【正文】 ? 由此可知 , 熱量傳遞的起因是由于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)兩部分之間存在溫度差。也即凡是有溫度差存在的地方 , 就必然有熱量的傳遞 , 并且熱量總是自發(fā)地從高溫處向低溫處傳遞。 ? 傳熱的基本方式 – 熱傳導(dǎo)、對流、熱輻射 – 傳熱可依靠其中的一種方式或幾種方式同時進(jìn)行，凈的熱流方向總是從高溫處向低溫處流動。 （導(dǎo)熱） ? 若物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）。 ? 條件 :系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差，此時熱量將從高溫部分向低溫部分傳遞，或從高溫物體傳向與之接觸的低溫物體。 ? 熱傳導(dǎo)在固體、液體和氣體中均可進(jìn)行，但導(dǎo)熱的微觀機(jī)理因物態(tài)而異。 、熱傳導(dǎo)的基本概念和定律 一 .溫度場與溫度梯度 ? 物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)間的溫度差存在是產(chǎn)生熱傳導(dǎo)的必要條件。由熱傳導(dǎo)方式引起的 傳熱速率 （稱為導(dǎo)熱速率）決定于物體內(nèi)溫度的分布情況。 ⒈溫度場：任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布總和 。 T=f(x,y,z,t) 某點(diǎn)的溫度是空間和時間的函數(shù)。 物體溫度隨 x,y,z,t變化，因此三維非穩(wěn)態(tài)溫度場 穩(wěn)態(tài)溫度場 ? 溫度場不隨時間變化而變化，稱為穩(wěn)態(tài)溫度場，穩(wěn)態(tài)溫度場的導(dǎo)熱稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。 T=f(x,y,z) ? 穩(wěn)態(tài)溫度場只和一個坐標(biāo)有關(guān)，稱為一維穩(wěn)態(tài)溫度場 T=f(x) 等溫面與等溫線 ? 等溫面：溫度場中同一時刻下相同溫度各點(diǎn)所組成的面，彼此不相交 ? 等溫線：不同的等溫面與同一平面相交，則在此平面上構(gòu)成了一簇曲線稱為等溫線。 ? 物體某一時刻的等溫面，表示了該時刻物體內(nèi)溫度的分布情況，也就描述出了溫度場的分布。 ⒉ 溫度梯度 單位向量表示三個坐標(biāo)軸方向的＋＋沿法線方向溫度的導(dǎo)數(shù)法線方向上的單位向量:,::kjikztjytixtgr adTntnnntgr adT????????????⒉ 溫度梯度 ? 溫度梯度以某點(diǎn)沿法線方向溫度增加的方向?yàn)檎? ? 溫度降度 ：溫度梯度的負(fù)值叫溫度降度，它是與溫度梯度數(shù)值相等，方向相反的向量 熱流向量 q ? 熱流通量：單位時間單位面積上所傳遞的熱量稱為熱流密度，或熱流通量。 ? 熱流向量：等溫面上某點(diǎn)以通過該點(diǎn)最大熱流通量的方向?yàn)榉较?，?shù)值上也正好等于沿該方向熱流通量的向量，稱為熱流向量。 –其它方向的熱流通量都是熱流向量在該方向的分量 傅立葉定律 與溫度梯度方向相反－：表示熱流向量方向：溫度梯度：導(dǎo)熱系數(shù)熱流向量大小成正比熱流向量與溫度梯度的gr ad Tqgr ad Tq??:??導(dǎo)熱系數(shù) ? 導(dǎo)熱系數(shù)：溫度梯度為 10C/m時，單位時間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量。 ? 導(dǎo)熱系數(shù)表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力 ? 大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度近似成線性關(guān)系 – 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大 – 液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度與壓力的升高而增大 – 金屬固體 ? 大部分純金屬導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減小 ? 大部分合金金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大 – 非金屬固體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大 并把它作為常數(shù)看待均值，用溫度范圍內(nèi)的算術(shù)平使工程中，導(dǎo)熱系數(shù)常?。簻囟龋簩?shí)驗(yàn)測定的常數(shù)時的導(dǎo)熱系數(shù)Tb0:000CbT??? ?? 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱類型 ? 水工藝設(shè)備中的導(dǎo)熱過程沒有內(nèi)熱源，物體的溫度僅沿一個方向變化，而且不隨時間發(fā)生變化，一般都可以近似地看做是 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 過程。例如，通過長熱水管道管壁的導(dǎo)熱。 ? 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱按導(dǎo)熱物體的形狀分 平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 和 圓筒壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 兩大類。 ? (1)平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 設(shè)一厚度為 δ(m)的單層平壁，如圖 ，無內(nèi)熱源，材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ為常數(shù)。當(dāng)平壁的長度與寬度遠(yuǎn)大于其厚度時 (長度和寬度是厚度的 10倍以上 ) 可以認(rèn)為沿長度與寬度兩個方向溫度變化很小，而僅沿厚度方向發(fā)生變化，近似的認(rèn)為是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 ：通過平面的熱量：導(dǎo)熱熱阻；：兩個邊界的溫度；、熱流密度；QR:)(。212121TTqRTTFqFQRTTq?????多層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 熱阻：單位面積平壁的導(dǎo)熱RR???：各層熱阻、 32132141RRRRRRTTRTq?????? (2)圓筒壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 ? 水工藝設(shè)備中有許多圓筒狀的設(shè)備部件或材料，要換熱或防止散熱。這些圓筒狀物體的長度遠(yuǎn)大于壁厚，沿軸向的溫度變化可以忽略不計(jì) 熱阻單位長度圓筒壁的導(dǎo)熱:ln21211221lllRRTTddTTq??????多層圓筒壁 iini inninlddTTR l iTTq1111111ln21?????????????接觸熱阻 ? 接觸熱阻：對于多層平壁和多層圓筒壁，其表面一般不是完全平整光滑的，兩固體直接接觸時，其界面不是完全與平整的面接觸，而是點(diǎn)接觸。當(dāng)導(dǎo)熱過程在這兩個點(diǎn)接觸的固體之間進(jìn)行時，就會有一個額外的熱阻，這種熱阻稱為接觸熱阻。 – 接觸熱阻使實(shí)際的溫度分布與分析結(jié)果差別很大，實(shí)際的導(dǎo)熱量小于計(jì)算值。特別是當(dāng)界面空隙中充滿導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于固體的氣體時，接觸熱阻更為明顯。 – 當(dāng)熱流量很大時，盡管接觸熱阻很小，界面上產(chǎn)生的溫差也不能忽視 ? 影響接觸熱阻的因素有：固體表面的粗糙度，兩固體的材料硬度及匹配情況，接觸面上的擠壓壓力，接觸界面間空隙中的介質(zhì)等。 ? 工程中為了減小接觸熱阻，常采用以下措施： – 增加接觸面上的擠壓壓力，使材料間的點(diǎn)接觸變形，增大接觸面積； – 選用硬度不同的兩種固體材料； – 在接觸界面間的空隙中填充特殊材料代替空氣等。 對 流 換 熱 ? 熱對流是傳熱的另一種基本方式，是依靠流體的運(yùn)動，把熱量由一處傳遞到另一處。因?yàn)樵趯α鱾鳠徇^程中有溫度差，因此熱對流又必然同時伴隨著熱傳導(dǎo)。 ? 工程中的實(shí)際傳熱問題都是流體與固體壁直接接觸時的換熱，所以把流體與固體壁間的換熱稱為對流換熱 (也稱放熱 )。 影響對流換熱的因素 ? 對流換熱過程不是基本的傳熱方式，而是由導(dǎo)熱和熱對流兩種方式同時作用的一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象。 (1)流體流動的原因 ? 流體以某一流速在壁面上流動的原因有兩種： – 自然對流也叫自由流動，是因流體內(nèi)部溫度不同，造成密度差異，從而產(chǎn)生的流動。 – 受迫對流也叫強(qiáng)制對流，流體是在泵、風(fēng)機(jī)或靜水壓力等外力作用下產(chǎn)生的流動。 水工藝設(shè)備中主要應(yīng)用受迫對流換熱方式。 (2)流體的流動狀態(tài) – 流體在壁面上流動又有層流和紊流兩種流態(tài)。紊流時，對流傳遞作用得到強(qiáng)化，熱對流傳遞的熱量遠(yuǎn)大于導(dǎo)熱傳遞的熱量，因此，紊流時換熱比層流要強(qiáng)。 影響對流換熱的因素 ? (3)流體的物理性質(zhì) – 影響對流換熱的物理性質(zhì)主要是比熱、容積膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和粘度，流體的這些物理性質(zhì)因種類、溫度、壓力而變化。 – 導(dǎo)熱系數(shù)影響流體與固體表面間的導(dǎo)熱作用，導(dǎo)熱系數(shù)大，流體內(nèi)和流體與壁之間的導(dǎo)熱熱阻小，換熱就強(qiáng)。 – 流體的比熱與密度大，攜帶的熱量多，對流作用時傳遞熱量的能力也高。 – 流體的粘度主要影響流體的流動狀態(tài)，粘性大的流體的流速小，不利于熱對流 ? (4)流體的相變 – 流體在換熱過程中有冷凝、沸騰等相變參與的換熱稱相變換熱。 – 流體相變，不僅改變了流體的物理性質(zhì)，而且流體的流動狀態(tài)和換熱機(jī)理也都發(fā)生于變化，對對流換熱過程影響較大。 – 凝結(jié)換熱方式應(yīng)用于蒸汽為熱媒的熱交換設(shè)備中。 影響對流換熱的因素 (5)換熱表面狀況 –固體壁面的形狀、尺寸及與流體的相對位置直接影響流體在壁面上的流態(tài)、速度分布、溫度分布，進(jìn)而影響對流換熱作用。 凝 結(jié) 換 熱 ? 工質(zhì)在飽和溫度下由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程稱為凝結(jié)或冷凝， ? 當(dāng)蒸汽與低于它的飽和溫度的固體壁面接觸時，就會放出汽化潛熱而凝結(jié)下來，稱為凝結(jié)換熱。 ? 凝結(jié)換熱是蒸汽加熱設(shè)備中最基本的換熱過程。 ? 凝結(jié)形式 ? 因凝結(jié)液潤濕壁表面的能力不同，有兩種凝結(jié)形式， – 膜狀凝結(jié) :如果凝結(jié)液能很好地潤濕壁面，就會在壁面上形成一層完整的液膜，這種方式稱為“膜狀凝結(jié)”， – 珠狀凝結(jié) :如果凝結(jié)液不能潤濕壁面 (如壁面涂有油脂 )，就會在壁面形成，顆顆的液珠，這種方式稱為“珠狀凝結(jié)” – 珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)大，是膜狀凝結(jié)的 10余倍。 – 珠狀凝結(jié)很不穩(wěn)定，難以在工程中應(yīng)用，工業(yè)設(shè)備里遇到的多是膜狀凝結(jié)。 影響膜狀凝結(jié)的因素 ? (1)蒸汽流速 – 水蒸氣流速增大，液膜流動加快，液膜變薄或脫離壁，凝結(jié)增強(qiáng)，換熱被強(qiáng)化。 ? (2)蒸汽純度 – 蒸汽中含有微量不凝性氣體和不溶于凝結(jié)液中的油時，會嚴(yán)重影響凝結(jié)換熱。 ? (3)粗糙度 – 當(dāng)凝結(jié)雷諾數(shù)較低時，凝結(jié)液容易積存在粗糙的壁上，使液膜增厚，換熱系數(shù)降低；但當(dāng)雷諾數(shù)較大時，換熱系數(shù)又可高于光滑壁。 兩種常用凝結(jié)換熱系數(shù)表達(dá)式 兩種常用凝結(jié)換熱系數(shù)表達(dá)式 增強(qiáng)凝結(jié)換熱的措施 ? 增強(qiáng)凝結(jié)換熱主要是減薄凝結(jié)液膜層的厚度，加速凝結(jié)液的排泄，促成珠狀凝結(jié)形成等?？梢圆扇∠铝写胧? – 1)改變表面幾何特征 如在壁面上順著凝結(jié)液流動方向開出一些細(xì)小的溝槽或加上一些矮肋，使換熱系數(shù)增加。一方面是槽 (或肋 )的脊背部分增加換熱面積，另一方面，由于表面張力的作用，凝結(jié)液將被拉回到溝槽內(nèi)，順槽排泄，而槽的脊背上只有極薄的液膜，使熱阻降低。 – (2)排除不凝氣體 設(shè)備應(yīng)正壓運(yùn)行。 . – (3)加速凝結(jié)液的排除 用加裝導(dǎo)流裝置或低頻振動、靜電吸引等措施，加 速凝結(jié)液的排泄。 。 – (4)造成珠狀凝結(jié)的條件 在凝結(jié)壁面上涂鍍聚四氟乙烯等凝結(jié)液附著力很小的材料，在蒸汽中加珠凝促進(jìn)劑等。 – 蒸汽在管內(nèi)受迫流動時，換熱系數(shù) α＝ 100—200，水在管內(nèi)受迫流動時， α ： 500～ 10000，蒸汽凝結(jié)時。 α ＝ 4000～15000。有相變時的放熱系數(shù)又遠(yuǎn)比無相變時大。 輻 射 換 熱 ? 熱輻射則是靠物體表面對外發(fā)射可見和不可見的射線傳遞熱量的。 – 所有的物體，只要其溫度高于絕對零度，都不斷地在進(jìn)行熱輻射，同時也不斷地吸收外來的熱輻射。 熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn) ? 通常把可見光線、部分紫外線和紅外線稱為 熱射線 ，它們投射到物體上能產(chǎn)生熱效應(yīng)。 ? 由自身溫度或熱運(yùn)動的原因而激發(fā)產(chǎn)生熱射線的傳播過程稱為 熱輻射 。 ? 紫外線 380納米， 380可見光 760納米 ? 紅外線 760納米，無線電波 1000微米 熱輻射的特點(diǎn) (1)輻射換熱不需冷熱物體直接接觸和任何中間介質(zhì)，就能進(jìn)行熱量傳遞，如陽光能夠穿越低溫太空向地面輻射。 (2)輻射換熱過程伴隨著能量轉(zhuǎn)化，即物體的部分內(nèi)能 ——電磁波能 ——另一物體內(nèi)能 (3)溫度高于絕對零度的一切物體，不論溫度高低，都會不斷地發(fā)射熱射線 總的效果是高溫物體把能量傳給低溫物體 – 近代物理學(xué)證實(shí)，熱射線的本質(zhì)既是電磁波，又是一粒一粒運(yùn)動著的具有運(yùn)動質(zhì)量、動量和能量的光子流。輻射既具有波動性，又具有粒子性，是光子傳播能量的過程。所以，可見光線的反射和折射規(guī)律，也適用于熱射線 幾個基本概念 (1)輻射吸收 物體對外來輻射的吸收能力，與物體表面材料的性質(zhì)、表面光潔度等因素有關(guān)。當(dāng)熱射線投射到物體上時，有一部分被物體吸收，一部分被物體表面反射，還有一部分則透過物體。 設(shè)單位時間內(nèi)投射到物體單位表面積上的輻射總能量為 G(W／m2)，其中，吸收能量為 Gα，反射能量為 Gρ，透射能量為 Gη 由能量守恒得 Gα+Gρ+Gη＝ G 若等式兩端同除以 G得 幾個基本概念 ? 黑體：如果 α＝ 1，說明投射到物體上的輻射能將全部被吸收。這樣的物體稱為絕對黑體，簡稱黑體； ? 白體：如果 ρ＝ 1，說明投射到物體上的輻射能將全部被反射。這樣的物體稱為絕對白體，簡稱白體； ? 透明體：如果 η＝ 1，說明投射到物體上的輻射能全部穿透物體。這樣的物體稱為絕對透明體，簡稱透明體。 ? 需要指出，物體表面的吸收和反射特性與其顏色沒有大的關(guān)系。 (2)輻射力與輻射定律 ? 1)輻射力：所有的物體，只要其溫度高于絕對零度，都不斷地在進(jìn)行熱輻射，物體的輻射能力用輻射力來表示。 ? 輻射力是指發(fā)射體單位表面積在單位時間內(nèi)向半球空間所發(fā)射的熱射線總能量，