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《传热学》

发布时间：2020-05-26 19:24:28 来源：文档文库

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传热学复习指南

一、导热问题

二、对流问题

三、辐射问题

四、传热过程与换热器

五、需要理解、掌握的公式

一、导热问题

A)基本知识点

● 等温线、等温面、热流线的定义和特点

● 导热系数

● 导热基本定律（傅立叶定律）——公式、符号、意义

● 三类边界条件的含义、表达式

● 直角坐标下导热微分方程表示式：

 各项的物理意义是什么？

 如何进行简化？如：一维、稳态、常物性、无内热源的导热

● 肋片（翅片）的导热的特点、肋效率的定义

● 热阻的概念与应用

● 导温系数（热扩散率）的定义式及物理含义

● 集中参数法原理、判断准则

● Bi、Fo准则数定义式和含义（Bi与Nu准则数的区别）

● Bi或者Bi0各代表什么？它们对导热的影响。

● 节点方程的建立（内部节点、边界节点）

● 中心、向前、向后差分格式

B) 计算问题

1) 单层或多层平板的导热计算问题。

2) 圆柱体稳态导热问题

3) 非稳态导热集中参数问题计算

4) 根据能量平衡建立节点的离散方程

C) 深入问题

● 一维、二维非稳态问题建模（方程+定解条件）

● 显式格式的稳定性问题

● 数值解稳定性、收敛性、精确性的含义

● 肋片计算： ——二阶线性齐次常微分方程，

P——参与换热的截面积；Ac——肋片横截面面积。

温度与肋根热流量为：

肋效率：

D) 典型例题与习题

（1）典型例题与习题

例题2-2 、例题2-5、例题2-12、例题3-1、例题3-2、例题2-5

习题2-4、10、17、18、34、71、习题3-9、10

（2）集中参数法计算

前提条件：Bi0；方程如何建立需要掌握！！公式：，时间常数的概念及其在热电偶测温中的应用：exp(-1)=36.8%。

（a）先判断是否适用（l =V/A）：BiV < 0.1M，M=1（平板）、1/2（圆柱）、1/3（球）

（b）注意面积、体积的定义：A——参与换热的表面积

（3）离散方程的建立与应用

举例：

（1）已知导热微分方程为，q和均为常数，右图中角点节点A相邻两节点的温度分别为T1和T2、T3和T4，T4侧为绝热，若环境温度为Tf，对流换热系数为 h，x=y，问：这是个什么样的导热问题？列出角节点A的差分方程。

答：是个二维、稳态、常物性参数、有内热

源的导热问题（这里q为内热源强度）。

（2）一根直径为2mm的铜导线，每米的电阻值为0.002欧姆，导线的外包有厚1mm，导热系数为0.15W/(m.K)的绝缘层，限定绝缘层的的最高温度为50℃，环境温度为20℃，环境的对流换热系数为5W/(m2K)，试确定在这种条件下导线所允许通过的最大电流。（12分）

解： W/m (8分)

Q/L=I2R （2分）； I <=30 A （2分）

（3）直径为2厘米的钢球，比热为0.48kJ/(kg℃)，密度为7753kg/m3，导热系数为33W/(m℃)，置于对流换热系数为20W/(m2℃)，温度为20℃的空气中，计算该钢球从400℃下降到260℃的时间（以秒为单位）。

（4）在一根外径为100mm、管壁温度为400C的热力管道外包覆一层厚度为75mm、导热系数为0.06W/(m.K)绝热材料，然后再包覆一层厚度相同、导热系数为0.12W/(m.K)的保温材料，保温材料外表面的温度为50C，试计算热力管道单位长度上的热损失。如果两种保温材料位置互换，对热损失有否影响？为什么？

每步概念清楚、计算正确得满分。能正确列出公式，但计算出差错，适当扣分。

二、对流换热问题

A)基本知识点

（1）牛顿冷却公式——公式、符号、含义

（2）对流换热定义和特点

a) 定义：流体流过壁面,而且与壁面存在温度差时,流体与壁面间的热量传递过程。

b) 特点：温差存在，而且与固体表面直接接触；对流换热是导热和对流联合作用的结果。

（3）边界层理论的主要内容

（4）对流换热微分方程组

推导微分方程的物理依据: 连续方程；动量方程；能量方程

如何由温度分布求得出h――换热微分方程：

（5）边界层积分方程组主要求解结果

局部表面传热系数：

平均努塞尔数：

（6）Re, Pr, Nu, Gr准则数的定义及物理意义（表6-1）

（7）比拟理论（雷诺比拟定义）

（8）定性温度、定性尺寸、定性速度含义、选择准则

（9）两种典型的热边界条件及其特点

（10）管（槽）内流动入口段的定义及表面传热系数变化的规律

（11）不均匀物性场对速度分布和换热的影响

（12）管（槽）内湍流强制对流的关联式中并没有特别指出热边界条件，为什么？

（13）管（槽）内层流强制对流的传热有何特点？

（14）当量直径的定义、计算

（15）横掠圆管时的流动特征和局部换热系数的变化规律

（16）横掠管束（顺排、叉排的特点）

（17）自然对流的定义、准则方程的特点

（18）竖壁自然对流的温度与速度分布、局部传热系数变化

（19）大空间自然对流的定义、定性尺寸如何选择

（20）凝结的两种方式：膜状凝结和珠状凝结——定义、特点和不同

（21）横、竖管凝结传热计算不同：——特征尺寸不同

——l/d=50时，横是竖的2倍，所以冷凝器常采用横管布置。

（22）沸腾现象（分类、定义等—大容器沸腾）

（23）大容器饱和沸腾曲线及其区域、特征点

（24）不凝结气体对凝结换热和沸腾换热的影响如何？

（25）凝结换热的阻力在哪里？强化凝结换热的思路？

（26）强化对流换热的方法有哪些？

B) 计算问题

（1）能准确地选用合适的关系式（一般会给出）计算对流换热问题。（注意适用范围、定性温度等）

（2）根据（将对流换热表面传热系数与流体的温度场联系起来），由温度场的分布、边界层的解等信息，求解局部传热系数。

（3）根据相似原理，进行模化试验时的参数确定。

注意事项：

 注意定性温度、定性尺寸的选择：公式中下标m、f的含义？

 定义式：

 对代表性的公式、数据有所概念。如层流过渡到湍流的临界雷诺数值（外掠平板时Re ≥ 5105、管内流动Re ≥ 2300等）。

例题5-5； 5-7；5-8；

C) 深入的问题

数量级分析方法、边界层换热微分方程组、量纲分析

D) 典型例题和习题

例题5-1~2（P.217）、例题6-3（P.254）、例题6-6（P.274）、例题6-9（P.282）、习题6-8（P.287）、习题6-8（P.287）、习题6-33（P.290）

计算举例

（1）在边界层流动中，若边界层中的温度分布为（T-Tw）/（Tf - Tw）=3（y/）-2（y/）2，Tf为流体外流的温度，Tw为壁的温度，若流体的导热系数为0.03W/(m℃)，/x=5.0/Rex1/2，当x = 0.2m时的雷诺数为102400，求当地（x =0.2m处）的对Nu数及流换热系数。（10分）

解：q=h(Tw-Tf)= - (dT/dy)y=0 （3分）

求解可得：h = 3 / (3分)

Nux=h x / =(h/)(x/)=0.6 Rex1/2 (2分)

X =0.2m时，Re=102400, 则 = 0.003125m (1分)

Nux = 192 （1分）

h =3*0.03/0.003125=28.8 W/(m2 .K) （2分）

（2）20C的空气在常压下以3m/s的速度流过长为200mm的平板，若平板温度为60C，试求空气离开平板时，平板单位宽度的总放热量。已知流体受迫流过平板时的对流换热公式是：

物性 \ 温度	20 C	40 C	60 C
	0.0257	0.0271	0.0284
(10-6)	15.11	16.97	18.90
Pr	0.713	0.711	0.709

三、热辐射问题

A) 基本概念和要求

（1）热辐射的基本特点及其与导热、对流的区别

（2）黑体辐射的基本定律（Planck定律、S－B定律、Lambert定律）及其定量计算

（3）维恩位移定律及其应用

（4）定向辐射强度的定义

（5）实际物体的辐射特性，发射率、吸收比的定义

（6）基尔霍夫定律内涵、公式、条件

（7）角系数的特点、性质及其简单计算

（8）黑体和灰体的定义、性质

（9）表面热阻、空间热阻的概念、公式

（10）有效辐射J的概念及其计算

（11）两个及多个漫灰表面辐射换热的计算方法

（12）辐射换热的强化与削弱

（13）气体辐射的特点

（14）利用辐射换热的知识解释说明日常生活和实际中的现象，如：夏天穿白衣、钢锭在加热炉中颜色随炉温的变化、对太阳能集热器涂层材料的要求、温室效应原理等等。

（15）用辐射网络法求解辐射换热问题

B) 计算问题

（1）对简单的问题，用几何法计算角系数

（2）两漫灰表面间的辐射换热计算

几种特例：黑体的情况；一个X1,2=1的情况；A1=A2的情况

（3）多表面介质辐射换热的计算问题

（a）等效网络图（划分表面依据：热边界条件，而非几何条件）

（b）列出节点方程式（依据类似电学中的基尔霍夫定律）

（c）求解代数方程J1，J2，…，JN （当表面个数较多时，可借助计算机求解）

（d）求某表面的净辐射热流Φi：

（e）表面i、j之间的辐射换热量Φi,j

（f）两种特例：一个辐射面为黑体的情况以及一个辐射面为重辐射面（绝热）的情况。网络图有什么不同？

,

（4）遮热板原理及其计算

（a）不加遮热板之前的热阻网络图（b）加遮热板后的热阻网络示意图。

每增加一块遮热板即增加了二个表面热阻和一个空间热阻！因而大大削弱了换热。

辐射计算常见错误

（a）计算黑体辐射力Eb=σT4时温度应该用热力学温度（K），而不是摄氏度（℃）。

（b）涉及灰体表面的换热计算时，热流量的计算公式中，（同温度下黑体的辐射力），而不是，因为黑度的影响已考虑在表面热阻中。

C) 典型例题习题

例题9-1（P.404）、例题9-4（P.410）、例题9-5（P.415）、例题9-6（P.417）、9.6.2节（P.436~P.437）、习题9-6（P.446）、习题9-7（P.446）、习题9-23（P.449）、习题9-35（P.450）、习题9-36（P.450）

计算题

（1）某圆柱形内封闭空腔如右图，1为底面，2为顶面，3为侧面。圆柱体底、顶面直径等于其高度。已知角系数X1,2=0.2，求：X3,3= ?

（2）两块平行放置的平板的表面发射率均为0.8，温度分别为t1=527C及t2=27C，板间距远小于板的宽度和高度。试计算：（1）板1、2之间单位面积的辐射换热量；（2）板1的自身辐射E1；（3）板1的投入辐射G1；（4）板1的有效辐射J1；（5）板1的反射辐射Gρ1。=5.6710-8 (W/m2K4)