唐老师传热学教学课件.ppt

1、第第 十十 章章几几 个个 专专 题题1第十章第十章 几个专题几个专题 10-1 10-1 太阳能利用中的传热问题太阳能利用中的传热问题(371(371页页)10-2 10-2 热管及其应用热管及其应用(376(376页页)10-3 10-3 射流冲击换热射流冲击换热(379(379页页)10-4 10-4 传质过程简介传质过程简介(382(382页页)10-5 10-5 传热学在科学技术领域中的应用传热学在科学技术领域中的应用(392(392页页)210-1 10-1 太阳能利用中的传热问题太阳能利用中的传热问题 太阳是个炽热的气团，它的内部不断地进行着太阳是个炽热的气团，它的内部不断地进行

2、着核聚变反应，由此产生的巨大能量以辐射方式向宇核聚变反应，由此产生的巨大能量以辐射方式向宇宙空间发射出去。到达地球大气层外缘的能量，具宙空间发射出去。到达地球大气层外缘的能量，具有如图有如图 10-1 10-1中位置较高的实线所示的光谱特性，近似中位置较高的实线所示的光谱特性，近似于温度为于温度为57625762 K K的黑体辐射。的黑体辐射。3 日地间的距离在一年中是有变化的。在日地平均距离处，大日地间的距离在一年中是有变化的。在日地平均距离处，大气层外缘与太阳射线相垂直的单位表面积所接受到的太阳辐射能气层外缘与太阳射线相垂直的单位表面积所接受到的太阳辐射能为为 。此值称为。此值称为太阳常数

3、太阳常数，记为，记为S Sc c,它与地理位置它与地理位置或一天中的时间无关。实际上，大气层外缘水平面上每单位面积或一天中的时间无关。实际上，大气层外缘水平面上每单位面积接受到的太阳辐射能为：接受到的太阳辐射能为：式中：式中：ff地日距离修正系数，地日距离修正系数，f f=0.971.03=0.971.03；太阳射线与地面法线间的夹角，称太阳射线与地面法线间的夹角，称天顶角天顶角。4 在太阳能利用中会碰到许多传热问题，现以太阳能集热器在太阳能利用中会碰到许多传热问题，现以太阳能集热器为例来分析。太阳能集热器是将太阳能转换成工质为例来分析。太阳能集热器是将太阳能转换成工质(水水)的热能的热能的设

4、备，典型的集热器如图的设备，典型的集热器如图 10-3 10-3 所示：所示：太阳能在穿过透明的盖板太阳能在穿过透明的盖板后投射到吸热面上。为了提高后投射到吸热面上。为了提高效率，在吸热面上常涂有对太效率，在吸热面上常涂有对太阳辐射具有很高光谱吸收比的阳辐射具有很高光谱吸收比的涂层。所谓太阳能集热器的效涂层。所谓太阳能集热器的效率率 ,可定义为集热器的有效可定义为集热器的有效收益热流密度收益热流密度 q qg g与投入集热器与投入集热器的太阳辐射的太阳辐射G Gs s的比值，即：的比值，即：5 提高太阳能集热器效率的途径是，在保持最大限提高太阳能集热器效率的途径是，在保持最大限度采集太阳辐射的

5、同时度采集太阳辐射的同时,尽可能减小其对流和辐射热尽可能减小其对流和辐射热损失。措施之一是：利用对太阳光透明的玻璃或塑料损失。措施之一是：利用对太阳光透明的玻璃或塑料薄膜使吸热面不直接暴露于外界环境。如图薄膜使吸热面不直接暴露于外界环境。如图10-410-4所示，所示，普通玻璃对普通玻璃对 mm的热辐射有很高的穿透比，而对的热辐射有很高的穿透比，而对 mm的热辐射的穿透比很小。于是大部分太阳辐的热辐射的穿透比很小。于是大部分太阳辐射能穿过玻璃进入有吸热面的腔内，而吸热面发出的射能穿过玻璃进入有吸热面的腔内，而吸热面发出的常温下的长波辐射却被玻璃阻隔在腔内，从而产生了常温下的长波辐射却被玻璃阻隔

6、在腔内，从而产生了所谓所谓温室效应温室效应。6 吸热面的辐射特性对集热器效率也是重要的。以图吸热面的辐射特性对集热器效率也是重要的。以图10-3 10-3 所示的平板型集热器为例，在热稳态情况下，集热器单位面所示的平板型集热器为例，在热稳态情况下，集热器单位面积的热平衡方程为：积的热平衡方程为：可采用灰体平行平板间的辐射换热公式计算：可采用灰体平行平板间的辐射换热公式计算：代入式代入式(10-3)(10-3)化简，得：化简，得：7 太阳能利用中吸热面材料理想的辐射特性应是：太阳能利用中吸热面材料理想的辐射特性应是：在在 0.33 0.33 mm的波长范围内的光谱吸收比接近于的波长范围内的光谱吸

7、收比接近于 1 1，而在大于而在大于3 3 mm的波长范围内的光谱吸收比接近于零。的波长范围内的光谱吸收比接近于零。即要求即要求 s s 尽可能大，而尽可能大，而 尽可能小。用人工的方法改尽可能小。用人工的方法改造表面，如对材料表面覆盖涂层是提高造表面，如对材料表面覆盖涂层是提高 s s/值的有值的有效手段，这种涂层称为效手段，这种涂层称为光谱选择性涂层光谱选择性涂层，如在铜材上，如在铜材上电镀黑镍镀层，其吸收比特性如图电镀黑镍镀层，其吸收比特性如图10-510-5中曲线中曲线 2 2 所示。所示。黑镍镀层的厚度对表面特性的影响示于表黑镍镀层的厚度对表面特性的影响示于表10-110-1。8表表

8、 10-1 10-1 黑镍镀层厚度对辐射特性的影响黑镍镀层厚度对辐射特性的影响（镀层表面温度为镀层表面温度为 50 50 C C）由表中可以看出，黑镍镀层使由表中可以看出，黑镍镀层使 s s/值可提高到值可提高到1010左右。左右。9 不仅人工研制的涂层表面对太阳能的吸收比不等于不仅人工研制的涂层表面对太阳能的吸收比不等于其自身的发射率，一般材料也常是如此。其自身的发射率，一般材料也常是如此。表表 10-2 10-2 部分材料对太阳辐射的吸收比及自身发射率部分材料对太阳辐射的吸收比及自身发射率1010-2 10-2 热管及其应用热管及其应用 热管是热管是2020世纪世纪6060年代发展起来的具

9、有特别高的年代发展起来的具有特别高的导热性能的传热元件。图导热性能的传热元件。图10-6 10-6 为其工作原理示意图。为其工作原理示意图。工作液在热管内循环流动，把热量从加热段传递到散工作液在热管内循环流动，把热量从加热段传递到散热段。热段。11 带有吸液芯的热管有突出的优点带有吸液芯的热管有突出的优点对蒸发段对蒸发段与冷凝段的位置没有任何限制，但其制造成本较高，与冷凝段的位置没有任何限制，但其制造成本较高，多用于航天事业中。地面上常采用依靠重力回流冷多用于航天事业中。地面上常采用依靠重力回流冷凝液的重力热管。这时冷凝段必须位于蒸发段之上。凝液的重力热管。这时冷凝段必须位于蒸发段之上。如图如

10、图10-710-7所示。重力热管中应用最广的是钢所示。重力热管中应用最广的是钢-水热管。水热管。钢钢-水热管在运行过程中会产生不凝结气体水热管在运行过程中会产生不凝结气体氢气氢气，并最终聚集到冷凝段使凝结换热恶化，以致使热，并最终聚集到冷凝段使凝结换热恶化，以致使热管性能变坏或失效。这种现象称为钢管性能变坏或失效。这种现象称为钢-水的不相容性。水的不相容性。12 下面我们以一根钢下面我们以一根钢-水重力热管为例来分析其热传递过程中各水重力热管为例来分析其热传递过程中各个环节的热阻大小。设热管的外径个环节的热阻大小。设热管的外径 d do o=25mm=25mm，内径内径 d di i=21mm

11、=21mm，蒸发段长度蒸发段长度 l le e及冷凝段长度及冷凝段长度 l lc c均为均为 1 1mm，碳钢导热系数碳钢导热系数 =43.2 =43.2 W/(mK)W/(mK)。热量从热流体传到冷流体的过程中各个环节的热阻热量从热流体传到冷流体的过程中各个环节的热阻如下：如下：设蒸发段外表面总表面传热系数为设蒸发段外表面总表面传热系数为 h ho o，e e，则：则：(1).(1).从热流体到蒸发段外壁的换热热阻从热流体到蒸发段外壁的换热热阻 R R1 1(2).2).从蒸发段外壁到内壁的导热热阻从蒸发段外壁到内壁的导热热阻 R R2 213(3).3).蒸发段换热热阻蒸发段换热热阻 R

12、R3 3 设蒸发换热的表面传热系数设蒸发换热的表面传热系数 h hi,ei,e=5000 W/(m=5000 W/(m2 2K),K),则：则：(4).4).从蒸发段到冷凝段蒸汽流动的压降所引起的热阻从蒸发段到冷凝段蒸汽流动的压降所引起的热阻 R R4 4 蒸汽的压降导致饱和温度下降蒸汽的压降导致饱和温度下降,这等价于存在一个热阻。但实际这等价于存在一个热阻。但实际上由于压降很小，因而所引起的相应的温差也很小，所以上由于压降很小，因而所引起的相应的温差也很小，所以 R R4 4 0 0。(5).(5).冷凝段固体壁面导热热阻冷凝段固体壁面导热热阻 R R5 5 R R5 5与与 R R2 2相

13、同，为相同，为 6.4 6.4 1010-4-4 K/WK/W。14(6).6).冷凝段换热热阻冷凝段换热热阻 R R6 6 取凝结换热的表面传热系数为取凝结换热的表面传热系数为h hi i，c c=6000W/(m=6000W/(m2 2K)K)，则则 (7).7).冷凝段外管壁与冷流体间的换热热阻冷凝段外管壁与冷流体间的换热热阻 设冷流体的总表面传热系数为设冷流体的总表面传热系数为 h ho o，c c，则则 在在 R R1 1R R7 7中，属于热管内部的热阻为中，属于热管内部的热阻为R R2 2R R6 6，其和为其和为 6.78 6.78 1010-3-3 K/WK/W。一根长一根长

14、2 2mm、直径为直径为2525mmmm的铜棒的热阻是上述钢的铜棒的热阻是上述钢-水水热管的热管的15001500倍。热管的这种特别优良的导热性能又被称为倍。热管的这种特别优良的导热性能又被称为“超导超导热性热性”。1510-3 10-3 射流冲击换热射流冲击换热 当需要在换热表面的局部地区产生强烈的换热当需要在换热表面的局部地区产生强烈的换热效果时，可采用冲击射流。冲击射流已广泛用于平效果时，可采用冲击射流。冲击射流已广泛用于平板玻璃回火、金属薄板退火、纺织品或纸张干燥、板玻璃回火、金属薄板退火、纺织品或纸张干燥、燃气轮机叶片冷却及电子器件冷却等技术中。在这燃气轮机叶片冷却及电子器件冷却等技

15、术中。在这种换热方式中，气体或液体在压差作用下通过一个种换热方式中，气体或液体在压差作用下通过一个圆形或窄缝形喷嘴垂直（圆形或窄缝形喷嘴垂直（或成一定倾角）地喷射到或成一定倾角）地喷射到被冷却的表面上，从而使直接受到冲击的区域产生被冷却的表面上，从而使直接受到冲击的区域产生很强的换热效果。如图很强的换热效果。如图10-910-9、10-1010-10所示。射流到达所示。射流到达壁面前的区域称为壁面前的区域称为自由射流自由射流。抵达壁面后，射流向。抵达壁面后，射流向四周沿着壁面流开，形成贴壁射流区。固体表面上四周沿着壁面流开，形成贴壁射流区。固体表面上正对喷嘴中心处称为正对喷嘴中心处称为滞止区滞

16、止区。这里的局部换热强度。这里的局部换热强度特别高。特别高。16 图图10-1110-11示出了一些典型情况下滞止区及其附近局部示出了一些典型情况下滞止区及其附近局部表面传热系数的变化情况。表面传热系数的变化情况。*.*.滞止区以外的射流冲击区域中的平均换热特性为：滞止区以外的射流冲击区域中的平均换热特性为：17函数函数 f f1 1、f f2 2、f f3 3可按以下公式计算：可按以下公式计算：式式(10(10 6)6)、(10(10 7)7)的适用范围为：的适用范围为：在玻璃、纸张等的冷却或干燥工艺中还经常采用狭缝冲击射在玻璃、纸张等的冷却或干燥工艺中还经常采用狭缝冲击射流，此时喷嘴出口形状为狭长的长方形，一般其宽度小于长度的流，此时喷嘴出口形状为狭长的长方形，一般其宽度小于长度的十分之一。十分之一。1810-4 10-4 传质过程简介传质过程简介 在含有两种或两种以上组分的流体内部，如果有浓度梯度在含有两种或两种以上组分的流体内部，如果有浓度梯度存在，则每一种组分都有向低浓度方向转移，以减弱这种浓度存在，则每一种组分都有向低浓度方向转移，以减弱这种浓度不均匀的趋势。混合物的组分在