傳熱學課件.doc

傳熱學經(jīng)常被稱為熱科學的工程領域包括熱力學和傳熱學.傳熱學的作用是利用可以預測能量傳遞速率的一些定律去補充熱力學分析，因后裔只討論在平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)這些附加的定律足以3種基本的傳熱方式為基礎的，即導熱、對流和輻射。 傳熱學是研究不同溫度的物體，或同一物體的不同部分之間熱量傳遞規(guī)律的學科。傳熱不僅是常見的自然現(xiàn)象，而且廣泛存在于工程技術領域。 傳熱的基本方式有熱傳導、熱對流和熱輻射三種。 1.熱傳導是指在不涉及物質轉移的情況下，熱量從物體中溫度較高的部位傳遞給相鄰的溫度較低的部位，或從高溫物體傳遞給相接觸的低溫物體的過程，簡稱導熱。 2.熱對流是指不同溫度的流體各部分由相對運動引起的熱量交換。工程上廣泛遇到的對流換熱，是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過程，它是熱傳導和熱對流綜合作用的結果。決定換熱強度的主要因素是對流的運動情況。 3.熱輻射是指物體因自身具有溫度而輻射出能量的現(xiàn)象。它是波長在0.1100微米之間的電磁輻射，因此與其他傳熱方式不同，熱量可以在沒有中間介質的真空中直接傳遞。太陽就是以輻射方式向地球傳遞巨大能量的。每一物體都具有與其絕對溫度的四次方成比例的熱輻射能力，也能吸收周圍環(huán)境對它的輻射熱。輻射和吸收所綜合導致的熱量轉移稱為輻射換熱。 我們許多人都喜歡在冬天有暖暖陽光時曬被子，我們都會深有體會，冬天經(jīng)過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來會覺得很暖和，并且經(jīng)過拍打以后，效果更加明顯。這就可以用傳熱學的知識來解釋，棉被經(jīng)過晾曬以后，可使棉花的空隙里進入更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞方式主要是導熱，由于空氣的導熱系數(shù)較小，具有良好的保溫性能。而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更多的空氣進入，因而效果更明顯。 我們還會覺得奇怪的一件事那就是冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風比無風時感到更冷些？假定人體表面溫度相同時，人體的散熱在有風時相當于強制對流換熱，而在無風時屬自然對流換熱（不考慮熱輻射或假定輻射換熱量相同時）。而空氣的強制對流換熱強度要比自然對流強烈。因而在有風時從人體帶走的熱量更多，所以感到更冷一些。 在冬季的晴天，白天和晚上空氣溫度相同，但白天感覺暖和，晚上卻感覺冷。白天和晚上人體向空氣傳遞的熱量相同，且均要向溫度很低的太空輻射熱量。但白天和晚上的差別在于：白天可以吸收來自太陽的輻射能量，而晚上卻不能。因而晚上感覺會更冷一些。 夏季在維持20室內工作，穿單衣感到舒適，而冬季保持在22的室內工作時，為什么必須穿絨衣才覺得舒服？首先，冬季和夏季的最大區(qū)別是室外溫度不同。夏季室外溫度比室內溫度高，因此通過墻壁的熱量傳遞方向是由室外傳向室內。而冬季室外氣溫比室內氣溫低，通過墻壁的熱量傳遞方向是由室內傳向室外。因此冬季和夏季墻壁內表面溫度不同，夏季高而冬季低。因此，盡管冬季室內溫度22比夏季略高20，但人體在冬季通過輻射與墻壁的散熱比夏季高很多。根據(jù)上題人體對冷暖的感受主要是散熱量的原理，在冬季散熱量大，因此要穿厚一些的絨衣。 我們國家北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上常常結霜，、為什么霜會結在樹葉上表面？這是因為清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的溫度低于攝氏零度，而地球表面溫度一般在零度以上。由于相對樹葉下表面來說，其上表面需要向太空輻射更多的能量，所以樹葉下表面溫度較高，而上表面溫度較低且可能低于零度，因而容易結霜。 還有就是大家都覺得很討厭的一件事那就是窗玻璃對紅外線幾乎不透明，但是隔著玻璃依然會被太陽曬到的發(fā)熱？這也是窗簾存在的理由。雖說窗玻璃對紅外線不透明，但對可見光卻是透明的，因而隔著玻璃曬太陽，太陽光可以穿過玻璃進入室內，而室內物體發(fā)出的紅外線卻被阻隔在窗內，因而房間內溫度越來越高，因而感到暖和。 在寒冷的北方地區(qū)，現(xiàn)在建房越來越多的人開始采用多孔的空心磚。這也可以用傳熱學的知識解釋，在其他條件相同時，實心磚材料如紅磚的導熱系數(shù)約為0.5W/（mK）（35），而多孔空心磚中充滿著不動的空氣，空氣在純導熱（即忽略自然對流）時其導熱系數(shù)很低，是很好的絕熱材料。燒開水壺底擦得光亮的利弊,用傳熱學解釋 ：擦得光亮可以減小總熱阻,如果壺底有臟東西,會增大傳熱熱阻,削弱傳熱效果用傳熱學解釋為什么寒冷地區(qū)的墻壁和玻璃比較厚：1.厚了以后導熱熱阻大,利于保溫；2.厚了以后總熱容大,受溫度變化小。防止屋內溫度較高的空氣通過墻壁或玻璃與室外空氣換熱。墻壁和玻璃厚，導熱熱阻就增大，這樣屋內的熱量不易散出。特別是加了雙層玻璃后，空氣的導熱系數(shù)非常低，使這個傳熱過程的傳熱系數(shù)大大降低，熱量就都留在屋內了。1. 利用傳熱學的知識解釋夏季在冷柜的玻璃面上蓋上棉被的作用熱量是從冷柜外面向里面?zhèn)鬟f,冷量剛好相反,考慮對流、傳導、輻射三種傳熱方式中,以傳導為主要方式,因為熱量要經(jīng)過棉被、冷柜玻璃、空氣直到儲藏物品（最后一環(huán)為自然對流）,而棉被由于其導熱系數(shù)小,同時比較厚,棉花纖維內充斥空氣,大大增加了導熱熱阻,起到了隔熱的效果.2. 用“傳熱學“觀點解釋為什么冬天住在新建居民樓比住舊樓房更冷?新樓含水分更高,會吸收人體的熱量,而老樓天長日久已經(jīng)干燥,不會吸收人體太多的熱量,所以反而暖和些。問題1 冬天，經(jīng)過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來為什么感到很暖和？并且經(jīng)過拍打以后，為什么效果更加明顯？回答：棉被經(jīng)過晾曬以后，可使棉花的空隙里進入更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞方式主要是導熱，由于空氣的導熱系數(shù)較小，具有良好的保溫性能。而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更多的空氣進入，因而效果更明顯。問題2 冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風比無風時感到更冷些？回答：假定人體表面溫度相同時，人體的散熱在有風時相當于強制對流換熱，而在無風時屬自然對流換熱（不考慮熱輻射或假定輻射換熱量相同時）。而空氣的強制對流換熱強度要比自然對流強烈。因而在有風時從人體帶走的熱量更多，所以感到更冷一些。討論：讀者應注意的是人對冷暖感覺的衡量指標是散熱量的大小而不是溫度的高低，即當人體散熱量低時感到熱，散熱量高時感到冷，經(jīng)驗告訴我們，當人的皮膚散熱熱流為58W/時感到熱，為232W/時感到舒服，為696W/時感到?jīng)隹?，而大于?28W/時感到冷。問題3 夏季在維持20室內工作，穿單衣感到舒適，而冬季保持在22的室內工作時，為什么必須穿絨衣才覺得舒服？回答：首先，冬季和夏季的最大區(qū)別是室外溫度不同。夏季室外溫度比室內溫度高，因此通過墻壁的熱量傳遞方向是由室外傳向室內。而冬季室外氣溫比室內氣溫低，通過墻壁的熱量傳遞方向是由室內傳向室外。因此冬季和夏季墻壁內表面溫度不同，夏季高而冬季低。因此，盡管冬季室內溫度22比夏季略高20，但人體在冬季通過輻射與墻壁的散熱比夏季高很多。根據(jù)上題人體對冷暖的感受主要是散熱量的原理，在冬季散熱量大，因此要穿厚一些的絨衣。問題4 利用同一冰箱儲存相同的物質時，試問結霜的冰箱耗電量大還是未結霜的冰箱耗電量大？回答：當其它條件相同時，冰箱的結霜相當于在冰箱蒸發(fā)器和冰箱冷凍室（或冷藏室）之間增加了一個附加熱阻，因此，要達到相同的制冷室溫度，必然要求蒸發(fā)器處于更低的溫度。所以，結霜的冰箱耗電量更大。問題5 有人將一碗熱稀飯置于一盆涼水中進行冷卻。為使稀飯涼得更快一些，你認為他應該攪拌碗中的稀飯還是盆中的涼水？為什么？回答：從稀飯到?jīng)鏊且粋€傳熱過程。顯然，稀飯和水的換熱在不攪動時屬自然對流。而稀飯的換熱比水要差。因此要強化傳熱增加散熱量，應該用攪拌的方式強化稀飯側的傳熱。問題6 在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實心磚還是多孔的空心磚好？為什么？回答：在其他條件相同時，實心磚材料如紅磚的導熱系數(shù)約為0.5W/（mK）（35），而多孔空心磚中充滿著不動的空氣，空氣在純導熱（即忽略自然對流）時其導熱系數(shù)很低，是很好的絕熱材料。因而用多孔空心磚好。問題7 電影泰坦尼克號里，男主人公杰克在海水里被凍死而女主人公羅絲卻因躺在筏上而幸存下來。試從傳熱學的觀點解釋這一現(xiàn)象?；卮穑航芸嗽诤Ｋ锲渖眢w與海水間由于自然對流交換熱量，而羅絲在筏上其身體與空氣之間產生自然對流。在其他條件相同時，水的自然對流強度要遠大于空氣，因此杰克身體由于自然對流散失能量的速度比羅絲快得多。因此杰克被凍死而羅絲卻幸免于難。問題8 人造地球在衛(wèi)星在返回地球表面時為何容易被燒毀？回答：衛(wèi)星在太空中正常運行時，其表面的熱量傳遞方式主要依靠與太空及太陽等星體的輻射。而在衛(wèi)星返回地面的過程中，由于與大氣層之間的摩擦，產生大量的熱量，無法及時散失，因而易被燒毀。問題9 北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上常常結霜，試問樹葉上、下表面的哪一面結霜？為什么？回答：霜會結在樹葉上的表面。因為清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的溫度低于攝氏零度，而地球表面溫度一般在零度以上。由于相對樹葉下表面來說，其上表面需要向太空輻射更多的能量，所以樹葉下表面溫度較高，而上表面溫度較低且可能低于零度，因而容易結霜。問題10 窗玻璃對紅外線幾乎不透明，但為什么隔著玻璃曬太陽卻使人感到暖和？回答：窗玻璃對紅外線不透明，但對可見光卻是透明的，因而隔著玻璃曬太陽，太陽光可以穿過玻璃進入室內，而室內物體發(fā)出的紅外線卻被阻隔在窗內，因而房間內溫度越來越高，因而感到暖和。問題11 在太陽系中地球和火星距太陽的距離相差不大，但為什么火星表面溫度晝夜變化卻比地球要大得多？回答：由于火星附近沒有大氣層，因而在白天，太陽輻射時火星表現(xiàn)溫度很高，而在夜間，沒有大氣層的火星與溫度接近于絕對零度的太空進行輻射換熱，因而表面溫度很低。而地球附近由于大氣層（主要成份是CO2和水蒸氣）的輻射作用，夜間天空溫度比太空高，白天大氣層又會吸收一部分來自太陽的輻射能量，因而晝夜溫差較小。問題12 在冬季的晴天，白天和晚上空氣溫度相同，但白天感覺暖和，晚上卻感覺冷。試解釋這種現(xiàn)象?；卮穑喊滋旌屯砩先梭w向空氣傳遞的熱量相同，且均要向溫度很低的太空輻射熱量。但白天和晚上的差別在于：白天可以吸收來自太陽的輻射能量，而晚上卻不能。因而晚上感覺會更冷一些。3 傳熱的增強和削弱 重點內容： 控制傳熱的分析思路。所謂增強傳熱，是指從分析影響傳熱的各種因素出發(fā)，采取某些技術措施提高換熱設備單位傳熱面積的傳熱量，使設備趨于緊湊、重量輕、節(jié)省金屬材料以及降低動力消耗等。而削弱傳熱，是指采取隔熱保溫措施降低換熱設備熱損失，以達節(jié)能、安全防護及滿足工藝要求等目的。 這里系統(tǒng)分析傳熱過程的強度控制進行。 方法：首先要對傳熱過程各個環(huán)節(jié)規(guī)律有著清晰的理解，尤其是其各項熱阻的組成。傳熱的控制實質上就是熱阻的控制，但要抓住主要矛盾，即最大的熱阻項。 一、強化傳熱的基本途徑 根據(jù)傳熱過程方程式 強化傳熱的基本途徑有三個方面： 1 、 提高傳熱系數(shù)：應采取有效的提高傳熱系數(shù)的措施，如必須提高兩側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)中較小的項。另外應注意：在采取增強傳熱措施的同時，必須注意清除換熱設備運行中產生的污垢熱阻，以免抵消強化傳熱帶來的效果。 2 、 提高換熱面積：采用擴展表面，即使換熱設備傳熱系數(shù)及單位體積的傳熱面積增加，如肋壁、肋片管、波紋管、板翅式換熱面等；當然必須擴展傳熱系數(shù)小的一側的面積，才是使用最廣泛的一種增強傳熱的方法。 3 、 提高傳熱溫差：在冷、熱流體溫度不變的條件下，通過合理組織流動方式，提高傳熱溫差。 二、增強傳熱的方法 1 、擴展傳熱面 2 、改變流動狀況：增加流速、增強擾動、采用旋流及射流等都能起增強傳熱的效果，但這些措施都將使流動阻力增大，增加動力消耗。 3 、使用添加劑改變流體物性：流體熱物性中的導熱系數(shù)和體積比熱容對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響較大。在流體內加入些添加劑可以改變流體的某些熱物理性能，達到強化傳熱的效果。 4 、改變表面狀況：如增加粗糙度、改變表面結構、表面涂層等。 三、削弱傳熱的方法 1 、覆蓋熱絕緣材料。常用的材料日前有：巖棉、泡沫塑料、微孔硅酸切、珍珠巖等。 2 、改變表面狀況。即改變表面的輻射特性及附加抑制對流的元件。 3 、遮熱板 四、基本要求及例題 理解強化和削弱傳熱的基本途徑，掌握控制傳熱的熱阻分析原理。 例題 1 、在換熱表面加肋片是強化傳熱的重要措施之一。當采用加肋片增強無限大平壁傳熱時，最有效的方法是肋片應加在哪一側，為什么 ? 答：從熱阻分析角度出發(fā)，為有效強化傳熱，必須有效減小傳熱過程的總熱阻，而無限大平壁傳熱過程的總熱阻可由 表達，可見，在忽略壁面導熱熱阻的情況下，如果兩側對流換熱系數(shù) h 1 、 h 2 相差較大，對流換熱系數(shù)較小的一側熱阻將在傳熱過程的總熱阻中占有較大的比例，因而大幅度減小對流換熱系數(shù)較小的一側熱阻，可以有效減小傳熱過程的總熱阻。 在換熱表面加肋片可以大幅度提高該表面的傳熱面積，從而大幅度減小該側的對流換熱熱阻 ，因此當采用加肋片增強無限大平壁傳熱時，最有效的方法是肋片應加在對流換熱系數(shù)較小的一側。 例題 2 、某換熱器傳熱系數(shù)測量結果如附圖所示。依據(jù)該實驗結果，試提出提高該換熱器傳熱系數(shù)的至少兩種有效措施，并說明強化機理。答：由實驗結果可以看出，流體乙的流速增加可以大幅度提高傳熱系數(shù) K ，說明流體乙一側對流換熱系數(shù)較小，該側熱阻在傳熱過程的總熱阻中占有較大的比例。 有效提高該換熱器傳熱系數(shù)有效措施為：提高流體乙的流速；在流體乙一側加肋片。實驗結果即可看出，流體乙的流速增加可以大幅度提高傳熱系數(shù) K ；在流體乙一側加肋片，可以提高單位換熱設備體積內的換熱面積，減小流體