文档介绍：传热原理
2010-05-08
一. 概述
18世纪30年代首先从英国开始的工业革命促进了生产力的空前发展。生产力的发展为自然科学的发展成长开辟了广阔的道路。传热学这一门学科就是在这种大背景下发展起来的。导热和对流两种基本热量传递方式早为人们所认识,第三种热辐射方式是在1803年发现了红外线后才确认的。三种方式基本理论的确立经历了各自独立的历程。
傅里叶()(1768-1830)--导热理论的奠基人,法国人;
雷诺()--流动理论的先驱,英国人;
努塞尔()(1882-1957)--对流理论的杰出先驱,德国传热学家;
普朗特()(1875-1953)--边界层概念的提出者,德国物理学家;
玻耳兹曼()(1844-1906)—热辐射理论的先驱,奥地利物理学家;
计算机的迅速发展,用数值方法对传热问题的分析研究取得了重大进展,在20世纪70年代已经形成一个新兴分支--数值传热学;显示出它的巨大活力。当今,传热学已经发展成为一门理论体系初具和发展充满活力的基础学科. 能源技术,环境技术,材料科学,微电子技术,空间技术等新兴科学技术的发展,向传热学提出了新的课题和挑战。
研究传热过程的目的是应用传热学规律,解决工程上实际问题。如在某种场合要求尽快把热量传递出去,使物体冷却下来,也就是如何增强传热过程,如压缩机级间冷却器,空分设备各种换热器等;在另一种场合又要求防止和减少热散失,把热量保存起来,也就是如何削弱传热过程,如冷箱保温,暖水瓶等。这是热量传递的两个方面,是我们经常要碰到的问题,应用传热学原理去给予解决和分析。随着世界性的能源危机波及到了装备制造业及石油化工这些耗材及能耗的大户,以及国家节能减排长期国策的确立,作为能量回收装备—热交换设备,提高传热效能及降低能耗的研究已被提高到了很重要的地位。这些研究归纳为以下几个方面:
1)传热与流动研究:旨在提髙传热及压降计算的准确性以及寻求提髙传热效率,降低压降的途径。
2)换热设备大型化、新型热交换设备的开发及降低能耗、节水的研究。
凡是不同物体之间或同一物体不同部分存在温度差(即t1-t2>0),就一定有热量传递,而热量传递总是自动地由高温物体传向低温物体。
“凡有温度差存在,就有热量传递”。
温度场:象重力场,速度场一样,物体中存在着温度场,他是各时刻物体中各点温度分布的总称,有两大类:
稳态温度场:物体各点温度不随时间变化
非稳态温度场:物体各点温度随时间变化,如变工况,热机在启动或者停车时。
换
热
器
分
类
加热,蒸发
按使用目
的
按结构
按材料
金属
冷却,冷凝
非金属
间壁式
混合式样
蓄热式
按工作原理
管壳式
板式
左图为间壁式换热器热量传递示意图右图为蓄热式换热器热量传递示意
混合式换热器热量传递示意图
1. 热量传递三种基本方式
热量传递的过程往往是热传导、对流和辐射三种方式的组合。最常见的是冷流体和热流体被壁面隔开,热量从热流体穿过壁面传递给冷流体,这个过程称为热量传递。例如各种管式和板翅式换热器。
⑴. 热传导和热导率(导热和导热系数)
热传导是物体内部分子和原子的微观运动所引起的一种热量传递方式。如:固体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低部分,以及温度较高的固体把热量传递给与之相接触的温度较低的另一固体,都是导热现象。从微观角度看,气体,液体,导电固体和非导电固体的导热机理有所不同。金属是自由电子运动;非金属和液体是原子或分子平衡位置振动;气体是分子不规则碰撞。所以,热传导在固体、液体和气体中都能发生。
温度场:象重力场,速度场一样,物体中存在着温度场,他是各时刻物体中各点温度分布的总称,有两大类:
稳态温度场:物体各点温度不随时间变化
非稳态温度场:物体各点温度随时间变化,如变工况,热机在启动或者停车时。
★稳态导热—几种典型几何形状的稳态导热
☆平壁热传导计算为: W
从式可以看出,温差Δt愈大,传导的热量也愈大。δ/λ愈大,热流密度就愈小,它表明了阻碍热传导阻力的大小。用热阻(δ/λ)概念分析判断传热过程的强弱极为有用。为了增强热传导,就应该使热阻减小,这时可选用薄壁和热导率大的材料。相反,要求保温的场合,为削弱传热,就要增大热阻,选用厚壁和热导率小的材料。
λ——热导率(导热系数 W/m·℃),是表征材料导热性能优劣的参数,
取决于物质的种类和热力状态(T,P).
W/m·℃
q热流密度-在单位时间内,通过每平方米表面积所传导的热量。
☆无限长圆筒壁的热传导计算为