--第二章-導(dǎo)熱基本定律及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱課件

1、作 業(yè)1-1、1-9、1-12、1-17長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1.通過平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱單層（= const）知識(shí)回顧：2.通過圓筒壁的導(dǎo)熱（= const）單層：長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3.變截面或變熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱問題 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2-4 通過肋片的導(dǎo)熱青藏鐵路長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院七彩虹顯卡散熱片高頻焊翅片管暖氣片 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2-4 通過肋片的導(dǎo)熱肋片它是指那些從基礎(chǔ)表面上伸展出來的固體表面。肋的主要作用是通過提高面積來提高傳熱量。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院增加可采取的措施：（2）減小熱阻：增大換熱面積 A 也能增加傳熱量2-4 通過肋片的導(dǎo)熱（1）增加溫差，受工藝條件限制金屬壁一般很薄(

2、很小)、熱導(dǎo)率很大，故導(dǎo)熱熱阻一般可忽略。增大h1、h2，但提高h(yuǎn)1、h2并非任意的。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院翅片管的傳熱原理（a）加翅片之前，傳熱面的“瓶頸”效應(yīng)（b）加翅片后，“瓶頸”消除，熱流大大增加（a） （b）2-4 通過肋片的導(dǎo)熱長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院A=A1A1A2A=A1+A2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。2-4 通過肋片的導(dǎo)熱肋片導(dǎo)熱是穩(wěn)態(tài)過程如何理解？長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2-4 通過肋片的導(dǎo)熱一、通過等截面直肋導(dǎo)熱的分析和計(jì)算1）確定肋片的溫度沿導(dǎo)熱熱流傳遞的方向變化情況。 溫度場(chǎng) 2）確定通過肋片的散熱熱流量多少。 熱流量分析肋片導(dǎo)熱的目的長(zhǎng)江大學(xué)

3、機(jī)械工程學(xué)院若肋片長(zhǎng)度方向的溫度不均可以忽略的話，肋片中的溫度分布應(yīng)是二維的。但是，如果肋片很薄，導(dǎo)熱系數(shù)很大，肋片厚度方向的溫差近似可以忽略，則肋片中的溫度常僅是高度x的函數(shù)。2-4 通過肋片的導(dǎo)熱將肋片表面的散熱量虛擬為肋片中的內(nèi)熱源來處理，該問題最終可簡(jiǎn)化為一維、穩(wěn)態(tài)、含有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2-4 通過肋片的導(dǎo)熱導(dǎo)熱微分方程：內(nèi)熱源強(qiáng)度的確定：設(shè)橫截面積為Ac，界面周長(zhǎng)為P。對(duì)dx的微元段進(jìn)行分析。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2-4 通過肋片的導(dǎo)熱令:方程的通解為：導(dǎo)熱微分方程變?yōu)椋簽槌?shù)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2-4 通過肋片的導(dǎo)熱第一個(gè)邊界條件是：在x=H 的邊界處，有三種情

4、況：長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2-4 通過肋片的導(dǎo)熱采用第二種情況，頂端絕熱：等截面直肋內(nèi)的溫度分布：hyperbolic cosin 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院等截面直肋片中的溫度變化:2-4 通過肋片的導(dǎo)熱長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院肋端過余溫度： 即 xH 處：2-4 通過肋片的導(dǎo)熱由肋片散失的全部熱流量都必須通過肋的根部，在此處應(yīng)用傅立葉定律，可得長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院例1：如圖所示的長(zhǎng)為30cm，直徑為12.5mm的銅桿，導(dǎo)熱系數(shù)為386W/(mK)，兩端分別緊固地連接在溫度為200的墻壁上。溫度為38的空氣橫向掠過銅桿，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為17W/(m2K)。求桿散失給空氣的熱量是多少? 30cm t0=20

5、0=386W/(mK)h=17W/(m2K),tf=38 t0=200d=12mm長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院解：這是一等截面直肋（且一端為絕熱邊界條件）的一維導(dǎo)熱問題。由于物理問題對(duì)稱，可取桿長(zhǎng)的一半作研究對(duì)象。此桿的散熱量為實(shí)際散熱量的一半。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院整個(gè)桿的散熱量為： 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二、肋片效率 肋片的實(shí)際散熱量與假定整個(gè)肋片表面都處在肋基溫度t0時(shí)的理想散熱量0 的比值。對(duì)于等截面直肋：故肋效率只與（mH）有關(guān)。2-4 通過肋片的導(dǎo)熱長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院可見，f 效率 與參量 有關(guān)。2-4 通過肋片的導(dǎo)熱長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 影響肋片效率的因素：肋片材料的熱導(dǎo)率 、肋片表面與周

6、圍介質(zhì)之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h、肋片的幾何形狀和尺寸(P、A、H)。導(dǎo)熱率愈大，肋片效率愈高；肋片愈高，肋片效率愈低，肋片不宜太高；肋片愈厚，肋片效率愈高；h愈大，即對(duì)流換熱愈強(qiáng)，肋片效率愈低。2-4 通過肋片的導(dǎo)熱故一般在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較低的一側(cè)加裝肋片。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院肋片散熱量的工程計(jì)算方法：（2）計(jì)算出理想情況下的散熱量0=hA(t0- t)（1）由圖線或計(jì)算公式得到f（3）由式 = f0 計(jì)算出實(shí)際散熱量2-4 通過肋片的導(dǎo)熱圖220 等厚環(huán)肋的效率曲線長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院說明：(1) 上述推導(dǎo)中忽略了肋端的散熱（認(rèn)為肋端絕熱）。對(duì)于一般工程計(jì)算，尤其高而薄的肋片，足夠精確。若必須考

7、慮肋端散熱，?。篐c=H + /2.2-4 通過肋片的導(dǎo)熱長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院例2：兩種幾何尺寸完全相同的等截面直肋，在完全相同的對(duì)流環(huán)境(即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和流體溫度均相同)下，沿肋高方向溫度分布曲線如圖所示。請(qǐng)判斷兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小和肋效率的高低? xt0t12t長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院三、肋片的優(yōu)化2-4 通過肋片的導(dǎo)熱假定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h保持常數(shù)，對(duì)流散熱的熱流密度q將沿肋高逐步下降，因此，肋基處材料的利用率明顯高于靠近肋端的部分，最佳的肋片型式就是希望單位重量的肋片材料發(fā)揮相同的作用，或者說在給定的散熱量下，使肋的材料消耗量最小。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2-4 通過肋片的導(dǎo)熱理論研究表明肋片的

8、外形是圓弧的時(shí)候最佳。但實(shí)際上，由于制造工藝的原因，工程上常用簡(jiǎn)單的三角形截面直肋代替理論分析得出的最優(yōu)肋型。2. 最小重量的矩形肋（尺寸的優(yōu)化）同樣是矩形肋片，在總重一定的情況下，可以制作成細(xì)長(zhǎng)的，也可以是短厚的形狀，其換熱量也不一樣長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2-4 通過肋片的導(dǎo)熱對(duì)于矩形肋片，其單位長(zhǎng)度的重量與肋片的截面 A 面積成正比。矩形肋片總散熱量的計(jì)算公式為：可得肋片的最佳厚度和高度，此時(shí)肋端過余溫度為當(dāng)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院對(duì)于實(shí)際問題，修正為：四、何時(shí)加肋對(duì)傳熱有利2-4 通過肋片的導(dǎo)熱長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院小 結(jié)二、熱流量一、溫度場(chǎng)三、肋片效率長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院作 業(yè)2-2、2-6、2-10、2-18、2-35、2-52、2-55長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院思考題：有兩位同學(xué)對(duì)直肋的溫度計(jì)算方法發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)。一位同學(xué)認(rèn)為該問題不能用導(dǎo)熱微分方程式求解，另一位則認(rèn)為可以。你對(duì)這個(gè)問題有什么看法？長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院4. 熱阻及接觸熱阻熱阻：熱量轉(zhuǎn)移過程的阻力。 過程中的轉(zhuǎn)換量過程中的阻力過程中的動(dòng)力接觸熱阻：由于壁面之間貼合不緊密，存在空隙，空隙中存在的流體引起的傳熱阻力 。當(dāng)空隙中充滿導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于固體的氣體時(shí)，接觸熱阻的影響更突出。二、通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（1）當(dāng)q=const時(shí)，接觸熱阻 rc ，tc。( 2 )當(dāng)t=const時(shí)，q隨rc而