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传热学与流体力学基础传热学与流体力学基础（第四课）.传热的三种基本形式传热的三种基本形式 热量传递的三种基本方式是：导热热量传递的三种基本方式是：导热(热传导热传导)、对流、对流(热对流热对流)和热辐射和热辐射 。传热学是热泵最重要的基础之一：热泵热传热学是热泵最重要的基础之一：热泵热水器相当大一部分的设计和制造问题，是水器相当大一部分的设计和制造问题，是传热问题，在热泵系统的四个主要部件里，传热问题，在热泵系统的四个主要部件里，专门用于传热的就有两个，蒸发器与冷凝专门用于传热的就有两个，蒸发器与冷凝器，即俗称的器，即俗称的“两器两器”；热量传递过程的推动力是热量传递过程的推动力是“温差温差”.由热力学第二定律得知：热量可以自发地由热力学第二定律得知：热量可以自发地由高温热源传给低温热源；由高温热源传给低温热源；热量传递的必要条件是温差，有温差就会热量传递的必要条件是温差，有温差就会有传热，温差是热量传递的推动力有传热，温差是热量传递的推动力,没有温没有温差热量就不会发生传递。差热量就不会发生传递。热量传递的方向：热量总是由高温的物体热量传递的方向：热量总是由高温的物体传递给低温的物体，不可能出现相反的热传递给低温的物体，不可能出现相反的热传递现象。传递现象。在实际中发生的传热过程，往往是三种传在实际中发生的传热过程，往往是三种传热方式的共同作用的总和。热方式的共同作用的总和。.导热的定义 指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体之间直接接触时，依靠物体分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递现象；导热的特征是：发生导热时，物体分子的各部分之间并不发生相对位移，物体间也无“质”的传递与混合，而是将其无规则的分子运动能量传递给相邻的物体；.傅里叶定律 导热量，与导热系数成正比，与导热面积成正比，与温差成正比式中：为传热量，“A”为垂直于导热方向 的传热面积；“”为物质的导热系数，为温差.平板的导热如图，对于一如图，对于一大块平板的导大块平板的导热，假如其厚热，假如其厚度为度为，面积，面积为为A A，两端的温，两端的温差为差为t,t,导热导热系数为系数为。.导热公式告诉我们导热公式告诉我们这个公式可以看出，在传导过程中的传热这个公式可以看出，在传导过程中的传热量量是与导热系数是与导热系数，导热面积，导热面积A A和两物体和两物体的温度差的温度差tt成正比的；成正比的；在上述的三个因素中，任何一个因素的增在上述的三个因素中，任何一个因素的增加都会导致传热量的增加，任何一个因素加都会导致传热量的增加，任何一个因素的减少，又都会导致传热量的减少；的减少，又都会导致传热量的减少；而传热量而传热量，与平板的厚度，与平板的厚度成反比，即成反比，即增加板的厚度增加板的厚度，将降低传热量。，将降低传热量。.导热系数（热导率）导热系数（热导率）导热系数是物质固有的物性参数；导热系数是指：在稳定的传热条件下，1米厚的材料，两侧表面的温差为1度（K）,在单位时间内，通过1平方米面积所传递的热量，单位为瓦/米度（W/mK，此处的K也可用C代替）；反映该材料本身的热传导能力。不同物质热导率的差异：是由物质状态、构造、晶体、分子状态等因素造成的。.导热系数的大致规律导热系数的大致规律对于绝大部分物质来讲，金属的导热系数最高，液体次之，而气体最低；每种物质都有自己特定的导热系数。大体上是固体固体液体液体气体气体 ；一般的，导电性好的材料，导热性也好；导热系数与状态有关，例如冰的导热系数为2.22 W/(mk)，水的导热系数为0.599 W/(mk)，而水蒸气的导热系数仅为0.0194 W/(mk)。.通常把导热系数较高的金属材料称为导热材料，如铜、铝和钢。而把导热系数在0.05 W/米以下的材料称为保温材料，如泡沫塑料。.银 =429 W/(mk)纯铜 =399 W/(mk)电解铝 =237 W/(mk)纯铁 =81.1 W/(mk)钛 =22 W/(mk)铜铝合金 =56 W/(mk)碳钢 =35-49 W/(mk)玻璃 =0.65-0.71 W/(mk)棉花 =0.049 W/(mk)聚苯乙烯 =0.042 W/(mk)水垢 =1.31-3.14 W/(mk).对流换热对流换热热对流是流体（液体和气体）各部分发生宏观运动而引起的热量传递现象，而对流换热是运动着的流体同与之相互接触的物体表面之间由于温差的存在而发生的热量传递；对流换热是导热与热对流同时存在的复杂热传递过程。必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动，也必须有温差。接触壁面处，流体会形成速度梯度很大的边界层（附面层）.对流换热的多种形式按流体是否发生相变划分，有相变的分为蒸发换热或者冷凝换热，无相变的则成为普通换热；在空气源热泵热水器的冷凝器和蒸发器内进行的换热过程，都是有工质发生相变的对流换热过程，蒸发器中沸腾气化，冷凝器中凝结液化。有相变的换热过程更加复杂，影响换热的因素更多。.按引起流体流动的原因，如由水泵和风机引起的流体强迫流动，称为强制（受迫）对流换热；如果对流运动是由于自身的温度不均以致密度不均造成的，则称为自然对流换热；在实际的热泵系统中，无论冷凝器还是蒸发器，多数都是强制对流换热，因为强制对流换热的换热系数要高的多，同时也不易积垢。按流体的流动状态还可以分为层流换热和紊流换热，层流是在进行换热器设计和校核时要尽量避免的情况。.对流换热的基本计算公式对流换热的基本计算公式 牛顿冷却公式牛顿冷却公式 =h A（t1t2）h A t 式中：为换热量；h为表面传热系数，单位是W/mK；A为换热面积，单位是平方米，t1和t2为高、低端温度，t为传热温差。要特别注意材料的导热系数和表面换热系数h是两个意义不同的概念；导热系数是描述某种物质材料本身的导热性能，单位是W/(mk).微型板式换热器.表面换热系数的定义 对于表面换热系数可以这样理解：在1的温差下，该表面每一平方米面积的换热能力，即是该表面的“表面换热系数”。单位是 。.，对于一个换热装置来讲，影响其对流换热能力的三个最主要因素是表面换热系数、换热面积和传热温差，这三个因素中任何一项的提高，都会提高该换热装置的换热能力；（相同金属材料的前提下）但是在实际的热泵换热器设计和制造中，为了追求设备的紧凑性和经济性，不会一味的通过加大换热器的换热面积来提高换热能力，而实际的工艺要求又往往不允许过大的传热温差，（如热泵和冷冻装置的蒸发器和冷凝器），所以如何提高换热器的表面传热系数，成为换热器设计中最重要的一环。.不同换热状态下表面传热系数的大不同换热状态下表面传热系数的大致数值范围致数值范围.和导热系数相似的是，物体的状态对表面换热系数也有极大的影响：水蒸气的换热系数低于水的表面换热系数；另外还应该注意到，在水的沸腾和凝结换热时其表面换热系数有显著的提高，尤其是蒸发过程的沸腾换热，说明流体的状态对换热系数的影响规律；在热泵工质循环的蒸发器和冷凝器中，也发生着制冷剂的沸腾和凝结，对换热过程有很大的影响。.热辐射热辐射 物体间通过辐射来实现热量交换的过程称为辐射换热；它无须物质之间的相互接触，也不需要传热介质来传递热量，在真空中同样可以进行，太阳的热量就是这样传递到地球并养育万物生长的。物体会因为很多原因发出辐射，因为热的原因发出的辐射称为热辐射，热辐射也是电磁波，它的波段范围在0.1-100m之间。.热辐射是由热运动产生的，以电磁热辐射是由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量波形式传递的能量.任何物质都具有热辐射的能力，热辐射的唯任何物质都具有热辐射的能力，热辐射的唯一条件是它的温度必须高于绝对温标的零度一条件是它的温度必须高于绝对温标的零度（0K0K），而达到或低于这一绝对零度是绝对），而达到或低于这一绝对零度是绝对不可能的，所以，任何物体，都会不停地向不可能的，所以，任何物体，都会不停地向周围空间发出热辐射；周围空间发出热辐射；同一件物体，它的辐射能与它自身的温度正同一件物体，它的辐射能与它自身的温度正相关，即温度越高，发射的热量就越多，但相关，即温度越高，发射的热量就越多，但是物质不同，或者其表面形状不同，在同样是物质不同，或者其表面形状不同，在同样的温度下辐射能力也不相同，受材料粗糙度、的温度下辐射能力也不相同，受材料粗糙度、氧化情况等因素的影响氧化情况等因素的影响 热辐射具有强烈的方向性，辐射能与温度以热辐射具有强烈的方向性，辐射能与温度以及波长有关及波长有关 。.红外测温.红外热成像.视夜镜在军事上的应用视夜镜在军事上的应用.辐射供暖辐射供暖红外线辐射供暖的辐射红外线辐射供暖的辐射强度高、效果好，在辐强度高、效果好，在辐射供暖的环境中，围护射供暖的环境中，围护结构、地面和环境中的结构、地面和环境中的设备表面有较高的温度，设备表面有较高的温度，所以人体有较好的舒适所以人体有较好的舒适感，此时人的实感温度感，此时人的实感温度高于周围环境的空气温高于周围环境的空气温度。度。.斯忒潘斯忒潘-玻耳兹曼定律（黑体）玻耳兹曼定律（黑体）式中：式中：A为辐射面积，为辐射面积，为常数，为常数，=5.6710（MK），），T 为绝为绝对温度。对温度。.辐射的过程与能量物体的热辐射过程，是一个动态平衡的过程：它在向外进行热辐射的同时，正身也在吸收热辐射；辐射传热不需要介质，可以在真空进行，对空气加热也很少.吸收率、发射率和黑体吸收率、发射率和黑体认识热辐射，有两个重要的指标，一个是认识热辐射，有两个重要的指标，一个是发射率，一个是吸收率；发射率，一个是吸收率；为了消除物体表面性质对辐射的影响，科为了消除物体表面性质对辐射的影响，科学家们虚拟了一种理想物体，它的吸收率学家们虚拟了一种理想物体，它的吸收率为为100%100%，我们称其为黑体，我们称其为黑体，黑体同时也是热发射率最高的物体，所有黑体同时也是热发射率最高的物体，所有实际物体的吸收率和发射率，都低于黑体，实际物体的吸收率和发射率，都低于黑体，黑体的辐射热的能力与温度、面积紧密相黑体的辐射热的能力与温度、面积紧密相关：关：.附：选择性吸附涂料附：选择性吸附涂料黑色涂层的吸收率很高，但是发射率同样很高，为了提高太阳能的热利用效率，科学家们研究了许多降低集热器发射率的方法和材料，力图在尽量少的降低吸收率的情况下，降低集热器的发射率；选择性吸附涂层就是这样一种新的技术：它虽然降低了吸热材料吸收率，但是更大程度的降低了它的发射率，最终达到提高集热器效率的目的。.传热过程与传热系数传热过程与传热系数 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热。进行的换热。传热过程中，固体壁面两侧不同温度的流传热过程中，固体壁面两侧不同温度的流体不能互相混合，仅能透过改固体壁面进体不能互相混合，仅能透过改固体壁面进行热的传递。行热的传递。工程上实际发生的热量传递，基本上都不工程上实际发生的热量传递，基本上都不会是单一的热量传递形式会是单一的热量传递形式 ，三种热量传递，三种热量传递的形式经常是同时存在的的形式经常是同时存在的 。.传热过程中，固体壁面两侧的温差越大，传热过程中，固体壁面两侧的温差越大，高温流体向低温流体传递热量的能力就高温流体向低温流体传递热量的能力就越强，这一点和导热及对流的热传递规越强，这一点和导热及对流的热传递规律是一致的；律是一致的；但是温差不是影响传热量唯一的因素，但是温差不是影响传热量唯一的因素，传热量还与流体流动状况和固体壁面材传热量还与流体流动状况和固体壁面材料本身有关，传热量公式表达式为料本身有关，传热量公式表达式为 ：KA(TKA(T1 1-T-T2 2)KATKAT式中，式中，K K为单位面积固体表面（参与换热为单位面积固体表面（参与换热的面积）的总传热系数，简称传热系数，的面积）的总传热系数，简称传热系数，单位是单位是W/mW/m K K。.传热过程示意图.改善传热过程的主攻方向改善传热过程的主攻方向在热量的传递过程中，有的传热步骤传热在热量的传递过程中，有的传热步骤传热很好，而有些传热步骤则可能很差，存在很好，而有些传热步骤则可能很差，存在着不平衡的情况，着不平衡的情况，好比一条由公路好比一条由公路-桥梁桥梁-公路串联而成的道公路串联而成的道路，通过能力最差的一段往往成为道路流路，通过能力最差的一段往往成为道路流通的通的“瓶颈瓶颈”。对传热过程阻碍最大的，是导热系数最差对传热过程阻碍最大的，是导热系数最差的环节的环节 .在传热路径上，必须改善瓶颈在传热路径上，必须改善瓶颈热的传递过程是一个热的传递过程是一个“串联串联”的形态的形态热量从热量从A A介质传给壁面介质传给壁面的一侧，经过该材料的一侧，经过该材料的导热传递到另外一的导热传递到另外一侧，再由表面传给介侧，再由表面传给介质质B B，可以看成一个公，可以看成一个公路的三个段；路的三个段；要提高通道的能力必要提高通道的能力必须提高瓶颈的能力；须提高瓶颈的能力；.流体的流态与雷诺数流体的流态与雷诺数 雷诺数，是表征流体流动特性的一个重要参数，符号为R，它表示流体流动时的惯性力F和粘性力(内摩擦力)F之比：在强迫对流中，雷诺数的大小是流体流动状态的定量标志：在管内流动中，R小于2300时，流动状态为层流，当R大于4000时，流动状态为紊流，而在2300-4000之间则为过渡状态；.接触热阻接触热阻 由于固体壁面的表面粗糙不平，或者存在有表面污垢和氧化腐蚀等现象，在两个壁面接触时，从微观上看，只有部分固体真正实现了紧密的接触，其他部分是空隙，空隙里面是导热性很差的空气、油污和杂质等，形成了导热路径上额外的热阻r，这个就是热阻称为“接触热阻”。接触热阻对于导热是十分不利的，也是难以避免的，在实际工程中，一般采用以下方法，如涨管、垫铜箔、浸焊和充填导热膏等办法：提高接触面的压力，增加接触的面积，都可以促进接触热阻的减少。.强化换热处理。在实用的换热器中，由于换热器两侧流体的换热能力可能差别很大，这样就造成换热器的换热能力不足，根据热阻串联的规律，我们应该去加强换热较差的那一侧的换热。.对于冷凝器的强化换热处理对于冷凝器的强化换热处理将光滑铜管加工成如图将光滑铜管加工成如图的螺旋管，以改善换热，的螺旋管，以改善换热，通过改变铜管的整体形通过改变铜管的整体形状，使流体流动时不断状，使流体流动时不断改变方向，扰动程度加改变方向，扰动程度加强，从而提高换热系数。强，从而提高换热系数。内外肋管，即增加了换内外肋管，即增加了换热面积，也加强了流体热面积，也加强了流体的扰动，从两个方面使的扰动，从两个方面使换热性能得到改善换热性能得到改善 .边界层概念及边界层换热边界层概念及边界层换热边界层内有流动极差的滞留层，由于此时此处的热量传递主要靠导热性能很差的流体自身传导来进行，所以热传递效果极差；厚度对传热影响极大；边界层的破坏和降低其影响，是换热器设计的主要任务；粗糙的表面会降低边界层的影响；.凝结换热过程凝结过程以其凝结时液体的形态分为膜状凝结和珠状凝结；膜状凝结形成面积较大的膜，覆盖了传热面，冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻，所以膜状凝结时的换热效果并不理想，但是由于实际的原因，发生在实际冷凝器中的凝结过程，多数都是膜状凝结。.改善膜态凝结换热的方法提高蒸气流速 减少不凝气体尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度 用各种带有尖峰的表面，使在其上冷凝的液膜被“刺穿”和拉薄.沸腾换热的定义沸腾换热的定义 工质内部形成大量气泡并由液态转换到气工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程。态的一种剧烈的汽化过程。沸腾换热：指工质在气化过程中，需要吸沸腾换热：指工质在气化过程中，需要吸收气化潜热，并通过气化带走热量，使热收气化潜热，并通过气化带走热量，使热壁面冷却的一种传热方式。壁面冷却的一种传热方式。沸腾现象也分为分为核态（珠态）沸腾和沸腾现象也分为分为核态（珠态）沸腾和膜态沸腾两大类膜态沸腾两大类 ，同样的，膜态沸腾也是，同样的，膜态沸腾也是不利于换热的不利于换热的 。.改善膜态换热的方法减少不凝结气体 增大过冷强化换热 用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学工艺在换热表面上形成多孔结构 利用机械加工方法形成凹坑.换热器的类型及平均温差的概念换热器的类型及平均温差的概念换热器流体的相对流动方向对于换热性能有很大的影响，原因是由于流体的方向不同将导致换热的平均温差不同，逆流换热能够获得更大的平均换热温差，所以，在热泵热水器的套管、板式换热器中，一定要使两种流体的流动方向相反。.逆流换热有利于热泵工作逆流换热有两个特点，一是平均温差大，平均温差大，意味着换热量大；二是冷流体的最终温度可以超过热流体的出口温度，而且换热的流程越长，超过的程度越大，这一点对力图避免高冷凝温度的热泵热水器来讲尤为重要。.混流换热与逆流换热在需要较高工作温度时，管壳式换热器，或者流程较短的板式换热器，是不利于高温出水的：由于短流程的流动和换热状态与顺流式换热器比较接近，很难超过热流体的出口温度，对热泵降低冷凝温度是十分不利的，唯有采用较长流程的逆流式换热器，才有可能在出水温度较高的情况下，又保持压缩机排气温度不会过高。在二氧化碳热泵系统中尤为重要；.换热器的选择计算换热器的选择计算在进行换热器的设计时，应该综合考虑换在进行换热器的设计时，应该综合考虑换热器的投资、运行费用、安全可靠、维护热器的投资、运行费用、安全可靠、维护等诸多因素，不能单纯的追求紧凑和高效。等诸多因素，不能单纯的追求紧凑和高效。换热器的结垢及污垢，将增加传热阻力，换热器的结垢及污垢，将增加传热阻力，装置会随着时间的推移降低传热能力；装置会随着时间的推移降低传热能力；一般的设计中，水侧的温差不高于一般的设计中，水侧的温差不高于5 5度，空度，空气侧的换热温差不超过气侧的换热温差不超过1010度，要预先考虑度，要预先考虑污垢的影响。污垢的影响。.强化换热的主要手段有强化换热的主要手段有无源方式(被动技术)：主要在换热器自身做相应的改造，无需另外附加动力，主要方法有：表面涂层；粗糙表面粗糙化；扩展换热表面面积；布设扰流板；改变流体流动方向；螺旋管；充填松散材料。有源技术(主动式技术)，需要外加动力，主要方法有：对换热介质做机械搅拌；使换热表面产生振动等等。.重 力 热 管利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力.分离式热管分离式热管 动力热管分离式热管带有动力的分离式热管带有液体泵的热管，可以更长距离的传递热量实习：制作一根重力热管.制作重力热管如图，每个小组制作一根重力热管工质可以用R22，R410A，水通过制作加深对制冷循环的理解工序：制管，焊接，抽真空，灌注工质，封口，测试效果.热泵的流体力学基础热泵的流体力学基础流体，即可以流动的物体流体，即可以流动的物体 ，特性是只有体，特性是只有体积压缩弹性，没有拉压弹性和剪切弹性积压缩弹性，没有拉压弹性和剪切弹性 ；没有固定的形状没有固定的形状 液体具有一定体积，几乎不可压缩，粘性液体具有一定体积，几乎不可压缩，粘性很大很大 而气体没有一定体积，它总是充满整个容而气体没有一定体积，它总是充满整个容器，容易压缩，粘性小，在压力不变时，器，容易压缩，粘性小，在压力不变时，体积随着温度的变化而变化。体积随着温度的变化而变化。.关于粘性的概念关于粘性的概念 当流体流动时，各流层之间存在着阻当流体流动时，各流层之间存在着阻碍相对运动的内摩擦力，这就是流体碍相对运动的内摩擦力，这就是流体的粘性的粘性 流体的粘度还有另外一个重要的特性，流体的粘度还有另外一个重要的特性，那就是随着温度的升高而降低，反之，那就是随着温度的升高而降低，反之，当温度降低时，流体的粘度加大。当温度降低时，流体的粘度加大。.粘性流体的流动粘性力：即流体内部粘性力：即流体内部不同部分间的摩擦力不同部分间的摩擦力描述流体粘性的物理描述流体粘性的物理量是粘度系数，与物量是粘度系数，与物质性质、温度、压强质性质、温度、压强有关，可由实验测定有关，可由实验测定粘度越大的流体，阻粘度越大的流体，阻力越大，需要克服的力越大，需要克服的摩擦功越大。摩擦功越大。.流体的压强流体的压强 压强是表示物体单位面积上所受力压强是表示物体单位面积上所受力的大小的的大小的物理量物理量。相对惯性系静止的流体内的压强分相对惯性系静止的流体内的压强分布特性是，在静止流体内的压强是布特性是，在静止流体内的压强是与空间点对应的，与无穷小面元方与空间点对应的，与无穷小面元方向无关向无关,流体内等高各点的压强相等流体内等高各点的压强相等,即等压面与竖直方向垂直。如无风即等压面与竖直方向垂直。如无风时，大气的压强仅与其高度相关。时，大气的压强仅与其高度相关。.流体系统的流量守恒流体系统的流量守恒 单位时间内通过某截面的流体体积单位时间内通过某截面的流体体积 Q=Q=VSVS，又叫作通过该截面的流量，连续性，又叫作通过该截面的流量，连续性方程也可表述为：当不可压缩流体做稳定方程也可表述为：当不可压缩流体做稳定流动时，沿一流管，流量是守恒的。流动时，沿一流管，流量是守恒的。在热泵热水装置管路复杂的水路系统中，在热泵热水装置管路复杂的水路系统中，这个定律告诉我们，管径小的地方流动速这个定律告诉我们，管径小的地方流动速度高，而且不管水路的断面如何复杂，它度高，而且不管水路的断面如何复杂，它的流量在各段都是相同的。的流量在各段都是相同的。.伯努利方程伯努利方程 伯努利方程的表述：理想流体相对惯性系做稳定流动时，沿一流线任何一截面能量的总和不变，即压力能、动能和位能的总和为恒量。右图为文特利流量计示意图。.文丘里管文丘里管文丘里管是先收缩而后逐渐扩大的管道。测出其入口截面和最小截面处的压力差，用伯努利定理即可求出流量。.马赫数马赫数 物体速度与音速的比值，即音速的倍数。物体速度与音速的比值，即音速的倍数。简称简称M M数数 。音速在不同高度、温度等状态下又有不同音速在不同高度、温度等状态下又有不同数值，因此无法将数值，因此无法将 Ma2.8 Ma2.8 的数值换算为固的数值换算为固定的定的 km/hr km/hr 或或 mph mph 等单位。等单位。在在00时，海平面空气中音速为每小时时，海平面空气中音速为每小时119211929 9千米，每升高千米，每升高1 1 音速约增加每小时音速约增加每小时2 21616千米。水中音速约为每小时千米。水中音速约为每小时51845184千米。千米。钢铁中音速约为每小时钢铁中音速约为每小时1 18 8万千米。万千米。.当飞行器当地马赫数M达到1时，形成锥形的激波，造成所谓“音障”.液体的毛细现象液体的毛细现象这种浸润液体在细管内液面升高的现象和不浸润液体在细管内液面降低的现象，叫做毛细现象。上图为毛细管在水中的现象 下图为毛细管在水银中的现象.水滴和水银滴放置于玻璃板上的形状.