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工学]08-第四章传热道理ppt
时间:2019-08-04

  推导 阐发: 曲角坐标 一维不变导热 1,平壁导热 电热收集图 复合平壁导热 多层圆筒壁导热(由电热类似推出) 3,球壁导热 4,工程计较 例、埋於半无限大固体介质中 对流换热的特点 对流换热的根基定律 影响对流换热的根基要素 微分方程及其类似论求解 1,热射线 受热 电磁波 热辐射 现象(素质:具有波动性、粒子性) 辐射换热 物体间的辐射取接收 玻璃液具有热的半通明性质。辐射能达到玻璃液面 后,小部门反射,其余边接收、边透过,达底层时仅 为本来的十分之一。并且,玻璃液对辐射能的透过具 有必然的选择性(0 ~ 3 ?m)。 分歧品种的玻璃对辐射能的接收和透过特征也分歧。 窗玻璃透过率较高 液面下3 ~ 6cm 辐射能只削减10 % 绿玻璃接收率较高 液面下4 ~ 6mm 辐射能已削减10 % 由定义可知: 单色接收率 ??(?) 物体对投射辐射中某一特定波长 辐射能的接收百分数。 ( 2)正在热均衡的前提下,任何物体对黑体辐射的接收率等于该温度下物体的辐射率 。 对比(a)取(c) 黑体辐射定律 灰体辐射纪律 现实物体辐射现象 工程材料辐射现象会商 1,黑体辐射定律 黑体 净辐射能量 【2-17】:有一程度放置的空气夹层,夹层厚度为20mm,热面温度为130,冰脸温度为30。 试求: 热面鄙人边,冰脸正在上边时的对流换热量; 热面正在上边,冰脸鄙人边时的对流换热量。 解:夹层内空气平均温度tm=(130+30)/2=80℃, 以80 ℃为定性温度,查得空气的物理参数为: ν=21.09×10-6m2/s;λ=3.05×10-2w/m·℃; △t=130-30=100 ℃ 当热面正在上 时,按纯导热计较 : 当热面鄙人 时,查表2-7得计较公式: λe/λ=0.195Cr1/4=2.91 λe=2.91×3.05×10-2=8.876×10-2 前往 【2-22】: 60℃的水进入一内径为25.4mm的管子,水的流速为2cm/s。试计较水的出口温度(已知管长3m,管壁温度恒定为80℃) 解:用测验考试法计较水的出口温度t2=70℃,水的平均温度为:tm=(70+60)/2=65℃ 以65℃为定性温度,查得λf=66.35×10-2w/m·℃; νf=0.4465×10m2/s; Prf=2.765; ρ=980.5kg/m3; Cp=4.183×103J/kg·℃计较出Ref: 因而管内流动属于层流,同时查表得 μf=4.38×10-4Pa · s;μw=3.551×10-4Pa· s; 按照2-71得 按换热器计较传热量: 因为其质量流量: 其取假设根基相等,误差为: 若是误差正在答应范畴之内,则不必正在算,若是跨越答应范畴,则以适才计较成果为定性温度,以不异的过程正在计较一次,使误差达到答应范畴之内。 前往 【2-27】:两无限大平行平面,其概况温度别离为20及600,黑度均为0.8。试求这两块平行平面的 (1)本身辐射(E1) (2)净辐射热量(qnet) (3)无效辐射(Eef) (4)投射辐射(ER) (5)接收辐射(Ea) (6)反射辐射(ERef) 解(1)本身辐射 t1=20℃;T1=293k;ε1=0.8; t2=600℃;T2=873k;ε2=0.8; 此中黑体辐射系数为C0=5.669w/m2.k4 所以: (2) 净辐射热量 因为是无限大两个平行平板,所以: (3)无效辐射 由净辐射qnet12=ε1E01-A1ER (式2-144) 而由式2-145可得: 同理: Eef1 Eef2 (4) 投射辐射 由式2-144知: q=Q/F=J-G,所以 (5) 接收辐射 ∵此时A=ε ∴EA1=A1ER1=0.8×27509.5=22007.6w/m2 EA2=A2ER2=0.8×5836.1=4668.9w/m2 (6) 反射辐射 由公式Eref=(1-A)ER,可得 前往 【2-28】:若是正在【2-27】中的两平面中安放一块黑度为0.8或0.05的遮热板,试求这两无限大平行平面间的净辐射热量。 解:此时有四个概况热阻和两个空间热阻,其热阻公式为: (1)当ε3=0.8时,带入公式得: ∴可见辐射热量削减了本来的一半。 (2)当ε3=0.05时,带入公式得: ∴削减遮热板的黑度能大大降低辐射热量。 前往 t ? ※ 黑 体 成果阐发 遮热后系统黑度减小,净辐射能量削减。 遮辐材料层数越多,遮辐能力越强。 插手 块,遮辐板 越多, 越小, 遮辐材料黑度越小,遮辐能力越强。 越小, 越小, 越小 辐射换热 遮热板的材料放置取遮辐能力无关; 遮热罩的材料放置取遮辐能力相关,应接近辐射源(F3) 遮热的成果将使1取3之间的温度升高。 ----涉及发烧元件或砌炉材料的现实使用 ----工程上常可根据遮辐要乞降辐射源 概况温度求得遮辐板的温度和放置。 辐射换热 5,使用实例(之二) 热电偶测温误差 热电偶发生测温误差的缘由 热电偶的温度 气流以对流、辐射体例将热量传给热电偶, 热电偶以辐射体例将热量传给温度更低的成品和窑墙, 达到热均衡时的温度就是热电偶的温度 结论:以对流为从的低温段, 热电偶温度接近气流温度 以辐射为从的高温段, 热电偶温度接近成品、窑墙温度 辐射换热 热电偶测温误差 解:热电偶达到热均衡时,Q气-偶 = Q 偶-壁 (对流为从)(辐射) 例题 1 《根本》 P.132 已知:热电偶读数 管壁温度 接点处对流换热系数 热电偶黑度 求:测温误差 2 1 辐射 辐射换热 选用辐射率低的材料做套管 正在气流速度高处测温 ---“报酬缩颈”、“抽气热电偶” 削减热电偶取窑墙间的温差 ---“保温”、“遮热罩式热电偶” 削减热电偶测温误差的路子 ∴ ℃ 辐射换热 解:热电偶达到热均衡时, Q气-偶 = Q 偶-壁 (对流为从)(辐射) 例题 2 《根本》 P.137 已知:各给定值仍取上式不异: 气体实正在温度 管壁温度 热电偶接点处的对流换热系数 遮热罩取气流间的对流换热系数 热电偶黑度 、遮热罩黑度 求:热电偶读数 1 3 2 辐射换热 遮热罩达到热均衡时, Q偶-罩 + Q气-罩 = Q 罩-壁 (辐射) (对流为从) (辐射) 相对较小,忽略 辐射换热 1,气体辐射的特点 次要光带、某些波段有反复、不发光、水的较宽 选择性(辐射光谱不持续) ? 体积辐射(边接收、边透过) ? 取气体的数目相关(温度、分压、无效层厚度) ∴ ∴ 固--气辐射换热 容积 概况积 辐射换热 气体的辐射能力(沙克公式) ? 《根本》见P.143-P.144图表 其数值由尝试得出 数目 表达为四次方形式: 因而: 必取温度相关,应批改 呈非线性变化,缘由 黑体光谱曲线左移 变化 T 数目 辐射换热 2,气体的辐射率 批改系数 :混和气体压强为1atm :视 为同次方 :忽略、查表或计较 辐射换热 3,气体的接收率 霍特尔(Hottel)公式 《根本版》P.147 图形 申明:当 克希霍夫定律合用于气体 当 克希霍夫定律不合用于气体 (前提黑度) 替代原 ( ) 辐射换热 4,气-固辐射换热 上式简化 系统黑度 系统黑度 视灰体,认为: 辐射换热 5,火焰辐射 火焰黑度 (发光火焰和不发光火焰) 辐射换热 1,流体--器壁--流体的分析传热(稳态) 器壁为平壁(稳态) 分析传热 对流换热 辐射换热 辐射换热 图表法 计较法 《根本版》P.154~155 同理 辐射换热 器壁为圆筒壁 (W/m) 2,窑内火焰空间的分析传热 《根本版》p.156 分析长度传热系数 《根本版》P.155 分析长度热阻 图表法 计较法 同理: (留意使用前提及其批改) 辐射换热 3,换热设备的分析传热 间壁式换热器--冷热流体以金属壁或陶瓷壁间隔 交换式换热器--操纵换热面交替地接收和放出热量 分析传热系数 《根本版》P.174、167 整个换热面的平均温差 换热面积 间壁式换热器(管壳式) 辐射换热 换热器进出口流体温度差的对数平均值 顺流 逆流 换热面的平均温差 校正系数 辐射换热 设想: 1,计较换热面积,决定布局尺寸(上述方式) 2,计较、校核器壁温度,决定选材 3,计较流体阻力,选择风机或泵 辐射换热 交换式换热器(蓄热室) 工做道理 进烟气时 喷火时空气流动 辐射换热 1,加热段格子砖概况平均温度高于冷却段; 2,加热或冷却的时间越短,温差越大,换热效率越高; 3,烟气自上而下,空气(煤气)自下而上,进入温度恒定; 4,格子砖概况温度和平均温度正在必然高度处为必然值; 5,格子砖加热段,烟气出口温度逐渐提高, 格子砖冷却段,空气出口温度逐渐降低。 *结论: *阐发: 1,非论加热或冷却,时间不宜过长,以获得较高的换热效率, 功课周期一般为20~30分钟; 2, 功课周期内,砖和流体的平均温度可视为定植,按不变传 热计较。 辐射换热 换热计较 一个换热周期内的传热量 平均分析传热系数 烟气和空气(及煤气)的平均温度差(按逆流式) 加热和冷却段的时间 (w.h) 传热面积 辐射换热 【2-3】:如图所示,地道窑冷却带窑顶为拱形,由耐火粘土砖砌成,拱厚230mm,拱心角为90o,拱内半径为0.85m,拱顶表里概况积平均温度别离为700及100,求每米窑长拱顶散失热量。 R=850 90o 230 解:窑拱顶每米长的 表里概况积别离为 粘土砖的 平均导热系数查表可知: 每米窑长拱顶散热量为 前往 【2-6】:试求通过如图所示的复合壁的热流量。假设热流是一维的;已知各材料的导热系数为:λA=1.2、 λB=0.6、 λC=0.3、 λD=0.8ω/m·℃。 25 75 50 q T=370 ℃ A D C B F=0.1m2 t=66 ℃ D A B C E 解:电热模仿图为: 各部门热阻为: t1 t2 RA RB RD RC 所以:热流量为 前往 【2-15】:某热工设备外径为3.0m,高10m,外概况平均温度为68℃,大气温度为22℃,若只考虑天然散热,试用准数方程及经验公式计较其对流换热系数,并校核其误差。 10m 3m 68℃ 大气22 ℃ 解: (1) 用准数方程计较,其鸿沟层平均温度为:tb=(tf+tw)/2=(68+22)/2=45℃。 以此温度为定性温度,高10米亦为定性尺寸,按45℃查得空气的物理参数为:ν=17.46×10-6m2/s; Pr=0.6985;λ=0.028w/m·℃;△t=46 ℃ 按照层流取湍流的分界点为Gr·Pr=109,所以空气处于湍流形态,用式(2-60)查表2-6得,c=0.12,n=1/3, Nub=0.12 ×(3.25 ×1012)1/3=1777.7 而用经验公式时,空气温度为22℃,查表得B=1.44, 前往 兰贝特定律 Lambert’s Low ---黑体正在半球面空间的辐射(能)力分布纪律 黑体法线标的目的上的辐射(能)力最大, ?标的目的的辐射(能)力取?角的余弦成反比。 公式1: (w/m2) 公式2: (w/m2Sr) 黑体法线标的目的上的辐射(能)力是整个半球面 空间全辐射(能)力的 倍。 辐射换热 黑体法线标的目的辐射力 ----- (w/m2.sr) 黑体辐射面法线标的目的上,每单元时间、单元面积、 单元立体角的辐射能量。 辐射换热 是 的? 标的目的辐射力, 也是 法线标的目的辐射力。 热流标的目的取黑体辐射面法线标的目的呈?夹角时, 每单元时间、单元面积、单元立体角的辐射能量。 (w/m2.sr) 黑体 ? 标的目的辐射力 ----- 辐射换热 由定义 辐射换热 微元立体角(标的目的)辐射热能 微元面积辐射热能 当 时即为法线标的目的辐射热能 (w/sr) 黑体单元时间内从微元面积 上发射的辐射能。 (w) 热流标的目的取黑体辐射面法线标的目的呈?夹角时, 黑体单元时间内从微元面积 上正在立体角d?范畴 发射的辐射能。 辐射换热 阐发立体角的几何干系 兰贝特定律的 两种表达式 又由定义 辐射换热 黑体正在整个半球面空间各个标的目的上的辐射强度都是相等的。 黑体辐射面单元时间内取辐射标的目的相垂曲的单元 面积上单元立体角的辐射能量。 1,标的目的辐射强度 (w/m2.sr) 引伸: 可见,其于黑体法线标的目的辐射力意义不异。 “漫辐射概况”的辐射力是肆意标的目的辐射强度的π倍。 别名“定向辐射强度”。 黑体: 辐射换热 ∴借帮任何物体的标的目的辐射率可求出它的标的目的辐射力。 黑体 灰体 现实物体 工程材料 一般合用 金属 一般合用 2,标的目的辐射率(标的目的黑度) 辐射换热 克希霍夫定律 Kirchhoff’s Low 描述物体的辐射能力取接收能力之间的关系。 1.本身辐射E1 2.投射辐射ER21 3.接收辐射EA 4.反射辐射ERef 5.无效辐射 Eef1=E1+ERef (前提:透热介质) 概念 辐射换热 辐射和接收频频进行 反射辐射---物体1反射的来自物体2的投射辐射能 接收辐射---物体1接收的来自物体2的投射辐射能 无效辐射---物体的本身辐射和反射辐射之和 投射辐射---外来物体2达到物体1的辐射能 本身辐射---物体1本身的辐射能 附例 辐射换热 引伸 设 物体1概况有一个设想的透热概况1′ 从物体1内部阐发 从两物体概况阐发 从物体1概况阐发 则 辐射换热 物体1 热均衡时 则有 ; 推导 其他物体同此 ① ② 辐射换热 1,任何物体的辐射力取其接收率之比等于同温度下 黑体的辐射力,且仅取温度相关。 意义 引伸 (推导略) 2,正在热均衡的前提下,任何物体对黑体辐射的接收率等于同温度下该物体的辐射率。 辐射换热 思虑 1,克希霍夫定律能否适合於单色辐射? 2,天然界无实正的黑体,两物体温度相等无传热现象, 会商此定律有无现实意义? 虽然灰体也是设想物体,但工程材料可近似为灰体,也就 有了现实意义。 由于:灰体 回覆:是。 灰体取黑体类似,其辐射和接收只取本身的环境相关, 取辐射源的环境无关。此时,不必考虑投射辐射能否来自黑体, 也不必考虑系统能否处于热均衡, ,不受任何前提。 回覆:有。对于灰体,即便 也有 辐射换热 2,灰体辐射纪律 3,现实物体辐射现象 辐射换热 维恩位 移定律 不符,纪律类似 普朗克 定律 不符,纪律类似 斯-波 定律 不符,纪律类似 近似合适.ε批改 黑 体 灰 体 现实物体 正在必然范畴 近似合适 兰贝特 定律 不必然合适 (有前提) 克希霍夫 定律 4,工程材料辐射现象会商 工程材料辐射现象可近似灰体会商 缘由: (1) 0.8?20 ?m波段?? -?曲线) 计较便利、误差不大。 辐射换热 1,角系数 定义:一物体概况投射到另一物体概况的辐射能量取 该物体概况总辐射能量的比值。 表达式: 固--固辐射换热 考虑频频辐射 同理 辐射换热 阐发 角系数是一个比值,仅取固体的外形、相关, 取固体的温度、黑度无关。 ? ? 由上式: ? 正在 时,推导出两黑体的辐射角系数, 合用於 时两物体的辐射角系数,前提是外形和取两黑体分歧。 核算面积 两物体间的净辐射能量: 辐射换热 如前所述:核算面积相等这一性质可使用于温度不等的两肆意放置的物体间的辐射换热。 ? ? 上述两物体如为黑体,肆意放置,并且处于热均衡形态 则: 此时: (1) 辐射换热 角系数的性质 ? 交换性 ? 完整性 ? 自见性 ? 兼顾性 ? 分化性 辐射换热 角系数的计较 操纵上述角系数的性质和几何图形能够推导出 某些物体辐射换热时的角系数,也可由尝试确定。 拜见《根本》P.127、129、402 1.两无限大的平行平面 2.物体 1 被物体 2 包抄; 发射源 1 为一平面或凸面 辐射换热 2,肆意放置的两灰体间的辐射换热 两物体间的净辐射能量 ---(1) 稳态传热: 物体 1 概况取设想的透热概况 1′间的净辐射能量 辐射换热 ∵ 即 又∵ ∴ ---(2) 同理 ---(3) 辐射换热 会商 “电热类似”又一 三式联立: 鞭策力: 热阻:概况热阻 空间热阻 , 辐射换热 另一表达式 ∵ ∴ ---系统黑度、也叫导来黑度,因非黑体概况辐射惹起 辐射换热 几个特例 两无限大的平行平面 物体 1 被物体 2 包抄; 发射源 1 为一平面或凸面 附例 辐射换热 工程计较 三个灰体构成封锁系统 《根本》P.133~135 辐射换热 3,影响辐射换热的要素 两物体的温度差 ----提高高温物体的温度 相当黑度 两物体的传热面积 ----选择辐射率高的发射源 ----提凹凸温物体的辐射传热面积 辐射换热 4,使用实例(之一) 遮热板 ? 遮热罩 稳态传热 (前提:透热介质空间、遮辐板罩无导热热阻、传热面长度无限) 辐射换热 鞭策力 传热面积 热阻 角系数 遮热板 遮热罩 辐射换热 前系统黑度 前传热量 后传热量 后系统黑度 遮热板 遮热罩 辐射换热 流体是空气或取空气有附近Pr数值的气体 可简化为 定性温度和定性尺寸 定性温度 决定类似准数中物性参数数值的温度称”定性温度” 温度 影响物性 参数,正在 换热过程 中温度又 正在不竭地 变化,所以应选择 一个较有 代表性的 温度,以 确定准数 的数值。 定性温度取值方案 流体的平均温度 壁面的平均温度 鸿沟层的平均温度 无限空间流体的平均温度 定性尺寸 类似准数中的几何尺寸称为”定性尺寸” 几何前提分歧,传热面的和外形分歧,定性尺寸的选择也分歧。 定性尺寸取值方案 圆管内径或外径 非圆形管道的当量曲径 换热面高度 换热面长度 其它 准数方程式的使用步调 阐发换热特点,确定换热的类别 判别流态,选准准数方程式,留意公式 的适 用范畴确定定性温度和定性尺寸 计较类似准数 求出 或 再求出 计较 或 附例1 附例2 0.1 ~ 40 ~(1000)?m - ? - x- 紫外线 可见光 红外线mm ~ 10km 热射线的波谱范畴 热射线的单元: 波长 ?(?m) 波数 k(cm)-1 根基概念 辐射换热 取形态无关的零点能 电子跃迁能 振动能 动弹能 的内能 光子的能量 发生热辐射的前提 辐射可认为是离散的 量子化能束(光子)能量的过程。 热辐射是因为物体受热发生的能量过程。它是因为物质内部微不雅粒子的活动形态改变而发生的。 普郎克 辐射换热 辐射力强的物质,接收力也强,并且取热射线的波长相关 发生热辐射的前提: (1) 物质接收的热能必需合适其固有的量子能级, 这部门能量达到另一物体时,如入射波长取其 固有的量子能级相等,可发生微不雅粒子的共振,热运 动加剧,使物体升温。 才能发射响应波长的电磁波。 辐射换热 双原子气体( N2、02 )是热的通明体,没有辐射和接收能力 金属 电子多,电子跃迁能级较大,一般有光泽。 非金属 晶格振动、晶格缺陷、添加物等使晶格具有极性。 偶极矩 电荷量 正负电荷核心距离 (2) 物质活动形态改变的同时,必需改变 的对称性(极性),使偶极矩不等于零。 辐射换热 --- 绝对白体 漫反射体 热射线的根基性质 --- 绝对黑体 也叫漫辐射体 --- 镜面反射体 --- 绝对通明体 无须介质;均一介质中曲线;速度等于光速;有接收、反射、透过特征。 辐射换热 接收正在表层进行 一般纪律: 物质的接收、反射、透过特征 液体 气体 固体 接收和透过的体积性 近似黑体 近似通明体( N2、02 ) 辐射换热 实例: (1)物质的接收、反射、透过特征取波长相关, 是指某波长或某波长范畴的接收、反射或透过。 留意 λ λ 辐射换热 实例 辐射换热 (2)利用要求分歧,对材料的接收、反射和 透过特征的选择也分歧。 (辐射材料 加热对象 反射材料 窗口材料) (3)影响物质接收、反射、透过特征的要素: 物体的赋性 波长 温度 概况情况(粗拙度) 辐射换热 黑体模子 恒温空腔的小孔近似黑体。小孔面积取空腔的内概况积之比越小,越接近黑体。 任何物体的辐射能力都可取黑体比拟,以权衡其大小。 如: 设: 则: 接收率 (尝试数) (近似黑体) 辐射换热 2, 单色辐射力 单色辐射强度 w/m3 (全)辐射力 全辐射强度 辐射传热量 (全)辐射能 w/m2 w 黑体 非黑体 黑体 非黑体 黑体 非黑体 辐射换热 w/m2 单元时间内物体每单元概况积向半球面空间发射的 全波长的能量。 单元时间内黑体每单元概况积向半球面空间发射的 全波长的能量。 w/m2 单元时间内物体每单元概况积向半球面空间发射的 某一波长的能量。 w/m3 w/m3 单元时间内黑体每单元概况积向半球面空间发射的 某一波长的能量。 辐射换热 黑体的单色 辐射强度 非黑体的单色 辐射强度 黑体的全 辐射强度 非黑体的全 辐射强度 黑体的辐射能 非黑体的辐射能 辐射换热 单色辐射率 ??(?) 物体的单色辐射强度取同温度下 黑体的单色辐射强度之比。 表达式 全辐射率 ?(?) 物体的全辐射强度取同温度下 黑体的全辐射强度之比。 表达式 单色接收率 全接收率 全辐射率 单色辐射率 3, 辐射换热 全接收率 ?(?) 物体对投射辐射中全波长范畴 辐射能的接收百分数。 引伸 (1)物体的辐射率 只取本身要素相关; 物体的接收率 不只取本身要素相关, 还取辐射源的要素相关。 辐射换热 物体辐射源(T1) 物体接收体(T2) 黑体辐射源(T1) 物体接收体(T2) 黑体辐射源(T1) 物体接收体(T2) (a) 前往 (b) (c) 或 辐射换热 ------任何物体都有其固有的量子能级 对比(a)取(b)、(c) 虽然 ? 而 辐射换热 对比(a)取(b) 当T1=T2时, (a)取(b) 两式相等 (黑体辐射源) 黑体辐射源(T1) 物体接收体(T2) (a) (b) 辐射换热 即便 T1=T2, (a)取(c)两式也不成能相等 (非黑体辐射源) 物体辐射源(T1) 物体接收体(T2) (a) (c) 黑体辐射源(T1) 物体接收体(T2) 辐射换热 黑体 灰体 现实物体 T1=T2 ,黑体辐射源 非黑体辐射源 3,黑体、灰体、现实物体 辐射换热 辐射换热 干燥方式---干燥速度---水分接收率 辐射换热 辐射纪律 辐射换热 普朗克定律 Plank’s low 式中: (w/m3) 温度、波长取黑体单色辐射强度的关系 (w.m2) (m.K) 辐射换热 维恩位移定律 wien’s displacement low (m.K) 温度 时,黑体最大的单色辐射强度对应的波长 取温度的乘积为。 辐射换热 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 Sten BoLzmann’s low 温度、波长取黑体全辐射强度的关系, 又称四次方定律。 (w/m2) (w/m2.K4) 黑体辐射: (w/m2.K4) 辐射换热 普朗克定律 曲线外形 维恩位移定律 曲线极值 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 曲线面积 无效辐射波段 可见光波段所占比例 T2 T1 T3 λm 辐射换热 将第二个系统的物理量用第一个系统来暗示,则有 对比第一系统的微分方程 明显两个速度场类似的充实前提是: 将各物理量代入 以上过程称类似转换 类似准数 A-谐时性准数 申明流体流动的不不变性,正在不变流动前提下, 为定值 具有必然物理意义的无因次数群 B-类似准数-- C-从描述物理现象类似的微分方程用数学方式推导出类似准数的过程 需要前提 单值前提类似 充实前提 同名类似准数相等 类似论方式流程图 微分方程组 类似准数 准数函数式 准数方程式 解 类似转换 物 理 实 验 定理一 定 理 二 定 理 三 类似系统 实物系统 定型 非定型 定理一 相互类似的现象,同名类似准数必相等 定理二 任何微分方程式都有类似准数函数形式的解 (别名π定理) 定理三 凡单值前提类似,定型准数相等的现象必类似 热类似准数 类似论求α 准数函数式 准数方程式 热类似准数 类似理论阐发对流换热过程会商:由于对流换热过程是用一组流体流动方程 和热学方程来描写的,要实现对流换热过程度类似、必需先实现几何类似和流体动力类似。 正在单值前提类似的前提下,系统间的热类似现象,必需是: 几何类似准数相等 动力类似准数相等 热类似准数相等 根据类似论方式,对流换热微分方程组通过类似转换能够导出一系列热类似准数 换热微分方程导出 导热微分方程导出 活动微分方程导出 派生准数 换热微分方程导出类似准数 换热微分方程 努谢尔特准数 反映鸿沟层导热对对流换热的影响 因含有未知量α, 属不决型准数 鸿沟层导热阻取对流换热热阻的比值(Nu的物理意义) 对流换热量取鸿沟层导热量比值 鸿沟层温度梯度取平均温度梯度比值导热量比值 导热微分方程导出类似准数 导热微分方程 选择方程式中次要的相关项进行类似转换 谐时性准数 又称均时性准数 暗示流体流动的不不变性,注脚o暗示准数取时间相关 贝克利准数 暗示流体速度场取温度场的关系 傅立叶准数 暗示传热的不不变性,注脚o暗示该准数取时间相关 活动微分方程导出类似准数 活动微分方程 选择方程式中次要的相关项进行类似转换 弗鲁德准数 流体动力类似准数 暗示流体做时沉力取惯性力的比值 欧拉准数 流体动力类似准数 暗示压力场取速度场的关系 雷诺准数 流体动力类似准数 暗示流动惯性力取粘性阻力的比值 派生类似准数 伽利略准数 流体做时沉力取粘性阻力的比值 格拉晓夫准数 天然流动时浮升力对对流换热的影响 普朗克准数 仅取流体物性参数相关的准数,反映粘性阻力取温度场的关系 对于原子数目不异的气体,Pr是一个,它的数值很少受温度和压力的影响 前往 准数函数式 天然对流系统: 强制对流系统: 对于几何类似系统,除去 忽略沉力场的影响,除去 忽略压力场,除去 已包含 , 已包含 对于不变流动,除去 则 前往 由类似准数只能拾掇出准数函数式, 至于函数形式的具体表达式、各响应准数之间的关系还必需操纵取现实系统类似的模仿尝试来确定,即成立准数方程式,最初再推广使用到取之类似的现实系统中去。 准数方程式分类 对流换热准数方程式 定性温度和定性尺寸 准数方程式使用 准 数 方 程 式 分 类 有相变 沸腾换热 凝结换热 大容积沸腾 管内沸腾 垂曲壁膜状凝结 横管膜状凝结 有相变 天然对流 强制对流 无限空间 无限空间 垂曲平板 程度圆柱 程度平板 管内 层流 湍流 过度流 横掠圆管 沿平壁流动 管簇 单管 顺排 叉排 沸腾时液体正在热概况气化,发生相变,同时接收大量气化热,发生气泡会使热概况附近的液体发生猛烈搅动,所以沸腾对流换热系数比无相变时的换热系数大的多. 蒸汽正在低于饱和温度的冷壁面上冷凝而发生的换热现象 当凝结液可以或许潮湿壁面时,凝结液气正在壁面上构成一层液膜,使蒸汽只能 正在液膜概况发生凝结,液膜是换热的次要热阻,这种凝结,称膜状凝结. 当凝结液不克不及潮湿壁面,只聚成一个个液珠,这种凝结,称珠状凝结. 大容积沸腾是指加热壁面被无宏不雅流速的液体所沉浸热发生的沸腾 泡状沸腾,罗公式 正在压力差的感化下,以必然的流速流过加热管,同时正在管内发生沸腾,称管内沸腾 竖管内受迫沸腾,雅各布公式 正在比力小的空间里,流体的受热和冷却,是正在相互靠的很近处所发生的,热流量通过此空间是热面放热和冰脸受热两者分析的成果 距离为 ,高度为H的两个平行热竖壁 如 可视为无限空间 无限空间,指的是空间尺寸比物体的尺寸大的多的空间,物体放热的成果不致惹起空间流体温度的变化. 注脚 b 暗示以鸿沟层平均温度做为定性温度 定性尺寸,系数C及指数n值,按照热面外形,及流体流态选择 流体流态根据GrPr值判断 塞德尔—泰特公式 - 管壁温度下,流体的粘度 定性温度tf 定性尺寸,内径d或de 合用范畴: 迪图斯—贝尔特公式(滑腻管) 加热流体n=0.4 冷却流体n=0.3 合用范畴: 注脚 f 定性温度为流体进出口平均温度 定性尺寸,内径d或de 温差跨越以上幅度,可用米海耶夫公式 豪森公式 管壁温度下,流体的粘度 定性温度tr 定性尺寸,内径d或de 合用范畴: 定性温度用流体的平均温度 定性尺寸用管子外径 数中速度用最窄截面处流速 根据顺排叉排,叉排,管簇 的相对间距 的范畴取值 楚考斯克斯公式 以上两式:定性尺寸均为管外径d 注脚f 定性温度均为流体平均温度管外径 注脚w 定性温度均为壁面平均温度管外径 流体是空气或取空气有附近Pr数值的气体 可简化为 流体沿平壁概况 对流换热的特点 1.流体质点有相对位移 2.换热时量形式的转换 3.对流换热是导热和对流总感化的成果 对流换热的根基定律 --牛顿冷却定律 牛顿正在阐发研究的根本上提出:对流换热的热流取流体和固体壁面之间的温度差成反比。 牛顿冷却定律还能够用热阻的形式暗示 公式变换: 热阻 热阻 电阻类似 电图 电热收集图 电流 鞭策力是电压降 阻力是电阻 热流 鞭策力是温度降 阻力是热阻 影响对流换热的要素 流体活动的鞭策力 流体流动的形态 流体的物性 放热面的外形和 小结 流体活动的鞭策力 因为流体冷热各部门的密度分歧而惹起的活动 温度差 密度差 浮升力 受外力影响所发生的活动 压力差 流速 天然对流 强制对流 单元质量的流体具有的浮升力 流体的体积膨缩系数, 温度差, 沉力加快度, 单元质量的流体具有的浮升力 设 Gr准数 派生类似准数 伽利略准数: 流体做时沉力取粘性阻力的比值 -沉力加快度,m/s2 -几何尺寸,m -活动粘度,m2/s 格拉晓夫准数: 天然流动时浮升力对对流换热的影响 - 流动的体积膨缩系数,1/k -温度差,k 普朗克准数: 仅取流体物性参数相关的准数,反映粘性阻力取温度场的关系 对于原子数目不异的气体, 是一个,它的数值很少受不变和压力的影响 -导温系数,m2/s 又称热扩散系数,申明温度变化时物体内部各部门温度趋势分歧的能力 它暗示物体的导热能力 和蓄热能力 的比值 - 动力粘度,Pa’s - 密度,kg/m3 - 比热,kJ/kg℃ - 导热系数,w/m℃ 流体流动的形态 层流 湍流 垂曲于流速标的目的无 流体质点相对位移 支流区 对流是热量传送的次要形式 鸿沟层 导热是热量传送的次要形式 导热是热量传送的次要体例 温度梯度 很大 温度梯度 很小 很大 鸿沟层导热 支流区对流 稳态传热时,两者相等 鸿沟层 将 很大,导热起次要感化的薄层称做温度鸿沟层或热鸿沟层,其厚度不必然取速度鸿沟层不异,但都呈薄膜状。 普朗克准数指出的速度鸿沟层理论,处理了粘畅性流体的某些流动问题,速度鸿沟层厚度δb 反映流体动量传送的渗入程度。正在对流换热问题中,雷同地引入热鸿沟层的概念也能够处理某些对流换热问题,热鸿沟层厚度δt 反映了流体热量传送的渗入程度。同样的流动状,对分歧的流体,δb/δt 将取决于流体的两种迁延性质之 。 (详见鸿沟层理论) 普朗克准数 完全由物性参数构成,暗示活动粘度 取导温系数 的比值。 派生类似准数 退出 因交壤处温度 和鸿沟层厚度 很难确定,对流换热系数 无法求出,所以要寻求其它的方式。 附例 流体的物性 导热系数 粘 度 影响过程的流体物性次要有: 比 热 密 度 流体的品种分歧, 流体流动时的形态 参数变 化城市影响物性参 数,因而,流体的 物性对对流换热的 影响是分析的成果。 前往 因为各类流体的物性分歧,所进行的对流换热过程亦就分歧 固体壁面的温度, 放热面的温度、外形、尺寸和 固体壁面的外形 平面、圆拄、夹层、管族等 壁面尺寸 (平壁) 热面 1 ? Re ? 热阻?对流换热 雷诺准数 活动微分方程导出类似准数 活动微分方程 选择方程式中次要的相关项进行类似转换 普朗克准数指出的速度鸿沟层理论,处理了粘畅性流体的某些流动问题,速度鸿沟层厚度δb 反映流体动量传送的渗入程度。正在对流换热问题中,雷同地引入热鸿沟层的概念也能够处理某些对流换热问题,热鸿沟层厚度δt 反映了流体热量传送的渗入程度。同样的流动状,对分歧的流体,δb/δt 将取决于流体的两种迁延性质之 。 (详见鸿沟层理论) 普朗克准数 完全由物性参数构成,暗示活动粘度 取导温系数 的比值。 退出 派生类似准数 退出 对流换热是导热和对流总感化的成果。正在流体中导热机理取正在固体中一样,也取决于温度梯度和导热系数。而对流的换热机理则和流体的流动相关。因而,对流换热是一种极复杂过程,影响要素良多,对照牛顿冷却定律可知,影响对流换热过程的所有要素都集中正在对流换热系数上,换热系数是影响整个过程的良多变数的复杂函数。 小 结 所以,要求解α值,只用一个微分方程不成能暗示对流和导热两者总和,必需用微分方程组来描述。 对流换热的微分方程 换热微分方程 导热微分方程 活动微分方程 持续性方程 温度分布 压力分布 速度分布 几何前提——申明参取过程的物体的外形和大小 单值前提 物理前提——申明物体的物质 鸿沟前提——申明流体正在鸿沟上过程进行的特点 时间前提——申明正在时间上事后已知的特点 对流微分方程组即便给出值性前提,要通过纯数学求解也常坚苦的,如通过尝试求解,又遭到尝试前提和利用前提的局限,所以纯理论或纯尝试的方式都难以获得抱负的成果。 类似论求解 类似理论不只供给了一系列进行尝试的方式,并且供给了一整套拾掇尝试数据和将尝试成果使用到现实系统中去的方式,成功地处理了对流换热微分方程组的求解。 类似论方式 类似论求 几何类似——物理类似 类似论方式 类似论方式流程图 退出 几何类似 物理类似 退出 几何类似 类似的概念起首呈现正在《几何学》中 如两三角形类似,其对应边必然互成比例: 两三角形类似的需要前提 可是, 和 的值不克不及肆意选择,必需满脚 称做类似或类似倍数 即 两三角形类似的充实前提 若有第三个三角形 只需 则它必取前者类似,余者类推 物理类似 将几何类似概念推广到物理现象,就能够用类似描述物理现象的类似 可见,两物理现象类似的需要前提是 第一系统 第二系统 如两系统的速度场类似 用形式和内容都不异的微分方程来描述 两系统的物理应互成比例 申明各物理量(如流速)正在空间相对应点和时间上相对应瞬时间均成比例,也就是单值前提类似,类似的充实前提,推导如下 * * * * 第四章 传热道理 导 热 对流换热 辐射换热 分析传热 导热: 1、接触越慎密,导热量越大; 2、无质点的相对位移和能量形式的转换。 辐射: 1、无须介质; 2、有能量形式的转换。 对流: 1、有质点的相对位移、量形式的转换; 2、对流换热的同时,必然伴有导热现象。 传热的根基特点 3、温度梯度 ℃/m 2、等温面 等温线) 传热量 (w) 根基概念 1、温度场 不变温度场 不不变温度场 不变导热 不不变导热 导热 不不变导热 不变导热 温度降为1℃/m时,单元时间、单元面积传送的热量。 (w /m ℃)(KJ /m2 hr ℃/m) 根基定律—付里叶定律 表达式: 稳态 非稳态 (一维不变) 式中:导热系数 导热 8.0 9.2 10.3 12.2 14.2 1200 ℃ 1000 ℃ 800℃ 600℃ 400℃ 其他前提 如含水量、气孔率等 影响?的要素: 砌炉材料 一般 气体 水、甘油 液体 大都 如粘土砖、硅砖、刚玉、红砖 如高铝砖、镁砖、碳化硅砖 物质的品种 固?液?气 金属?非金属?绝缘材料 利用温度 物质的布局 单晶?多晶?非晶 耐材、建材?绝缘材料 拜见 P.397 导热 导热微分方程 目标---处理导热计较问题 方式--- 两个前提: 无热源、各向同性; 物性参数 为 两个根据: dQX dQ x+dx dQy +dy dQy dQz dQ z+dz X Z Y 导热 固体 流体 推导: ∵ ∴ ∴ ∴ 导热 ---流体导热微分方程(傅立叶-克希霍夫导热微分方程) ---固体导热微分方程(傅立叶导热微分方程) 固体 同理---流体 导热 导温系数 (热扩散率) 传送温度变化能力的物性参数 温度的拉普拉斯算符 一维不变导热微分方程 (m2/hr) : 导热能力 蓄热能力 (KJ /m2 hr ℃/m) (KJ /m3 ℃) 升温蓄热 稳态 降温放热 导热 导热微分方程坐标转换(一维不变) 平壁导热公式 曲角坐标 圆柱坐标 一维不变导热 圆筒壁导热公式 曲角坐标 球面坐标 一维不变导热 球壁导热公式 导热 曲角坐标 圆柱坐标 一维不变圆柱壁导热公式 P(r、?、z) r ? x y z 导热 曲角坐标 球面坐标 一维不变球壁导热公式 p(r、?、?) ? ? r x y z 导热 单层平壁导热 一维不变导热 , (1) 导热 ? 随温度变化时,可视为平均温度下的平均导热系数 平壁内温度呈曲线,平板法测定材料的导热系数 已知:试件尺寸 通过试件的热流量 内概况温度 外概况温度 求:试件的导热系数 2,会商强化或减弱导热的路子 引伸 导热 3,电热模仿 温度降 热阻 温度降 热阻 单元面积的导热热阻 传热面F的导热热阻 以热阻的概念可求解多层平壁导热计较 电压降 电阻 导热 多层平壁导热 Q计较通式: 交壤面温度计较(稳态导热) 先假设,后校核 导热 能够批改 附例1 若C、D、E入相很大时,则属二维热流,上式不合用 复合平壁导热 导热 单层圆筒壁导热 按照付里叶定律得出: 计较公式: 2,圆筒壁导热 导热 圆筒壁内热面积的对数平均值 圆筒壁表里半径的对数平均值 式中: 圆筒壁厚 温度分布:对数曲线 导热 附例 导热 内热面积的 几何平均值 实例:球壁导热仪测定散料的导热系数 导热 圆筒壁近似平壁、平壁两侧不等 近似圆筒壁、方形壁 或 前提: (单层) 通式: 中空、立方体,近似 导热 中空立方体端角、长方体边角 《根本》P.85 犯警则物体 多层圆筒壁简略单纯计较 R--导热热阻 查工程图表 导热 内圆外方长管道 导热 5,接触热阻 6,温度不服均物体的平均温度计较 7, 有内热源的稳态导热 传入热量-传出热量+内热源热量=热焓增量 导热 不不变导热 由傅立叶导热微分方程求解 方式: 阐发求解 数值解---无限差分法 图解法 电热模仿法 导热 指点教员 宁伟 退出 对流换热 * *

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