--李好奇--
范文一：生活中的传热学
1. 冬天～经过在白天太阳底下晒过的棉被～晚上盖起来为什么会觉得很暖和,并且经过拍
打以后～效果为什么会更加明显,
答:棉被经过晾晒以后 ～可使棉花的空隙里进入更多的空气～而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热～由于空气的导热系数较小～具有良好的保温作用。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入～因而效果更明显。
2. 冬天～在相同的室外温度条件下～为什么有风比无风感觉更冷些? 答:假定人体表面温度相同时～人体的散热在有风时相对于强制对流换热～而在无风时属自然对流换热,不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时,。而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈～因而在有风时从人体带走的热量更多～所以感到更冷一些。 注意:人对冷暖感觉的衡量指标是散热量的大小而不是温度高低～即当人体散热量低时感
22到热～散热量高时感到冷～经验告诉我们～当人的皮肤散热热流为58W/m感到热～232 W/m
22感到舒服～696 W/m感到凉快～而大于928 W/m感到冷。
3. 夏季在维持20?室内工作～穿单衣感到舒适～而冬季保持在22?的室内工作时～为什
么必须穿绒衣才觉得舒服,
答:首先～夏季和冬季的最大区别是室外温度不同～夏季室外温度比室内温度高～因此通过墙壁的热量传递方向是由室外传向室内。而冬季室外气温比室内低～通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外～因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同～夏季高而冬季低～因此尽管冬季室内温度22?比夏季20?略高～但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高得多。根据上题人体对冷暖的感受主要是散热量的原理～在冬季散热量大～因此要穿厚一些的绒衣。
4. 利用同一冰箱储存相同的物质时～试问结霜的冰箱耗电量大还是不结霜的冰箱耗电量
大,
答:当其他条件相同时～冰箱结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室,或冷藏室,之间增加了一个附加热阻～因此要达到相同的制冷室温度～必然要求蒸发器处于更低的温度～所以结霜的冰箱耗电量更大。
5. 有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中冷却～为使稀饭凉得更快一些～你认为他应该搅拌碗
中的稀饭还是盆中的凉水,为什么,
答:从稀饭到凉水是一个传热过程～显然稀饭和水的换热在不搅动时是自然对流～而稀饭的换热比水要差～因此要强化传热增加散热量～应该用搅拌的方式强化稀饭侧的传热。 6. 在寒冷的北方地区～建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好,为什么, 答:在其他条件相同时～实心砖材料如红砖的导热系数约为0.5w/(m.k)(35?)～而多孔空心砖中充满着不动的空气～空气在纯导热,即忽略自然对流,时其导热系数很低～是很好的绝热材料～因此用多孔空心砖较好。
7. 电影《泰坦尼克号》里～男主人公杰克在海水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而
幸存下来～试从传热学的观点解释这一现象。
答:杰克在海水里其身体与海水间由于自然对流交换热量～而罗丝在筏上其身体与空气间产生自然对流～在其他条件相同时～水的自然对流强度要远大于空气～因此杰克身体因为自然对流散失能量的速度比罗丝快得多～因此杰克被冻死而罗丝幸免于难。 8. 人造地球卫星在返回地球表面时为什么容易被烧毁,
答:卫星在太空中正常运行时～其表面的热量传递方式主要依靠与太空及太阳等星体的辐射。而在卫星返回地面的过程中～由于与大气层之间的摩擦～产生大量的热量～无法及时散失～因而易被烧毁。
9. 北方深秋季节的清晨～树叶叶面上常常结霜～试问树叶上、下表面的哪一面结霜,为什
么,
答:霜会结在树叶的上表面～因为清晨～树叶上表面朝向太空～下表面朝向地面。而太空表面的温度低于摄氏零度～地球表面温度一般在零度以上～由于相对树叶下表面来说～其上表面需要向太空辐射更多的能量～所以树叶下表面温度较高～而上表面温度较低并可能低于零度～因而容易结霜。
10. 窗玻璃对红外线几乎不透明～但为什么隔着玻璃晒太阳会使人感到暖和? 答:窗玻璃对红外线不透明～但是对可见光却是透明的～因而隔着玻璃晒太阳～太阳光可以穿过玻璃进入室内～而室内物体发出的红外线却被阻隔在窗内～因而房间内温度越来越高～因而感到暖和。
11. 在太阳系中地球和火星距太阳的距离相差不大～但为什么火星表面温度昼夜变化比地球
表面大得多,
答:由于火星附近没有大气层～因而在白天～太阳辐射时火星表面温度很高～而在夜间～没有大气层的火星与温度接近于绝对零度的太空进行辐射换热～因而表面温度很低。而地球附近由于大气层,主要成分是CO和水蒸气,的辐射作用～夜间天空温度比太空高～白天2
大气层又会吸收一部分来自太阳的辐射能量～因而昼夜温差较小。
12. 在冬季的晴天～白天和晚上空气温度相同～但白天感觉暖和～晚上却感觉冷～试解释这
种现象。
答:白天和晚上人体向空气传递的热量相同～且均要向温度很低的太空辐射热量。但白天和晚上的差别在于:白天可以吸收来自太阳的辐射能量～而晚上却不能。因而晚上感觉更冷一些。
范文二：生活中的传热学11
生活中的传热学
经常被称为热科学的工程领域包括热力学和传热学. 传热学
的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学
分析，因后裔只讨论在平衡状态下的系统．这些附加的定律足以
3种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。 传热学是
研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递规律
的学科。传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术
领域。
传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。
热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度
较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给
相接触的低温物体的过程，简称导热。
热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交
换。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面
之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。决定换
热强度的主要因素是对流的运动情况。
热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是
波长在0.1～100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不
同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐
射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的
四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。
辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。
我们的生活中就有很多传热学的例子，而且就是我们每天都
会碰见的事，这时在我们了解了传热学我们就可以用传热学的知
识来解释这种现象或事情。
我们许多人都喜欢在冬天有暖暖阳光时晒被子，我们都会深
有体会，冬天经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来会觉
得很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显。这就可以用传热
学的知识来解释，棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更
多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导
热，由于空气的导热系数较小，具有良好的保温性能。而经过拍
打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。
我们还会觉得奇怪的一件事那就是冬天，在相同的室外温度
条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？假定人体表面温度相
同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属
自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时）。而空
气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体
带走的热量更多，所以感到更冷一些。
在冬季的晴天，白天和晚上空气温度相同，但白天感觉暖和，
晚上却感觉冷。白天和晚上人体向空气传递的热量相同，且均要
向温度很低的太空辐射热量。但白天和晚上的差别在于：白天可
以吸收来自太阳的辐射能量，而晚上却不能。因而晚上感觉会更
冷一些。
夏季在维持20℃室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季保持在
22℃的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得舒服？首先，冬季
和夏季的最大区别是室外温度不同。夏季室外温度比室内温度
高，因此通过墙壁的热量传递方向是由室外传向室内。而冬季室
外气温比室内气温低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室
外。因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因
此，尽管冬季室内温度22℃比夏季略高20℃，但人体在冬季通
过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。根据上题人体对冷暖的感受
主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。
我们国家北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜，、为
什么霜会结在树叶上表面？这是因为清晨，上表面朝向太空，下
表面朝向地面。而太空表面的温度低于摄氏零度，而地球表面温
度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向
太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度
较低且可能低于零度，因而容易结霜。
还有就是大家都觉得很讨厌的一件事那就是窗玻璃对红外
线几乎不透明，但是隔着玻璃依然会被太阳晒到的发热？这也是
窗帘存在的理由。虽说窗玻璃对红外线不透明，但对可见光却是
透明的，因而隔着玻璃晒太阳，太阳光可以穿过玻璃进入室内，
而室内物体发出的红外线却被阻隔在窗内，因而房间内温度越来
越高，因而感到暖和。
我们作为建筑这一行业我们再说说一个关于我们行业的传
热学例子。在寒冷的北方地区，现在建房越来越多的人开始采用
多孔的空心砖。这也可以用传热学的知识解释，在其他条件相同
时，实心砖材料如红砖的导热系数约为0.5W/（m 〃K ）（35℃），
而多孔空心砖中充满着不动的空气，空气在纯导热（即忽略自然
对流）时其导热系数很低，是很好的绝热材料。
现在在科技高速发展的时代，传热学不仅能解释生活中的现
象，还被用到了许多工程中。传热学也面临着很大的考验，也遇
到了很多难题，但同时也与许多学科结合得到了更大的发挥，所
以我们应学好传热学。
范文三：生活中的传热学现象 生活中的传热学11
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生活中的传热学
经常被称为热科学的工程领域包括热力学和传热学.传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析，因后裔只讨论在平衡状态下的系统(这些附加的定律足以3种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。 传热学是研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。
传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。
热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。
热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量
1
交换。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。
热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0.1,100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。
我们的生活中就有很多传热学的例子，而且就是我们每天都会碰见的事，这时在我们了解了传热学我们就可以用传热学的知识来解释这种现象或事情。
我们许多人都喜欢在冬天有暖暖阳光时晒被子，我们都会深有体会，冬天经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来会觉得很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显。这就可以用传热学的知识来解释，棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小，具有良好的保温性能。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。
我们还会觉得奇怪的一件事那就是冬天，在相同的室外温
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度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些,假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热(不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时)。而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。
在冬季的晴天，白天和晚上空气温度相同，但白天感觉暖和，晚上却感觉冷。白天和晚上人体向空气传递的热量相同，且均要向温度很低的太空辐射热量。但白天和晚上的差别在于:白天可以吸收来自太阳的辐射能量，而晚上却不能。因而晚上感觉会更冷一些。
夏季在维持20?室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季保持在
22?的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得舒服,首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度不同。夏季室外温度比室内温度高，因此通过墙壁的热量传递方向是由室外传向室内。而冬季室外气温比室内气温低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因此，尽管冬季室内温度22?比夏季略高20?，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。根据上题人体对冷暖的感受主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。
我们国家北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜，、为
3
什么霜会结在树叶上表面,这是因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。
还有就是大家都觉得很讨厌的一件事那就是窗玻璃对红外线几乎不透明，但是隔着玻璃依然会被太阳晒到的发热,这也是窗帘存在的理由。虽说窗玻璃对红外线不透明，但对可见光却是透明的，因而隔着玻璃晒太阳，太阳光可以穿过玻璃进入室内，而室内物体发出的红外线却被阻隔在窗内，因而房间内温度越来越高，因而感到暖和。
我们作为建筑这一行业我们再说说一个关于我们行业的传热学例子。在寒冷的北方地区，现在建房越来越多的人开始采用
多孔的空心砖。这也可以用传热学的知识解释，在其他条件相同
时，实心砖材料如红砖的导热系数约为0.5W/(m〃K)(35?)，
而多孔空心砖中充满着不动的空气，空气在纯导热(即忽略自然
对流)时其导热系数很低，是很好的绝热材料。
现在在科技高速发展的时代，传热学不仅能解释生活中的
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现
象，还被用到了许多工程中。传热学也面临着很大的考验，也遇
到了很多难题，但同时也与许多学科结合得到了更大的发挥，所
以我们应学好传热学。
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范文四：热平衡法在传热学教学中的应用
热平衡法在传热学教学中的应用
涂 虬
(武钢职工大学土建系 )
摘 要 热平衡法是作者在传热学教学实践中归纳出来的借助能量转化和守恒定律来计算传 热问题的一种思想方法 。 本文通过典型例题讲解这种方法的应用 , 从而把传热学这门课中的传热计 算问题贯穿起来 , 把复杂的传热问题简单化 。
关键词 热平衡法 传热学
热平衡法是借助能量转化和守恒定律来计算热量传递问题的一种思想方法 。 它有两种用法即选定要研 究的物体对象为控制体和物体内无限小微元为控制体 , 应用能量转化和守恒定律建立起能量平衡关系式 , 然 后把参与热量传递的传热方式表达式代入该关系式的各项中进行求解 。 前一种方法得到一个决定物体整体 的方程 , 后一种方法得到一个微分方程 , 该方程可以针对物体内每一点的条件来求解 。 这两种方法用来求解 传热问题都非常有效 。
热平衡方程式形式简单 , 很容易理解 , 且应用起来非常灵活 、 方便 , 可以用来求解许多复杂的热量传递问 题 , 把这种思想贯穿于传热学整个教材的教学过程中 , 可以加深学生对各章节中定律 、 计算公式的理解 , 对许 图 1
多不能直接套用公式计算的换热问题采用此方法可以方便计算 , 而且解题思路清晰 。
1 热平衡法在导热教学中的应用
在导热这部分内容中 , 导热微分方程的推导其实就是热平衡法的应用 , 它是取无限小微元体利用能量守
恒关系式推导出来的 , 然后结合具体条件简化该式 , 再借助边界条件来解决各种稳态导热问题如平壁导热 、 园筒壁导热 , 肋壁导热 。 笔者在讲述导热微分方程的推导时 , 首先提出热平衡法这种思想 , 对学生进行了详细 讲解 , 并给出这种思想方法的解题步骤 :
(1) 首先确定研究对象和它的边界 , 确定出相应的控制体 ;
(2) 明确热量传递过程 , 判定有哪几种参与热量传递基本方式 ; (3) 写出能量守恒关系式 , 然后把参与热量传递方式表达式代入 该关系式的各项中建立热平衡方程 , 最后求解热平衡方程 。
为使学生进一步掌握这种思想方法 , 举例说明 :
例 1 一座墙壁内部在非稳态过程中的苛个时刻 t 1的温度分布 如图 1所示 。 试问这座墙壁是在加热还是在被冷却 ?
解 :设 墙壁 密度 、 体积 、 比热 、 导 热系数 分别 为 d , V , C P , λ(下 同 ) 。 首先确定控制体如图 1虚线部分所示 , 判定参与热量传递的基 本方式是导热 , 然后对平壁的控制体应用能量守恒定律 , 则有如下关 系式 :
E cond , 1-E cond , 2=E st
第 11卷第 1期 武钢职工大学学报
Vol. 11No. 12000年 2月
J ou rnal of Univ ersity for Staff and Wo rk ers of W IS GCO
Decem ber. 2000
10_
又因为控制体内贮存的能量为 :E st =d VC P dt 然后把傅里叶定律代入以上各式建立热平衡方程 :
-λA (dx ) 1-[-λA (dx ) 2]=d VC P (dt )
因此 :
dt =d vC P [dx ) 2-dx
) 1]由图 1知 :(d x ) 1<0, (dx="" )=""><0, 且="" |(dx="" )="" 1|="">|(dx ) 2|。 因此得出墙壁在被加热 。
由例 1可知 :采用热平衡法很容易求解导热换热问题 , 如果采用教材中有关内容的公式去套 , 肯定很难 求解 。 此题看似简单 , 但它是热平衡法的典型应用 。 类似的导热换热计算问题可以采用同样的方法去求解 。 2 热平衡法在对流换热教学中的应用
在教材第二大部分内容即对流换热分析中 , 也隐含有热平衡法这种思想 。 对流换微分方程组中的能量微 分方程式就是取无限小微元控制体利用能量转化和守恒定律建立起来的 , 再在此基础上通过数量级分析并 借助流动边界层和热边界层进一步简化对流换热微分方程组 , 结合实验数据才得出一系列经验计算式 。 同
样 , 边界层换热积分方程组也是取无限小微元控制体采用能量转化和守恒定律建立起来的 。 这部分内容各章 节之间相互关联 , 计算公式多 , 有时感到无所适从 , 如果采用热平衡法很容易求解 。 如下列 :
例 2:有人设想把南极大冰山拖运到 10000km 的干旱地区 , 以解决淡水供应问题 。 设冰山 可视为长 1km , 宽 0. 5km, 厚 0. 25km 的大板 , 拖运速度为 g =1km /h,途中冰块与海水 , 冰面与空气的平均温差 Δt =10℃ , 忽略冰面的辐射换热 , 试估计冰山拖运中底部表面的平均溶化速率 dD /dt (已知临界雷诺数 Re c =5×105, 溶解热 h sf =3. 34×105J /kg ) 。
解 :查物性 :查冰的密度 、 水的导热系数 、 普朗特常数 、 运动粘性系数分别为 :
冰 (273K) d =920kg /m
3
水 (278K) λ=0. 58(W /m·k) , P r =11. 0, γ=1. 5×10-6
m 2
/s
根据能量守恒定律 :单位时间内对流传给冰的热量应等于单位时间内溶化冰所需的热量 E m 。 建立热平衡方程有 :h L A Δt =E m
又因为 :E m =h sf dt =h sf
dt
式中 :h L — — 平均换热系数 ; M —— 冰块质量 ; A —— 冰块底面积 ; D —— 冰块的厚度 联立以上方程得平均减厚速率为 :dt =
L d i h sf
为了得到平均对流换热系数 h L —
, 首先计算雷诺数 Re L :Re L =V =×1000
1. 5×10
=1. 85×10
8
因为 Re L Re c , 平均努谢尔数 N u L 由下式计算 :
Nu L =0. 037L =0. 037
×(1. 85×108) ×=3. 38×105所以 : h L =L N u L =5
1000=196W /(m 2·k )
求解得 :dt =920×3. 34×10
5=0. 64×10-5
m /S=0. 023m /h3 热平衡法在辐射换热教学中的应用
, 64
武钢职工大学学报 2000, 11(1)
确实有效 。 如下例 :
例 3:一块长 L, 宽 W, 厚 H 的面包放在温度为 T ∞ 的恒温烤箱中加热 , 面包黑度为 X , 面包的起始温度为 T 1, in , 问面包温度的起始变化率 1
dt
是多大 ? (不考虑烘烤时水分的散失 ) 解 :取面包为控制体应用能量守恒定律 :E in =E st
又由于 :
E in =A 2h 21e (T 42-T 41, in )=A 1h 12e (T 42-T 4
1, in )
式中 :e , A 2, h 21, A 1, h 12分别为辐射系数 ; 烤箱表面积 ; 面包表面积 ; 烤箱对面包角系数 ; 面包对烤箱的角系数 。
其中 :A 1=2(LW +L H +HW ) , h
12=1联立以上各式建立热平衡方程 :
2e (LW +L H +HW ) (T 24-T 4
1, in )=d (LW H ) C P 1dt
求解得 :d T 1dt =
2e (LW +L H +HW ) (T 4∞ -T 4
1, in )
d LW HC P
例 3很有代表性 , 是一道典型的用热平衡法计算传热问题 。 这样的问题很多 , 应用很广 , 与我们的生活息 息相关 。 掌握了例 3, 就基本掌握了热平衡法在辐射换热中的应用 。
例 4 钨的半球单色黑度的分布如图 2所示 , 考察直径 D=0. 8mm , 长 L=20mm 的圆柱形钨形 , 钨丝封 闭在真空的灯炮内 , 并靠电流加热至稳定温度为 T i =2900k , 问 :
(a) 当电流中断后 , 灯丝的起始冷却率
dt
是多大 ? 图 2
(b) 计算钨丝冷却至温度为 T f =1300k 时所需的时间 (灯丝温度低于 1300k 时 , 几乎没有可见光 ) 。 解 :查物性 :
钨 (T =2900k ):密度 d =19300k g /m 3 比热 C P =185J /k g ·K
(a) 以灯丝为对象应用能量守恒定律有如下关系式 :
E St =-q ra d
(1) 然后把辐射换热计算式代入上式建立热平衡方程 :
(2) mC P dt =-X e A T
4
(3)
式中 :m — 灯丝质量 ; X — 发射率 ; e — 黑体辐射系数 ;
A — 灯丝表面积 ; T — 绝对温度
因而 :
dt =4
d (c D /4)L ·C P
=4
p DC P 又因为 :
X
=∫
∞
X λE λ, b
d λ
E b
=0. 45F (0→ 2_m ) +0. 1F 2_m →∞
当 T =2900k , λ=2_m 时 , λT =5800_m k , F (0→ 2_m ) =0. 72, 并代入上式可得 :
X =0. 45×0. 72+0. 1(1-0. 72)=0. 352
再将值代入 (3) 式 , 可得 :
dt =--84
19300×(8×10) ×185
=-1977K /s
(b ) 将 (3) 式分离变量并积分 , 可得 :
d DC P t
0dt =-T
f
T i
T dt =3(T f -T i 因而 :
t =P 12X e (T 3f -T 3i )=-412×0. 352×(5. 67×10-8) ×13003-29003
]65
涂 虬 :热平衡法在传热学教学中的应用
例 4 本身并不难 , 它是热平衡法在辐射换热计算中的应用 , 只是例 4综合了已知单色黑度如何求总黑 度 。 例 4再次表明热平衡法很容易掌握 , 用来求解传热问题简便易行 。
4 热平衡法在复合换热教学中的应用
前面讨论的是三种基本传热方式 , 而实际上大多数技术应用问题同时涉及多种传热方式 , 把这种具有多 种传热方式如导热 、 对流 、 辐射并存的能量传递称复合换热 。
复合换热求解更加复杂 , 根本就没有现成的公式去套 , 教材这部分只作简单介绍 , 并没有深入讲解 , 采用 的方法是先求解复合换热系数 , 一种简单的方法是把辐射换热热量按对流换热牛顿冷却公式折算出辐射换 热系数 , 它与对流换热系数之和即为复合换热系数 , 再求换热量 。 如果同时存在三种基本传热方式 , 按这种方 法将无法求解 。 这时 , 更能体现热平衡法的作用 。
图 3
例 5 炼钢厂生产出来的园柱性钢件 , 温度为 T , 长 L , 直径为 D , 静置于温度为 T ∞ 的车间中 , 试推导出 冷却过程中钢件温度随时间变化的方程式 。
解 :取钢件为控制体 , 应用能量守恒定律 :
E ·
st =-E ·
out
由于 : E ·
st =Mc P dt
, E out =-(E conv +E ra d )
然后把对流换热 、 辐射换热计算式代入以上各式建立热平衡方程 :
MC P
dt
=-c DL [h (T -T ∞ )+X e (T 4-T 4
∞ ) ]其中 :钢件质量 M =d V =4D 2
d L 联 立以上两式求得 :dt =-D d c P [h (T
-T ∞ )+X e (T 4-T 4
∞ ) ]
例 6 直径为 D , 黑度为 X 的金属丝 以恒定速度 g 通过铂模被制造出来 。 当 它通过两个固定点 x =0和 x =L 之间 时 , 受到空气强迫对流和辐射的冷却 。 对 流 换 热系 数 为 h , 周 围 的空 气 温 度 为 T ∞ 。 辐射是在有效温度为 T sur 的环境下 进行传热 。 冷却以后 , 导线被绕在一个大 卷轴上以便装运 。 要求建立一个控制方 程来描述 x =0到 x =L 之间沿导线的 温度分布 。
解 :取无限小微元控制体 。 有关能量的传递有沿导线的导热 , 随导线移动的能量传递和从导线表面进行
对流放热和辐射传热 , 应用能量守恒定律 , 有 :
q co n d , x +E conv , x -q cond , x +
d x
-E conv , x +
d x
-dq co nv -dq ra d =0
其中 :
q co n d , x =-λ(c D 2/4)
dt
q co n d , x +d x =q cond , x + q cond , x x dx =-λ(c D 2/4)dx -λ(c D 2/4)2
d x
·dx E conv , x =d g (c D 2
/4)C P (T -T ∞ )
E conv , x +dx =E co nv , x +conv , x x dx =d g (c D 2/4)C P (T -T ∞ )+d g (c D 2/4)C P 2dx 2
dx
(66
武钢职工大学学报 2000, 11(1)
dq rad =X e (c Ddx ) (T 4-T 4
sur )
联立以上各式建立热平衡方程得 :
λ(c D 2
/4)2
dx
dx -d g (c D 2/4)c P dx h c dx (T -T ∞ ) -X e (c Ddx ) (T 4-T 4
sur )=0
化简得 :2
dx 2-P λdx -λD (T -T ∞ ) -λD
(T 4
-T 4sur )=0此题是热平衡法的第二种用法即取无限小微元件为控制借助能量守恒定律建立热平衡方程进行求解 ,
此题有一定的难度 , 它综合了三种基本传热方式 , 把教材中各部分的内容贯穿起来 , 有利于学生进一步加深 对热平衡法这种思想的理解 。
5 结束语
通过以上分析和例题讲解 , 可以看出用热平衡解决传热问题计算简单 , 思路清晰 , 应用灵活广泛 , 而且省 去了记忆复杂的公式 。 在教学中向学生灌输热平衡法这种思想 , 学生易于接收 , 教学实践证明把这种思想贯 穿在这门课程的全部教学过程中 , 收到了事半功倍的效果 。
参 考 文 献
[1] 章熙民等 , 传热学 , 建筑工业出版社 , 1993年 6月 。 [2] F. P. 因克罗普拉等 , 传热基础 , 宇航出版社 , 1985年 2月 。
Use of Th ermal Equilibrium in the Instruction of Heat Transfer
Tu Qiu
Abstract :As Kind of thought, heat equilibriuin instruetio n method is used to calculate heat transfer w ith
the help o f the law of energ y comersio n and energ y co nserva tio n . Some typical ex amples are cited in the a rticle fo r dem onstratio n of its use.
Key words :hea t equilibrium insrruction m ethed, heat transfer. (上接第 39页 )
9、 切换到图纸空间 , 制作标题栏 。 采用嵌入的方法将标题栏嵌入到两个总图文件中 , 再将标题栏缩小到 合适的大小 。 10、 打印出图 。
4 结束语
利用 Auto CAD 提供的各种绘图及编辑技术可以高效 、 准确 、 快速地进行绘图 , 特别是采用平铺的模型 空间 、 浮动的模型空间与图纸空间技术可极大地方便大型图纸的布局 。 利用 Ex ce197电子表格软件可快速 地完成 Auto CAD 图纸中的标题栏的编制 。
参
考
文
献
[1]崔洪斌等编著 . AutoC AD R13. 0Window s 版使用指南 . 北京 :清华大学出版社 , 1998[2]周克绳等编著 . Au to CAD R14中文版基础与应用 . 北京 :人民邮电出版社 , 1998[3]陈小宁等编 . 精通 Office97, 北京 :人民邮电出版社 , 1997
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涂 虬 :热平衡法在传热学教学中的应用
范文五：传热学中的名词解释
准稳态导热:物体内各点温升速度不变的导热过程。 非稳态导热:温度随时间而变化的导热过程。 热流量:单位时
间内所传递的热量。 热流密度:单位传热面上的热流量。
大容器沸腾 :高于液体饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾 。饱和沸腾:若液体的主体温度
达到饱和温度,壁温高于饱和温度所发生的沸腾叫饱和沸腾。
传热过程 :热量从高温流体通过壁面传向低温流体的总过程 .
对流传热:流体流过固体壁时的热传递过程,就是热对流和导热联合用的热量传递过程,称为表面对流传热,简称对流传热。 辐射传热:物体不断向周围空间发出热辐射能,并被周围物体吸收。同时,物体也不断接收周围物体辐射给它的热能。这样, 物体发出和接收过程的综合结果产生了物体间通过热辐射而进行的热量传递,称为表面辐射传热,简称辐射传热。
对流传热系数:单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为 1K 是的对流传热量,单位为 W /(m2·K) 。对流传热系数表 示对流传热能力的大小。 辐射传热系数:单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为 1K 是的辐射传热量,单位为 W / (m2·K) 。辐射传热系数表示辐射传热能力的大小。 复合传热系数:单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为 1K 是的 复合传热量,单位为 W /(m2·K) 。复合传热系数表示复合传热能力的大小。 总传热系数:总传热过程中热量传递能力的大小。 数值上表示传热温差为 1K 时,单位传热面积在单位时间内的传热量。
温度场:某一瞬间物体内各点温度分布的总称。一般来说是空间坐标和时间坐标的函数。 稳态温度场:温度场内各点的温度 不随时间变化。 等温面 (线 ) :由物体内温度相同的点所连成的面(线)。 温度梯度 :在等温面法线方向上最大温度变化率。 热导率:物性参数,热流密度矢量与温度降度的比值,数值上等于 1 K/m 的温度梯度作用下产生的热流密度。热导率是材料 固有的热物理性质,表示物质导热能力的大小。 导温系数 :材料传播温度变化能力大小的指标。
稳态导热:物体中各点温度不随时间而改变的导热过程。 非稳态导热:物体中各点温度随时间而改变的导热过程。
傅里叶定律:在各向同性均质的导热物体中,通过某导热面积的热流密度正比于该导热面法向温度变化率。
接触热阻:材料表面由于存在一定的粗糙度使相接触的表面之间存在间隙,给导热过程带来额外热阻。
定解条件 (单值性条件 ) :使微分方程获得适合某一特定问题解的附加条件,包括初始条件和边界条件。
速度(流动)边界层:当流体流过固体壁面时 , 由于流体粘性的作用 , 使得在固体壁面附近存在速度发生剧烈变化的薄
层。 其厚度 δ定义:达到主流速度的 99%处的距离为流动边界层的厚度; 温度(热)边界层:在对流换热时,固体壁
面附近温度发生剧烈变化的薄层。 其厚度 δt 的规定:以过余温度为来流过余温度的 99%处定义为 δt 的外边界
定性温度:确定换热过程中流体物性的温度。 特征尺度:对于对流传热起决定作用的几何尺寸。
强迫对流传热 :由于机械 (泵或风机等 ) 的作用或其它压差而引起的相对运动。 自然对流传热及其流态和分类 :由于流体中各 部分密度不均匀而引起的一种流动与换热现象。 流态:层流,湍流; 分类:大空间自然对流传热:热边界层的发展不受干扰 或阻碍的自然对流传热。 有限空间自然对流传热:或者边界层的发展受到干扰,或者流体的流动受到限制的自然对流传热 核态沸腾 :在加热面上产生汽泡,换热温差小,且产生汽泡的速度小于汽泡脱离加热表面的速度,汽泡的剧烈扰动使表面传 热系数和热流密度都急剧增加。 膜态沸腾:在加热表面上形成稳定的汽膜层,相变过程不是发生在壁面上,而是汽液界面上, 但由于蒸汽的导热系数远小于液体的导热系数,因此表面传热系数大大下降。
热辐射:由于物体内部微观粒子的热运动状态改变,而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。
黑体 :吸收比 α= 1的物体。 白体:反射比 ρ=l的物体 (漫射表面 ) 。 透明体:透射比 τ= 1的物体。 灰体:光谱吸收比与波长 无关的理想物体。 漫灰体(漫射的灰体):在一定温度下,光谱发射比与波长无关,是个常数的物体。 漫射体:辐射能按空 间分布满足兰贝特定律的物体。
辐射力 E :单位时间内,物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。 光谱辐射力 E :单位时间、单位波长范 围内 (包含某一特定波长 ) 、物体的单位表面积向半球空间发射出去的辐射能。 定向辐射强度 L :在单位时间内、单位可见辐射 面积上、单位立体角内发射的一切波长的能量;
黑度(发射率):实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值,即物体发射能力接近黑体的程度。 光谱发射率:实际物 体的辐射力与同温度下黑体同一波长下的光谱辐射力之比。 定向发射率:与辐射面法向成 θ角的方向上的定向辐射强度和同 温度下黑体的定向辐射强度之比
有效辐射 J :单位时间内离开表面单位面积的总辐射能。 投入辐射 G :单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。
吸收比:投射到物体表面的热辐射中被物体所吸收的比例。 光谱吸收比:物体吸收某一特定波长辐射能的百分数。 反射比:投射到物体表面的热辐射中被物体表面所反射的比例。穿透比:投入辐射中穿透物体能量的百分数。
穿透比:投射到物体表面的热辐射中穿透物体的比例。 角系数:从表面 1发出的辐射能直接落到表面 2上的百分数。
漫反射表面:不论外界辐射是以一束射线沿某一方向投入还是从整个半球空间均匀投入,物体表面在半球空间范围内各方向 上都有均匀的反射辐射度 Lr ,称为漫反射表面。 漫射表面:既是漫发射表面,又是漫反射表面,则该表面称为漫射表面。
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