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传热学-第2章解析.ppt
§ 2-6 通过接触面的导热 § 2-7 二维稳态导热 §2-5 通过肋片的导热 第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热: 为了增加传热量,可以采取哪些措施? (1)增加温差(tf1 - tf2),但受工艺条件限制 (2)减小热阻: a) 金属壁一般很薄(? 很小)、热导率很大,故导热热阻一般可忽略; b) 增大h1、h2,但提高h1、h2并非任意的; c) 增大换热面积 A 也能增加传热量。 在一些换热设备中,在换热面上加装肋片是增大换热量的重要手段。 肋壁:直肋、环肋;等截面、变截面。 1 通过等截面直肋的导热 已知: 矩形直肋 肋根温度为t0,且t0 t? 肋片与环境的表面传热系数为 h. ?,h,AL,U均保持不变 求: 温度场 t 和热流量 ? 分析:严格地说,肋片中的温度场是三维、稳态、无内热 源、常物性、第三类边条的导热问题。但由于三维 问题比较复杂,故此,在忽略次要因素的基础上, 将问题简化为一维问题。 简化:a 宽度 l ? and H ? 肋片宽度方向温度均匀 ? l = 1 b ? 大、? H,认为温度沿厚度方向均匀 边界:肋根:第一类;肋端:绝热;四周:对流换热 求解:这个问题可以从两个方面入手: a 导热微分方程 b 能量守恒+Fourier law 能量守恒: Fourier 定律: Newton冷却公式: 关于温度的二阶非齐次常微分方程 导热微分方程: 边界条件: 引入过余温度 。令 则有: 方程的通解为: 应用边界条件可得: 最后可得等截面内的温度分布: 双曲余弦函数 双曲正切函数 双曲正弦函数 稳态条件下肋片表面的散热量 = 通过肋基导入肋片的热量 肋端过余温度: 即 x = l 几点说明: (1) 上述推导中忽略了肋端的散热(认为肋端绝热)。对于一般工程计算,尤其高而薄的肋片,足够精确。若必须考虑肋端散热,取:lc=l+ ? /2 (2)上述分析近似认为肋片温度场为一维。 当Bi=h?/? ? 0.05 时,误差小于1%。对于短而厚的肋片,二维温度场,上述算式不适用;实际上,肋片表面上表面传热系数h不是均匀一致的 — 数值计算 2 肋片效率 为了从散热的角度评价加装肋片后换热效果,引进肋片效率 ? 肋片的纵截面积 可见, 与参量 有关,其关系曲线如图2-17所示。这样,矩形直肋的散热量可以不用公式计算,而直接用图查出 然后,散热量 影响肋片效率的因素:肋片材料的热导率 ? 、肋片表面与周围介质之间的表面传热系数 h、肋片的几何形状和尺寸(U、AL、l) 3 通过环肋及三角形截面直肋的导热 为了减轻肋片重量、节省材料,并保持散热量基本不变,需要采用变截面肋片,环肋及三角形截面直肋是其中的两种。 对于变截面肋片来讲,由于从导热微分方程求得的肋片散热量计算公式相当复杂,因此,人们仿照等截面直肋。利用肋片效率曲线来计算方便多了。 实际固体表面不是理想平整的,所以两固体表面直接接触的界面容易出现点接触,或者只是部分的而不是完全的和平整的面接触 —— 给导热带来额外的热阻 当界面上的空隙中充满导热系 数远小于固体的气体时,接触 热阻的影响更突出。 —— 接触热阻 当两固体壁具有温差时,接合 处的热传递机理为接触点间的 固体导热和间隙中的空气导热, 对流和辐射的影响一般不大。 (Thermal contact resistance) * * 第二章 稳态导热 稳态导热:温度场不随时间变化。 直角坐标系导热微分方程: §2-1 通过平壁的导热 本节将针对一维、稳态、常物性、无内热源情况,考察平壁的导热。 1 单层平壁的导热 o ? x a 几何条件:单层平板;A、? b 物理条件:?、c、? 已知;无内热源 c 时间条件: 无限大平壁:高度、宽度远大于其厚度。(10倍以上) d 边界条件:第一类 x o ? tw1 t tw2 直接积分,得: 根据上面条件可得控制方程: 第一类边界条件: 控制方程 边界条件 带入边界条件: 带入Fourier 定律 线性分布 热阻分析法适用于一维、稳态、无内热源的情况 2 多层平壁的导热 t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 三层平壁的稳态导热 多层平壁:由几层不同材料组成 例:房屋的墙壁 — 白灰内层、水泥沙浆层、钢筋混凝土层、外保温层等组成。 假设各层之间接触良好
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