文档介绍：传热学就是研究热量传递规律的一门科学。只要不同物体或物体不同部分之间存在温度差,它们之间就会发生热量的传递,热量传递有三种方式:导热、对流换热和辐射换热。
在制冷空调领域,热量传递普遍存在。例如在压缩式制冷系统中,从蒸发器回来的气态制冷剂进入压缩机,被压缩为高温高压的气体,然后进入冷凝器内放热,把热量传递给周围的介质(一般为空气或水),同时制冷剂被冷却成液态,然后经节流进入蒸发器,在蒸发器内沸腾吸热,即可得到我们需要的冷却的水或空气。因此,认识、掌握热量传递的过程和规律,在制冷空调技术实践中有着极其重要的意义。
在传热学的工程应用中,通常要达到两个基本目的:(1)能准确计算所研究系统中传递的热量;(2)能准确预测所研究物体中的温度分布。
稳态导热
在三种热量传递方式中,导热是最容易利用数学工具进行分析和处理,对传热学的深入学习就从导热开始。本章首先引出导热的基本定律和一般数学表达式,然后介绍制冷空调装置中常见壁面(如平壁和圆筒壁)中热流量和温度分布的规律和计算方法。
导热基本概念和傅里叶定律
一、导热的概念
导热即热传导,是指发生在物质本身各部分之间或直接接触的物质与物质之间的热量传递现象。它是依靠物质的分子、原子或自由电子等微观粒子的热运动来传递热量的,也就是说,导热是在分子集团不发生宏观相对运动时,单纯由微观粒子的直接作用(如迁移、碰撞或振动等)而引起的热量传递现象。导热是物质的属性,导热过程可以在固体、液体及气体中发生。但是在重力场下,单纯的导热一般只发生在密实的固体中,这是因为,在有温差时,液体和气体的密度会改变从而形成对流,不能维持单纯的导热。在专业学习和实践中,一般把发生在换热器管壁、肋片、管道保温层、墙壁等固态材料中的热量传递过程都看成导热问题。
二、温度场
在工程应用中,常常需要预测物体的温度分布,通常将某一时刻物体中各点温度分布的状况称为温度场。一般来说,温度场是空间和时间的函数,其数学表达式为
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式中,x,y和z是空间坐标;是时间坐标;t代表温度。
温度场分为两类,即稳态温度场和非稳态温度场。当温度场内各点的温度随时间而变化时,这种温度场
称为非稳态温度场,例如制冷机在开机、停机过程中的温度场就属于非稳态温度场。当温度场内各点的温度不随时间而变化,这种温度场称为稳态温度场,例如制冷机在工况稳定持续运行状态下的温度场就属于稳态温度场。在稳态温度场中的导热就是稳态导热,反之,在非稳态温度场中的导热就是非稳态导热。
稳态温度场内温度的分布与时间无关,仅是空间坐标的函数。若温度在空间三个坐标方向都发生变化,则称为三维稳态温度场,其数学表达式为
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在稳态温度场中,若温度仅在空间两个坐标方向发生变化,则称为二维稳态温度场,其数学表达式为
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在稳态温度场中,若温度仅在空间一个坐标方向发生变化,则称为一维稳态温度场,其数学表达式为
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三、等温线和等温面
同一时刻,温度场中所有温度相同的点连接所构成的面称为等温面,它可能是平面,也可能是曲面。不同的等温面与同一平面相交,则在此平面上构成一簇曲线,称为等温线。等温面和等温线具有以下性质:
同一时刻,物体内的任一点不可能具有多于一个的不同温度,所以不同温度值的等温面或等温线不会彼此相交。
等温面或等温线可以是完全封闭的曲面或曲线,或者终止于物体的边界上,但不可以在物体内部中断。
在等温面或等温线上,不存在温差,所以没有热量的传递。
图1-1
在任何时刻,标绘出物体中所有的等温面(线),就给出了这一时刻物体内的温度分布情况,即给出了物体的温度场。所以,习惯上温度场是等温面(线)图来表示的(图1-1)。
四、温度梯度
在等温面(线)上,不存在温差,因此不可能有热量的传递,热量传递只发生在不同的等温面(线)上。自等温面(线)上的某点出发沿不同方向到达另一等温面(线)时,将发现单位距离的温度变化,即温度的变化率具有不同的数值。自等温面(线)上某点到另一等温面(线),以该点法线方向的温度变化率最大。设两等温面(线)之间的温差为
,法线方向的距离为,则与的比值的极限称为温度梯度,记作grad,单位为℃/m,即
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对于一维稳态温度场,温度梯度为
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温度梯度是向量,其方向是指向温度增加的方向,而热量传递方向与温度梯度方向正好相反。
五、傅里叶定律
1882年,法国数理学家傅里叶(Fourier J.)提出了导热的基本定律,称为傅立叶定律,其数学表达式为
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式中,q为单位时间内单位面积上的热流量,称为热流密度(W/m2),为导热系数[W/m℃],grad为温度梯度。
当导热面积为F时,有
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式中,为单位时间内通过F面积上的热流量(W),F为导热面积(m2