2传热学

注册暖通设备工程师考试，整理了导热、对流换热、热辐射、传热与换热器的知识，大家可以学起来哦。

传热学

• 1. 三种方式：导热、热对流、热辐射
• 2. 导热
  • 1. 导热的基本概念
    • 1. 温度梯度
      • grad（t)=
    • 2. 热流密度矢量
      • q=
    • 3. 傅里叶定律
      • q=
    • 4. 热导率（导热系数）l=
    • 5. 导热微分方程
      • 1. 基本形式
      • 2. 简化形式
        • 1. 当热物性参数λ、ρ、c为常数（常物性）
        • 2. 导热系数为常数，稳态时
        • 3. 导热系数为常数，稳态，无内热源
      • 3. 圆柱坐标系下（r,Φ,z）
      • 4. 球柱坐标系下（r,Φ,θ）
    • 6. 导热过程的单值性条件
      • 1. 几何条件
      • 2. 物理条件
      • 3. 时间条件
      • 4. 边界条件
        • 1. 牛顿冷却定律
  • 2. 稳态导热
    • 1. 平壁
      • 单层平壁
      • 多层平壁
      • 复合平壁
    • 2. 圆筒壁
    • 3. 肋片
    • 4. 接触面
      • 减小 接触热阻的措施： 降低 接触面的粗糙程度； 增加 期间的平行度和压力； 在接触处加导热系数 大的导热脂或硬度硬度 小、延展性好的金属箔（紫铜或银）
    • 5. 临界绝缘直径
      • dx=dcr=
    • 6. 形状因子S(m)
  • 3. 非稳态导热
    • 1. 非稳态导热的特点
      • 物体的加热或冷却过程中， 温度分布变化可划分为 三个阶段
        • 1.
        • 2.
        • 3.
    • 2. 对流换热边界条件下非稳态导热
      • 1. 分析解法
        • f（ ）
          • Fo≥0.2
      • 2. 图解法
        • f(Fo,Bi)
          • Fo≥0.2
      • 3. Fo准则对非稳态导热的影响
        • • Fo≥0.2
      • 4. Bi准则对温度分布的影响
        • Bi的大小可以表明物体内部温度的均匀程度
        • 物理意义Bi=
        • 几何意义Bi=
      • 5. 集总参数法
        • 1. 几何条件：V，A
        • 2. 物理条件：物性参数均保持常数
        • 3. 初始条件：初始温度to
        • 4. 边界条件：物体与刘体检的表面传热系数为h
        • 5. 应用条件
          • Bi＜0.1
          • Biv=hL/l=h（V/A）/l＜0.1M
            • 1. 无限大平壁：M=1
            • 2. 长圆柱、正方形长柱体：M=1/2
            • 3. 球、正立方体：M=1/3
    • 3. 常热 流密度边界条件下的非稳态导
      • 渗透厚度d（t）=
  • 4. 导热问题数值解
    • 1. 有限差分法原理
    • 2. 建立离散方程的方法
      • 泰勒级数展开法（内节点适用）
        • • 概要
            • 一阶导数展开式
              • 向前差分式
              • 向后差分式
            • 二阶导数展开式
              • 中心差分式
      • 热平衡法（内节点、边界节点适用）
        • 内节点：
        • 边界节点：
        • 外部角点：
        • 内部角点：
    • 3. 稳态导热问题的数值解
      • 内节点的离散方程
      • 边界节点的离散方程
      • 节点离散方程组的求解
    • 4. 非稳态导热问题的数值解
      • 内节点的离散方程
      • 边界节点的离散方程
• 3. 对流换热
  • 1. 对流换热分析
    • 1. 导热和对流 两种基本传热方式共同作用的结果。
    • 2. 影响对流换热的一般因素h=f（u,tw,tf,l,r,cp,m,a,l...)
      • 只有动力粘度m对h影响为反向
    • 3. 对流换热微分方程
      • 傅里叶定律
        • q=-l¶t/¶y½y=0
      • 牛顿冷却公式
        • q=h(tw-t¥)=hDt
      • 对流换热量=贴壁流体层的导热量h=
    • 4. 流动边界层和热边界层
      • 流动边界层
      • 热边界层
      • 普朗特数Pr= ，d/dt=
    • 5. 边界层换热微分方程组及其求解
      • 1. 离开前缘x处的边界层厚度
        • d=
      • 2. 局部摩擦系数
        • Cf,x=0.664/ÖRex
      • 3. 平均摩擦系数
        • Cf=2Cf,x
      • 4. 局部表面传热系数hx=
      • 5. 平均表面传热系数hl=
    • 6. 积分：近似解；微分：精确解
      • Nux=
    • 7. 对流换热无量纲准则及其意义
    • 8. 相似理论基础
      • 判断相似的条件
        • 1. 单值性条件相似
          • 初始条件、边界条件、几何条件、物理条件
        • 2. 同名已定特征数相等
  • 2. 单向流体对流换热及准则关系式
    • 1. 管内受迫对流换热
      • 1. 进口段与充分发展段
        • 热进口段
          • 从管子进口到热边界层汇合处
        • 热充分发展段
          • 对常物性流体，在常热流和常壁温边界条件下，h为常数
        • 流动 进口段与 热进口段的长度不一定相等
          • 当Pr>1时，流动进口段<热进口段
          • 当Pr＝1时，流动进口段＝热进口段
          • 当Pr＜1时，流动进口段＞热进口段
          • v＞a，则流动边界层比热边界层发展的快
        • 在进口处，边界层最薄， hx具有最高值，随后降低(在紊流情况下，当边界层转变为紊流后，hx将会有所回升)，之后趋于定值。
          • 入口段有强化传热的作用，所以短管强化传热
            • Pr=1时，进口段长度
              • 层流
              • 紊流
      • 2. 管内流体平均温度
        • 管断面流体平均温度
          • 一般试验测得
        • 全管长流体平均温度（蒸汽冷凝或液体蒸发）
          • 1. 对常热流边界条件下qx =常数
            • 算数平均温差
          • 2. 对常壁温边界条件下tw=常数
            • 对数平均温差tf = tw 士Dtm，Dtm=（高-低）/ln（高/低）
      • 3. 物性场不均匀
        • 原因：在有换热的条件下，管截面上流体的温度是不均匀的。 温度不同导致管截面上流体物性也有差别。黏度m不同，黏度对h反作用。
      • 4. 管子的几何特征
        • 弯曲管、非圆形管、粗糙管也都是影响管内传热的重要因素。
    • 2. 计算
      • 1. 紊流换热
        • 1. 迪图斯－贝尔特公式，此式适用于流体与壁面具有中等以下温差场合。对空气，温差<50℃；对于液体，温差在<20℃左右。
          • 缺点：忽略流体物性不 均匀对传热结果的影响
        • 2. 西得-塔特准则关系式
        • 3. 弯曲管道（螺旋管）内的流体流动传热必须在平直管计算结果的基础上乘以一个大于1 的修正系数εR。
        • 4. 总结
          • • 由此式可见，当流体种类确定后，要增强或削弱传热，只能通过改变流速和管径来实现。
      • 2. 层流换热
        • 如果管子较长（即处于热充分发展段）则，Nuf可作为常数处理:
          • Nuf=4.36（q=常数）
          • Nuf=3.66（tw=常数）
          • 只对圆管适用， 不考虑自然对 流影响
      • 3. 过渡流传热
        • Ref=2300-10000
      • 4. 粗糙管壁的换热
        • 柯尔朋类比率
    • 3. 外掠圆管对流换热
      • 1. 外掠单管
        • 当Re<10 时，流动不会发生分离现象 当10<Re≤1.5×105时，边界层为层流，流动分离点在φ=80°～85°之间； 当Re>1.5×105时，边界层在分离点前已经转变为紊流，边界层分离推后， 流动分离点在φ≈140° 处。 边界层的成长和分离决定了外掠圆管传热的特征。
          • 右图分析常热流条件下，圆管壁面局部努谢尔特数Nux 随角度f的变化
        • 虽然局部表面传热系数变化比较复杂 ，但从 平均表面传热系数 看，渐变规律性很明显 。脱流 ， 使换热增强 。
      • 2. 外掠管束
        • 顺排
        • 叉排
        • 后排 的表面传热系数 高于 前排 的 （可达第一排的 1.3 ~1.7 ）
    • 4. 自然对流换热
      • 1. 无限空间
        • 自然对流的流态通常是根据（Gr·Pr ）的大小来判别的
          • 对于竖板表面的自然对流
            • Gr  Pr  10^9,层流
              • 换热热阻主要取决于薄层的厚度
            • Gr  Pr ＞ 10^9,紊流
              • 局部表面传热系数几乎是常量，与壁高无关
      • 2. 有限空间
        • 1. 垂直封闭夹层自然对流换热分类
          • 比较小
            • 小环流
          • δ/H>0.3
            • 自然对流计算
          • 很小
            • 纯导热计算
        • 2. 水平封闭夹层自然对流换热分类
          • 1. 热面在上，冷、热面之间无流动发生，按 导热计算
          • 2. 热面在 下，气体Gr δ<1700 ， 按导热计算；Gr δ>1700 ， 出现环流； Gr δ≥5000 ，蜂窝状流动消失，出现紊流流动
    • 5. 自然对流与受迫并寸的混合对流换热
      • 考察浮升力与惯性力的比值：Gr/Re ^2
        • Gr / Re2  0.1 时，纯受迫对流
        • Gr / Re2≥ 10 时，纯自然对流
  • 3. 凝结换热
    • 1. 膜状凝结
      • 1. 层流
        • h水平/h竖直=0.77(l/d)^0.25;l/d> 2.86, 此时h竖直< h水平,一般冷凝器用横管布置
        • 局部表面传热系数hx~x^-0.25;
        • 平均表面传热系数hv~l^-0.25
      • 2. 紊流
      • 3. 水平管束管外平均表面传热系数
        • 水平管直径小，不会出现紊流膜状凝结， 管束：上一层的凝结液流到下一层管子，使得下一层液膜增厚，导致下一层表面传热系数小
      • 4. 影响膜状凝结的因素
        • 1. 不凝结气体
        • 2. 蒸汽流速
        • 3. 表面粗糙度
        • 4. 蒸汽含油
        • 5. 过热蒸汽
        • 强化膜状凝结传热的措施
          • 1. 壁面开沟槽
          • 2. 有效地排除不凝气体
          • 3. 加速凝结液的排出
          • 4. 在表面形成珠状凝结
            • 较少采用
    • 2. 珠状凝结
  • 4. 沸腾换热
    • 1. 按液体动力分
      • 1. 大空间沸腾 (池沸腾 )
      • 2. 有限空间沸腾 （受迫对流、管内）
    • 2. 按液体的温度
      • 1. 过冷沸腾
      • 2. 饱和沸腾
    • 3. 泡态沸腾机理
      • 1. 气泡生成的条件
        • 1. 力的条件
          • Pv-Pl＞2s/R
        • 2. 温度条件
          • tv＞ts
      • 2. 气泡的成长过程
        • 生成气泡的汽化核心的最小半径Rmin~1/（tw-ts）
      • 3. 影响泡态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数。
    • 4. 沸腾传热的强化措施
      • 增加表面凹坑
• 4. 热辐射
  • 1. 热辐射的基本定律
    • 1. 基本概念
      • 1. 本质和特点
        • 1. 辐射：通过电磁波传递能量的现象。
        • 2. 热辐射：温度或热运动产生的电磁波传播。太阳辐射的波长范围在 0.2～2μm，可见光 占比较大的比重。
        • 3. 电磁波谱：
          • 1. 工业上有实际意义：投射到物体上能产生热效应。 波长 0.1 -100 μm
          • 2. 可见光：0.38~0.76
          • 3. 紫外线、X射线、γ射线：＜0.38
          • 4. 红外线：0.76~1000
        • 4. 热辐射及辐射换热过程的特点：
          • 1. 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射。
          • 2. 热辐射 不依赖物体的接触而进行热量传递，
          • 3. 辐射换热过程伴随着 能量形式的转化 。
          • 4. 辐射换热过程是一个双向（ 两次 ）热流同时存在的过程。
      • 2. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透
        • 黑体、白体、透明体
        • 子主题
      • 3. 辐射强度和辐射力
        • 定向、单色
    • 2. 普朗克定律
      • 1. 黑体的辐射能量按波长分布的规律
        • 1. 黑体的光谱辐射力随温度升高而增大
        • 2. 短波区增大的速度比长波区大
        • 3. 在一定温度下，黑体的光谱辐射力随波长的变化，先是增加，然后又减小，中间有一峰值
        • 4. 随着温度的提高，峰值波长逐渐向短波方向移动
      • 2. 维恩位移定律
    • 3. 斯蒂芬-玻尔兹曼定律
      • 黑体辐射力Eb=
    • 4. 兰贝特余弦定律
      • 1. 黑体表面具有漫辐射性质，即黑体定向辐射强度与方向无关
      • 2. 黑体的辐射能在空间不同方向的分布是不均匀的，法线方向最大，切线方向为零。
      • 3. 漫射表面:同时具备漫发射和漫反射特性的表面
      • 4. 遵守兰贝特定律的辐射表面，其辐射力是任意方向定向辐射强度的π倍。（黑体、漫辐射表面）
    • 5. 基尔霍夫定律
      • 1. e（l，q，T）=a（l，q，T）无条件成立 热平衡的条件下，表面的单色定向发射率等于同温度下它的单色定向吸收率。
      • 2. 漫射表面 e（l，T）=a（l，T）与方向无关
      • 3. 灰体 e（q，T）=a（q，T）与波长无关
      • 4. 漫灰表面 e=a 与方向、波长无关
  • 2. 辐射换热计算
    • 1. 角系数
      • 角系数的计算
        • 1. 由3个非凹形表面组成的系统（A1,A2,A3)
          • X1,2=
        • 2. 两个非凹表面A1和A2 之间的角系数
          • X1,2=
        • 3. 一个非凹表面1和一个凹表面2构成的封闭空腔
          • X1,2=
    • 2. 黑表面间辐射换热
      • 1. 任意放置两非凹黑体表面之间的辐射传热
        • 空间热阻R=
      • 2. 三个黑表面组成空腔的辐射网络
        • f12=-f21
    • 3. 灰表面间辐射换热
      • 1. Eb1和J1之间的辐射表面热阻R=
      • 2. 组成封闭空腔的两灰表面间的辐射换热
        • f12=
      • 3. 空腔与内包壁面之间的辐射换热
        • f12=
      • 4. 三个表面组成的封闭空腔的辐射传热
        • f1=
      • 5. 遮挡板：增加热阻
        • 当加入n块与壁面发射率相同的遮热板，则换热量将减少到原来的1/(n+1)，遮热板层数越多，遮热效果越好。
    • 4. 气体辐射
      • 1. 单原子气体 及分子结构 对称 的双原子气体，可认为是热辐射的透明体
      • 2. 三原子 气体及结构 不对称 的双原子气体，具有相当大的辐射本领
      • 3. 气体辐射特点
        • 1. 气体的辐射和吸收对 波长 具有选择性
        • 2. 气体的辐射和吸收是在整个气体容积中进行的，强度逐渐减弱。
      • 4. 气体吸收定律：光谱定向辐射强度在吸收性气体中传播时按指数规律衰减。
      • 5. 气体的发射率和吸收率
        • 固体辐射与吸收是表面特性，气体的是容积的辐射特性
        • 气体的光谱吸收率和光谱发射率都与热射线在气体中穿行的距离有关。
        • 基尔霍夫定律对气体的光谱辐射成立
        • 二氧化碳对红外辐射的透射率低
    • 5. 气体与外壳间的辐射换热
    • 6. 太阳辐射
      • 1. 太阳的特征与辐射能量组成
        • 1. 太阳辐射的能量99%位于 0.2～3μm短波区
        • 2. 可见光：0.38~0.76，占44.6%
        • 3. ＜0.38的紫外线占8.7%
        • 4. 红外线：＞0.76，占48.3%
      • 2. 太阳能穿过大气层时的削弱的因素
        • 1. 大气层中具有吸收能力的气体的吸收 (臭氧、水蒸气、二氧化碳等）
        • 2. 空气分子和微小尘埃会产生散射一对太阳投入辐射的重新辐射
        • 3. 云层和较大的尘粒对太阳辐射的反射
        • 4. 与太阳辐射通过大气层中的行程有关。
      • 3. 大气层外宇宙空间温度接近于零，是个理想冷源可解释夜晚结霜。
      • 4. 玻璃可通过 见光，而不能通过红外线的特性，可解释 温室效应。
• 5. 传热与换热器
  • 1. 通过肋壁的传热
    • 当换热器两侧的表面传热系数相差较大时，肋片应加在热阻大的一侧效果好。
    • 当换热器两侧的表面传热系数都较低时，如气体换热器，则可在两侧都加肋片。
  • 2. 复合换热的传热计算
  • 3. 传热的增强与削弱
    • 强化传热
      • 1. 加肋片
      • 2. 改变流动状况
      • 3. 改变流体物性
      • 4. 改变表面状况
        • 增加粗糙度
          • 强化单向流体对流传热
        • 改变表面结构
          • 强化凝结、沸腾传热
        • 表面涂层
          • 强化辐射传热
      • 5. 改变传热面形状和大小
        • 椭圆管代替圆管
        • 小直径管代替大直径管
      • 6. 改变能量传递方式
      • 7. 靠外力产生振荡，强化传热
    • 削弱方法
      • 覆盖热绝缘材料
      • 改变表面状况和材料结构
        • 1. 改变表面的辐射特性采用选择性涂层 提高对投入辐射的吸收减少自身对外界的辐射
        • 2. 附加抑制对流的元件 如:太阳能平板集热器的玻璃盖板与吸热板间装设蜂窝状结构材料
        • 3. 在保温材料表面或内部添加憎水剂，使其不吸湿不受潮
        • 4. 利用空气夹层隔热 如:中空玻璃
  • 4. 平均温度差
    • 对数温差
  • 5. 换热器计算
    • 平均温差法
    • 效能-传热单元数法
      • 效能e=实际传热量/最大可能的传热量
        • 实际传热量=源侧传热量=冷侧传热量
        • 理论传热量=（mc）min×最大温升或温降
      • 效能ε的大小与传热单元数NTU 的关系
        • 顺流时e=
        • 逆流时e=
        • 有相变时，效能相同，不分顺流和逆流
        • 传热单元数NTU=KA/Cmin
      • 基本特征
        • 1. 效能一般均随着传热单元数的增大而增大，但有的达到一定 NTU 后趋于饱和 后趋于饱和
        • 2. 效能随热容比的减小而增加
        • 3. 热容比为零时，所有的曲线相同
        • 4. 逆流换热优于顺流。