǎn)

傳熱學(xué)主要知識(shí)點(diǎn)：熱量傳遞有三種基本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射。導(dǎo)熱的特點(diǎn)包括必須有溫差、物體直接接觸、依靠微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)傳遞熱量等，而在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱一般只發(fā)生在密實(shí)的固體中。對(duì)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(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。對(duì)流換熱具有導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)程、必須有直接接觸和宏觀運(yùn)動(dòng)、以及壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層等特點(diǎn)。牛頓冷卻公式的基本表達(dá)式為q''=h(t_w-t_\infty)(w)，其中h是對(duì)流換熱系數(shù)、q''是熱流密度、\phi是導(dǎo)熱量，單位分別為w/(m2·k)、W/m2、W。熱輻射的特點(diǎn)包括任何物體只要溫度高于0K就會(huì)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(zhuǎn)變、具有強(qiáng)烈的方向性、輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)、發(fā)射輻射取決于溫度的4次方等。導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱能力的物性參數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是單位時(shí)間內(nèi)流體與壁面溫度相差1度時(shí)每單位壁面面積所傳遞的熱量、傳熱系數(shù)是表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺。第一章導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)：傅立葉定律是導(dǎo)熱基本定律，其基本表達(dá)式為q''=-k?T，其中k是導(dǎo)熱系數(shù)、T為標(biāo)量溫度場(chǎng)。在圓筒壁表面，垂直導(dǎo)過(guò)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(shí)，空氣導(dǎo)熱系數(shù)小，因此保溫性好；但空隙太大會(huì)形成自然對(duì)流換熱，輻射的影響也會(huì)增強(qiáng)，因此并非空隙越大越好。由于水分滲入，會(huì)替代相當(dāng)一部分空氣，而且更重要的是水分會(huì)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(hù)結(jié)構(gòu)，特別是冷、熱設(shè)備的保溫層中，應(yīng)采取防潮措施。導(dǎo)熱微分方程式是理論基礎(chǔ)，它基于傅里葉定律和熱力學(xué)第一定律。該方程式描述了導(dǎo)熱與導(dǎo)出凈熱量的關(guān)系，微元產(chǎn)生的熱量等于微元的內(nèi)能變化量。如果導(dǎo)熱率是常量，則可以應(yīng)用一維或三維導(dǎo)熱微分方程式進(jìn)行計(jì)算。如果沒(méi)有內(nèi)熱源，則可以使用一維導(dǎo)熱微分方程式計(jì)算溫度隨時(shí)間的變化率。熱擴(kuò)散率（用a表示）反映了導(dǎo)熱過(guò)程中材料的導(dǎo)熱能力與沿途物質(zhì)儲(chǔ)熱能力之間的關(guān)系。值越大，即λ值大或ρc值小，說(shuō)明物體的某一部分一旦獲得熱量，該熱量能在整個(gè)物體中很快擴(kuò)散。熱擴(kuò)散率表征物體被加熱或冷卻時(shí)，物體內(nèi)各部分溫度趨向于均勻一致的能力。熱擴(kuò)散率反應(yīng)導(dǎo)熱過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，是研究不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的重要物理量。導(dǎo)熱微分方程式可以描寫(xiě)物體的溫度隨時(shí)間和空間變化的關(guān)系，但它沒(méi)有涉及具體、特定的導(dǎo)熱過(guò)程。對(duì)特定的導(dǎo)熱過(guò)程，需要補(bǔ)充單值性條件，才能得到特定問(wèn)題的唯一解。單值性條件包括四項(xiàng)：幾何條件、物理?xiàng)l件、時(shí)間條件（初始條件）、邊界條件。邊界條件說(shuō)明導(dǎo)熱體邊界上過(guò)程進(jìn)行的特點(diǎn)，反映過(guò)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(dǎo)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(dāng)于已知任何時(shí)刻物體邊界面法向的溫度梯度值；第三類邊界條件是當(dāng)物體壁面與流體相接觸進(jìn)行對(duì)流換熱時(shí)，已知任一時(shí)刻邊界面周圍流體的溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。在建筑領(lǐng)域，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱是一個(gè)重要的概念。徑向系統(tǒng)的熱阻包括導(dǎo)熱熱阻和對(duì)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(dǎo)率很大，故導(dǎo)熱熱阻一般可忽略。b)增大h1、h2，但提高h(yuǎn)1、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(shè)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(dāng)管道外徑大于臨界熱絕緣直徑時(shí)，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(shí)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(diǎn)接觸，或者只是部分的而不是完全的和平整的面接觸，給導(dǎo)熱帶來(lái)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(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)于有些二維、三維的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，針對(duì)已知兩個(gè)恒定溫度邊界之間的導(dǎo)熱熱流量，可以采用一種簡(jiǎn)便的計(jì)算公式。在這種公式中，將有關(guān)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(dǎo)熱的分類及Bi準(zhǔn)則數(shù)、Fo準(zhǔn)則數(shù)的定義和物理意義非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分為周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和瞬態(tài)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。在瞬態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題中，Bi準(zhǔn)則數(shù)和Fo準(zhǔn)則數(shù)是兩個(gè)重要的參數(shù)。Bi準(zhǔn)則數(shù)表示物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與物體表面對(duì)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(jì)算。Fo準(zhǔn)則數(shù)表示瞬態(tài)過(guò)程中，物體內(nèi)部熱擴(kuò)散時(shí)間和物體表面對(duì)流換熱時(shí)間之比，即αt/L^2。當(dāng)Fo<0.2時(shí)，可以近似為一維問(wèn)題。Fo數(shù)是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程的無(wú)量綱時(shí)間，它在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中起到了重要作用。當(dāng)Fo值越大時(shí)，熱擾動(dòng)越能深入地傳播到物體內(nèi)部，使物體內(nèi)部各點(diǎn)溫度趨于均勻一致，并接近于周圍介質(zhì)溫度。集總參數(shù)法是一種忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的分析方法，它認(rèn)為物體溫度均勻一致，溫度分布只與時(shí)間有關(guān)，與空間位置無(wú)關(guān)。應(yīng)用條件是Bi值小于0.1。熱時(shí)間常數(shù)用來(lái)確定固體達(dá)到某個(gè)溫度所需的時(shí)間，它可以反向計(jì)算在某一個(gè)時(shí)間到達(dá)的溫度。熱時(shí)間常數(shù)的數(shù)值越小表示測(cè)溫元件越能迅速地反映流體的溫度變化。在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的正常情況階段，當(dāng)Fo值大于等于0.2時(shí)，物體中任何給定地點(diǎn)過(guò)余溫度的對(duì)數(shù)值將隨時(shí)間按線性規(guī)律變化，這個(gè)階段稱為瞬態(tài)溫度變化的正常情況階段。半無(wú)限大物體是指以無(wú)限大的y-z平面為界面，在正x方向伸延至無(wú)窮遠(yuǎn)的物體。在實(shí)際工程中，對(duì)于一個(gè)有限厚度的物體，在所考慮的時(shí)間范圍內(nèi)，若滲透厚度小于本身的厚度，可以認(rèn)為該物體是個(gè)半無(wú)限大物體。數(shù)值解法是一種將原來(lái)在時(shí)間和空間連續(xù)的物理量的場(chǎng)用有限個(gè)離散點(diǎn)上的值的集合來(lái)代替的方法，通過(guò)求解建立的關(guān)于這些值的代數(shù)方程，獲得離散點(diǎn)上被求物理量的值。熱平衡法的基本思想是對(duì)每個(gè)有限大小的控制容積應(yīng)用能量守恒，從而獲得溫度場(chǎng)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(dǎo)熱定律即可。對(duì)流換熱是指流體的導(dǎo)熱和對(duì)流兩種傳熱方式共同作用的結(jié)果。其影響因素包括流動(dòng)起因、流動(dòng)狀態(tài)、流體有無(wú)相變、換熱表面的幾何因素和流體的熱物理性質(zhì)。對(duì)流換熱可以根據(jù)流動(dòng)起因、流動(dòng)狀態(tài)、流體有無(wú)相變和換熱表面的幾何因素進(jìn)行分類，包括自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流、層流和紊流、單相換熱和相變換熱、內(nèi)部流動(dòng)對(duì)流換熱和外部流動(dòng)對(duì)流換熱。對(duì)流換熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描寫(xiě)中包括連續(xù)性方程、動(dòng)量微分方程、能量微分方程和對(duì)流換熱過(guò)程微分方程式。邊界層概念的基本思想是將流場(chǎng)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(dǎo)，其運(yùn)動(dòng)可用粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程描述；而主流區(qū)可視為無(wú)粘性理想流體，其運(yùn)動(dòng)可用歐拉方程描述。流動(dòng)邊界層的幾個(gè)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(dòng)區(qū)。數(shù)量級(jí)分析的方法是比較方程中各量或各項(xiàng)的量級(jí)的相對(duì)大小，保留量級(jí)較大的量或項(xiàng)，舍去那些量級(jí)小的項(xiàng)，從而簡(jiǎn)化方程。相似理論回答了關(guān)于試驗(yàn)的哪三大問(wèn)題，包括應(yīng)測(cè)量哪些物理量、如何整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及如何進(jìn)行試驗(yàn)并推廣應(yīng)用。Nu、Re、Pr和Gr準(zhǔn)則數(shù)分別表征壁面法向無(wú)量綱過(guò)余溫度梯度的大小、流體流動(dòng)時(shí)慣性力與粘滯力的相對(duì)大小、流體的熱物理性質(zhì)和自然對(duì)流的強(qiáng)度。物性準(zhǔn)則反映了流體動(dòng)量傳遞能力和熱量傳遞能力的相對(duì)大小，而Gr數(shù)則表征了浮升力和粘滯力的相對(duì)大小，對(duì)自然對(duì)流流態(tài)的對(duì)換熱有影響。在對(duì)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(jié)果應(yīng)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(wú)量綱相似參數(shù)，如雷諾數(shù)Re、普朗特?cái)?shù)Pr和施密特?cái)?shù)Sc。對(duì)于管內(nèi)受迫對(duì)流換熱，采用短管和彎管可以強(qiáng)化流體的換熱。短管因?yàn)槿肟谔庍吔鐚虞^薄，對(duì)流換熱強(qiáng)度較大；彎管則由于離心力作用產(chǎn)生二次回流，對(duì)邊界層形成一定擾動(dòng)。對(duì)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(shí)，管排數(shù)越多，換熱越強(qiáng)。這是因?yàn)榍芭殴茏雍笮纬傻臏u旋對(duì)后排管子上的邊界層造成一定的擾動(dòng)作用，有利于換熱。自然對(duì)流紊流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與定型尺寸無(wú)關(guān)，這種現(xiàn)象被稱為自?；F(xiàn)象。利用這一特征，紊流換熱實(shí)驗(yàn)研究可以采用較小尺寸的物體進(jìn)行，只要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的Gr·Pr值處于紊流范圍。(2)特點(diǎn)：不需要介質(zhì)傳遞，可以在真空中傳播；輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比；輻射波長(zhǎng)范圍廣，從長(zhǎng)波紅外線到短波紫外線都有；輻射方向性強(qiáng)，與物體表面形狀相關(guān)。2．黑體輻射的概念和性質(zhì)。(1)概念：指完全吸收所有輻射能的物體，不反射、不透過(guò)、不漏射輻射能量。(2)性質(zhì)：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(qiáng)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(diǎn)。(1)灰體：指吸收、反射、透過(guò)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(guò)、不漏射輻射能量。(3)特點(diǎn)：灰體輻射的輻射強(qiáng)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(zhǎng)與溫度呈反比關(guān)系，公式為λmaxT=b，其中λmax為峰值波長(zhǎng)，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(guò)熱輻射傳遞能量的方式進(jìn)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(zhǎng)等因素有關(guān)。(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(zhǎng)與物體表面溫度有關(guān)，波長(zhǎng)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(yīng)用最廣泛的兩種形式。3．什么是熱傳導(dǎo)？熱傳導(dǎo)是指物質(zhì)內(nèi)部或不同物質(zhì)之間因溫度差而發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程。在熱傳導(dǎo)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(zhì)的熱導(dǎo)率和厚度成反比。4．什么是對(duì)流傳熱？對(duì)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(guò)程。在對(duì)流傳熱中，熱量通過(guò)流體的流動(dòng)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(dǎo)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(jiǎn)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(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動(dòng)。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(lái)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(lái)越受到重視。4.板式換熱器由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加而成，冷熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)。其特點(diǎn)是拆卸清洗方便，適用于含有易結(jié)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(diǎn)，但密封比較困難。對(duì)數(shù)平均溫差公式可用于計(jì)算。6.換熱器熱計(jì)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