传热学复习

热量传递的三种基本方式:导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。

对流传热:流体中(气体或液体)温度不同的各部分之间,由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。

牛顿冷却公式

$\Phi=h A\left(t_{w}-t_{\infty}\right)[\mathrm{w}]$

导热系数:表征材料导热能力的大小,是一种物性参数,与材料种类和温度关。

表面传热系数:当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。影响h因素:流速、流体物性、壁面形状大小等。

传热系数:是表征传热过程强烈程度的标尺,不是物性参数,与过程有关。

边界条件说明导热体边界上过程进行的特点

反映过程与周围环境相互作用的条件

  • 第一类边界条件:已知任一瞬间导热体边界上温度值;

  • 第二类边界条件:已知物体边界上热流密度的分布及变化规律,第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界面法向的温度梯度值;

  • 第三类边界条件:当物体壁面与流体相接触进行对流换热时,已知任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数。

第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热量关系式

$\Phi=\frac{t_{f 1}-t_{f 2}}{\frac{1}{h_{1} A}+\frac{\delta}{\lambda A}+\frac{1}{h_{2} A}}$

Bi准则数:物体内部导热热阻和物体表面对流传热热阻之比

$B i=\frac{h \delta}{\lambda}=\frac{\delta / \lambda}{1 / h}$

Fo准则数:非稳态导热过程的无量纲时间

$F o=\frac{a \tau}{\delta^{2}}$

集总参数法的物理意义及应用条件:

忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致的分析方法。此时,温度分布只与时间有关,与空间位置无关。

应用条件:Bi < 0.1

非稳态导热的正规状况阶段的物理意义:

当Fo > 0.2 时,物体在给定的条件下冷却或加热,物体中任何给定地点过余温度的对数值将随时间按线性规律变化。物体中过余温度的对数值随时间按线性规律变化的这个阶段,称为瞬态温度变化的正规状况阶段。

半无限大物体的概念,半无限大物体的概念如何应用在实际工程问题中?

所谓半无限大物体,是指以无限大的y-z平面为界面,在正x方向伸延至无穷远的物体。

在实际工程中,对于一个有限厚度的物体,在所考虑的时间范围内,若渗透厚度小于本身的厚度,这时可以认为该物体是个半无限大物体。

对流换热分析

1、影响对流换热的主要物理因素

对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面

(1)流动起因;

(2)流动状态;

(3)流体有无相变;

(4)换热表面的几何因素;

(5)流体的热物理性质。

2、对流换热是如何分类的?

(1) 流动起因:自然对流和强制对流;

(2) 流动状态: 层流和紊流;

(3)流体有无相变: 单相换热和相变换热

(4)换热表面的几何因素:内部流动对流换热和外部流动对流换热。

流动边界层的几个重要特性。

(1) 边界层厚度 d 与壁的定型尺寸L相比极小,d << L

(2) 边界层内存在较大的速度梯度

(3) 边界层流态分层流与湍流;湍流边界层紧靠壁面处仍有层流特征,存在层流底层;

(4) 流场可以划分为边界层区与主流区;

Nu, Re, Pr, Gr准则数的物理意义

$N u=\frac{h l}{\lambda}$ 表征壁面法向无量纲过余温度梯度的大小,由此梯度反映对流换热的强弱

$\operatorname{Re}=\frac{u l}{v}$ 表征流体流动时惯性力与粘滞力的相对大小,Re的大小能反映流态

$\operatorname{Pr}=\frac{v}{a}$ 物性准则,反映了流体的动量传递能力与热量传递能力的相对大小;

$G r=\frac{g \Delta t \alpha l^{3}}{v^{2}}$ 表征浮升力与粘滞力的相对大小,Gr表示自然对流流态对换热的影响。

膜状凝结:沿整个壁面形成一层薄膜,并且在重力的作用下流动,凝结放出的汽化潜热必须通过液膜,液膜厚度直接影响热量传递。

珠状凝结:当凝结液体不能很好的浸润壁面时,则在壁面上形成许多小液珠,此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触,因此,换热速率远大于膜状凝结(可能大几倍,甚至一个数量级)

虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结,但可惜的是,珠状凝结很难保持,因此,大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结,

黑体:是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体,是一种科学假想的物体,现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。

灰体:单色发射率与波长无关的物体称为灰体。其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样,只是减小了一个相同的比例

发射率:相同温度下,实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力之比

当热辐射投射到物体表面上时,一般会发生三种现象,即吸收、反射和透射。

吸收率表示投射的总能量中被吸收的能量所占份额;

反射率表示投射的总能量中被反射的能量所占份额;

透射率表示投射的总能量中被透射的能量所占份额;

物体发射的辐射强度与方向无关的性质叫漫辐射。反射的辐射强度与方向无关的性质叫漫反射。既是漫辐射又是漫反射的表面统称漫表面。

四个黑体辐射基本定律

普朗克定律,斯蒂芬—玻尔兹曼定律,兰贝特余弦定律,基尔霍夫定律

角系数性质:相对性,完整性,分解性。

有效辐射的概念

灰体表面的有效辐射是其表面的本身辐射和反射辐射之和

强化辐射换热和削弱辐射换热的主要途径

强化辐射换热的主要途径有两种:(1) 增加发射率;(2) 增加角系数。

削弱辐射换热的主要途径有三种:(1) 降低发射率;(2) 降低角系数; (3) 加入隔热板。

北方深秋季节的清晨,树叶叶面上常常结霜。试问树叶上下表面的哪一面结霜?为什么?

树叶上表面结霜。因为此时天空的温度已降得很低,树叶上表面和天空间辐射换热可失去更多能量;而树叶下表面和大地间有辐射换热,大地表面温度相对天空温度要高得多

换热器是实现两种或两种以上温度不同的流体相互换热的设备,按工作原理可分为三类:间壁式换热器、混合式换热器、回热式换热器。

(1) 套管式换热器:最简单的一种间壁式换热器,流体有顺流和逆流两种,适用于传热量不大或流体流量不大的情形;

(2) 管壳式换热器:最主要的一种间壁式换热器,传热面由管束组成,管子两端固定在管板上,管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。

(3) 板式换热器:由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成,冷热流体间隔地在每个通道中流动,其特点是拆卸清洗方便,故适用于含有易结垢物的流体。

(4) 螺旋板式换热器:换热表面由两块金属板卷制而成,优点:换热效果好;缺点:密封比较困难

对数平均温差的公式

$\Delta t_{m}=\frac{\Delta t^{\prime}-\Delta t^{\prime \prime}}{\ln \frac{\Delta t^{\prime}}{\Delta t^{\prime \prime}}}$

“热对流”与“对流换热“是否为同一现象?对流换热是否属于基本的传热方式?

答:热对流与对流换热是两个不同的概念.属于不同现象,其区别为:

①热对流是传热的三种基本方式之一,而对流换热不是传热的基本方式,

②对流换热是导热和热对流这两种基本传热方式的综合作用。由于流体质点间的紧密接触,热对流也同时伴随有导热现象;

②对流换热必然具有流体与固体壁面间的相对运动(流体与壁面直接接触和宏观运动)。工程中流体与温度不同的固体壁面因相对运动而发生的传热过程称为对流换热。

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