热能与动力工程专业英语翻译Ch 01 教案文档格式.docx

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q/A~T/x.Whentheproportionalityconstantisinserted

（1-3）

WhereqistheheattransferrateandT/xisthetemperaturegradientinthedirectionofheatflow.Thepositiveconstantλiscalledthethermalconductivityofthematerial,andtheminussignisinsertedsothatthesecondprincipleofthermodynamicswillbesatisfied;

i.e.,heatmustflowdownhillonthetemperaturescale.Equation（1-3）iscalledFourier’slawofheatconductionaftertheFrenchmathematicalphysicistJosephFourier,whomadeverysignificantcontributionstotheanalyticaltreatmentofconductionheattransfer.ItisimportanttonotethatEquation（1-3）isthedefiningequationforthethermalconductivityandthatλhastheunitsofwattspermeterperCelsiusdegreeinatypicalsystemofunitsinwhichtheheatflowisexpressedinwatts.

1.3.1热传导

当物体内部存在温度梯度时，经验表明，就有能量从高温区向低温区传递。

我们说，此时的能量通过传导进行传递，单位面积上的传热速率与法向温度梯度成正比，即q/A~T/x。

引入比例系数，则有

其中q是热流量，T/x是热流方向上的温度梯度，正常数称为材料的导热系数。

方程中插入的负号表示热传导过程应满足热力学第二定律，即热量必须沿温度降低的方向传递。

式（1-3）称为傅立叶导热定律，以法国数理学家约瑟夫傅立叶的名字命名，傅立叶在导热的分析处理方面做出了极其重大的贡献。

值得注意的是，式（1-3）也是导热系数的定义式，在典型的单位体系中，当热流量q的单位为W时，的单位为W/（m℃）。

1.3.2Convectionheattransfer

Itiswellknownthatahotplateofmetalwillcoolfasterwhenplacedinfrontofafanthenwhenexposedtostillair.Wesaythatheatisconvectedaway;

andwecalltheprocessconvectionheattransfer.Thetermconvectionprovidesthereaderwithanintuitivenotionconcerningtheheat-transferprocess;

however,thisintuitivenotionmustbeexpandedtoenableonetoarriveatanythinglikeanadequateanalyticaltreatmentoftheproblem.Forexample,weknowthatthevelocityatwhichtheairblowsoverthehotplateobviouslyinfluencestheheattransferrate.Butdoesitinfluencethecoolinginalinearway;

i.e.,ifthevelocityisdoubled,willtheheattransferdouble?

Weshouldsuspectthattheheattransferratemustbedifferentifwecooledtheplatewithwaterinsteadofair,but,again,howmuchdifferencewouldtherebe?

Thesequestionsmaybeansweredwiththeaidofsomeratherbasicanalyses.Fornow,wesketchthephysicalmechanismofconvectionheattransferandshowitsrelationtotheconductionprocess.

图1-8对流换热

1.3.2对流换热

众所周知，与热金属板放置在静止的空气中相比，放置在转动的风扇前的热金属板会更快地冷却。

我们说热量通过对流进行传递，称此类换热过程为对流换热。

对流这个术语给读者提供了有关传热过程的直观概念，然而，必须扩展这种直观概念，使我们可以达到对某一问题进行充分的分析和处理。

例如，我们知道流过热平板的空气速度会明显影响其传热量，但它是以线性方式影响冷却的吗？

即如果速度增加一倍，传热量也会增加一倍吗？

我们猜想，如果用水代替空气冷却热平板，传热量可能有所不同，但是，二者的差异会有多少呢？

这些问题在了解一些非常基本的分析后，可得以回答。

现在，我们来简要描述对流换热的物理机理，并且说明它和传导过程的联系。

图1-8

ConsidertheheattransferplateshowninFig.1-8.ThetemperatureoftheplateisTwandthetemperatureofthefluidisT∞.Thevelocityoftheflowwillappearasshown,beingreducedtozeroattheplateasaresultofviscousaction.Sincethevelocityofthefluidlayeratthewallwillbezero,theheatmustbetransferredonlybyconductionatthatpoint.Thuswemightcomputethe

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heattransfer,usingEquation（1-3）,withthethermalconductivityofthefluidandthefluidtemperaturegradientatthewall.Why,then,iftheheatflowsbyconductioninthislayer,dowespeakofconvectionheattransferandneedtoconsiderthevelocityofthefluid?

Theansweristhatthetemperaturegradientisdependentontherateatwhichthefluidcarriestheheataway;

ahighvelocityproducesalargetemperaturegradient,andsoon.Thusthetemperaturegradientatthewalldependsontheflowfield,andwemustdevelopinourlateranalysisanexpressionrelatingthetwoquantities.Nevertheless,itmustberememberedthatthephysicalmechanismofheattransferatthewallisaconductionprocess.

被加热的平板如图1-8所示，平板的温度为Tw，流体的温度为T∞。

速度分布如图所示，受黏性作用，平板上的速度减小为零。

因为壁面处流动薄层的速度为零，因此，在该点上热量只能以导热方式传递。

因此，可以利用式（1-3），以及壁面上的流体导热系数和温度梯度来计算传热量。

如果热量在该层经导热传递，那么，为什么我们要谈及对流换热以及需要考虑流体速度的影响呢？

答案是，温度梯度依赖于流体带走热量的速度，较高的流速将产生较大的温度梯度。

因此，壁面上的温度梯度依赖于流场的变化，在以后的分析中，我们将建立这二者间的关系。

然而，必须记住，壁面上传热的物理机理是一导热过程。

Toexpresstheoveralleffectofconvection.WeuseNewton’slawofcooling:

（1-4）

Heretheheat-transferrateisrelatedtotheoveralltemperaturedifferencebetweenthewallandfluidandthesurfaceareaA.Thequantityhiscalledtheconvectionofheat-transfercoefficient,andEquation（1-4）isthedefiningequation.Ananalyticalcalculationofhmaybemadeforsomesystems.Forcomplexsituationsitmustbedeterminedexperimentally.FromEquation（1-4）wenotethattheunitsofhareinwattspersquaremeterperCelsiusdegreewhentheheatflowisinwatts.

为描述对流换热的整体效应，应用牛顿冷却定律

这里，热流量与壁面和流体间的整体温度差以及表面积A有关。

参数h称为对流换热系数，式（1-4）是其定义式。

对某些传热过程，可获得h的分析表达式，而复杂情形下的传热系数必须通过实验研究来确定。

式（1-4）表明，当热流量的单位为W时，h的单位为W/（m2℃）。

Ifaheatplatewereexposedtoambientroomairwithoutanexternalsourceofmotion,amovementoftheairwouldbeexperiencedasaresultofthedensitygradientsneartheplate.Wecallthisnatural,orfree,convectionasopposedtoforcedconvection,whichisexperiencedinthecaseofthefanblowingairoveraplate.Boilingandcondensationphenomenaarealsogroupedunderthegeneralsubjectofconvectionheattransfer.

如果将热平板置于没有外部风源的房间空气中，平板附近的密度梯度将造成空气运动。

我们称此换热过程为自然对流，以区别于风扇吹扫平板表面时形成的强制对流。

沸腾和凝结现象也属于对流换热的范畴。

1.3.3Radiationheattransfer

Incontrasttothemechanismsofconductionandconvection,whereenergytransferthroughamaterialmediumisinvolved,heatmayalsobetransferredthroughregionswhereaperfectvacuumexists.Themechanisminthiscaseiselectromagneticradiation.Weshalllimitourdiscussiontoelectromagneticradiationwhichispropagatedasaresultofatemperaturedifference;

thisiscalledthermalradiation.

1.3.3辐射换热

对于导热和对流换热，其热量传递需要介质才得以进行，与此不同的是，热量也可以在完全真空中传递，其传热机理是电磁辐射。

我们将讨论限定在由温差导致的电磁辐射，即所谓的热辐射。

Thermodynamicconsiderationsshowthatanidealthermalradiator,orblackbody,willemitenergyatarateproportionaltothefourthpoweroftheabsolutetemperatureofthebodyanddirectlyproportionaltoitssurfacearea.Thus

（1-5

WhereisσtheproportionalityconstantandiscalledtheStefan-Boltzmannconstantwiththevalueof5.669×

10-8W/（m2·

K4）.Equation（1-5）iscalledtheStefan-Boltzmannlawofthermalradiation,anditappliedonlytoblackbodies.Itisimportanttonotethatthisequationisvalidonlyforthermalradiation;

othertypesofelectromagneticradiationmaynotbetreatedsosimply.

热力学研究表明，对于理想的热辐射体或黑体，其辐射力正比于物体绝对温度的四次方及其表面积，因此有

（1-5）

式中，为比例系数，称为斯忒藩－玻耳兹曼常数，其值为5.669×

10-8W/（m2·

K4）。

式（1-5）称为热辐射的斯忒藩－玻耳兹曼定律，该式仅适用于黑体。

值得注意的是，该表达式仅适用于热辐射，其它类型的电磁辐射要比该式复杂得多。

Equation（1-5）governsonlyrelationemittedbyablackbody.Thenetradiantexchangebetweentwosurfaceswillbeproportionaltothedifferenceinabsolutetemperaturestothefourthpower;

i.e.

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式（1-5）只能用于确定单个黑体的辐射能。

两个表面间的净辐射换热量与其绝对温度四次方的差成正比，即

（1-6）

WehavementionedthatablackbodyisaradiateenergyaccordingtotheT4law.Wecallsuchabodyblackbecauseblacksurface,suchasapieceofmetalconvertedwithcarbonblack,approximatethistypeofbehavior.Othertypesofsurfaces,suchasaglossypaintedsurfaceorapolishedmetalplate,donotradiateasmuchenergyastheblackbody;

however,thetotalradiationemittedbythesebodieswillgenerallyfollowtheT41proportionality.Totakeaccountofthe“gray”natureofsuchsurfacesweintroduceanotherfactorintoEquation（1-5）,calledtheemissivityε,whichrelatestheradiationofthe“gray”surfacetothatofanidealblacksurface.Inaddition,wemusttakeintoaccountthefactthatnotalltheradiationleavingonesurfacewillreachtheothersurfacesinceelectromagneticradiationtravelsinstraightlinesandsomewillbelosttothesurroundings.WethereforeintroducetwonewfactorsinEquation（1-5）totakeintoaccountbothsituations,sothat

（1-7）

WhereFεisanemissivityfunctionandFGisageometric“viewfactor”function.Itisimportanttoalterthereaderatthistime,however,tothefactthatthesefunctionsusuallyarenotindependentofoneanotherasindicatedinequation（1-7）.

我们已经提到，黑体是按四次方定律辐射能量的物体。

因其黑色的表面我们称之为黑体，如覆盖炭黑的金属片，就近似具有这种辐射特性。

其它类型的表面，如有光泽的漆面或抛光的金属板，并不具有黑体那样大的辐射力，然而，这些物体的辐射力仍大致与

成正比。

为了考虑这些表面的“灰”特性，在式（1-5）引入另一个参数，称为发射率ε，发射率将这些“灰”表面的辐射与理想黑体的表面辐射联系起来。

此外，我们必须考虑这样一个事实，并非一个表面发出的所有辐射都可以到达到另一个表面，因为电磁辐射是沿直线传播的，将有部分能量散失到周围环境中。

因此，考虑到这两种情况，式（1-5）引入另外两个新的参数，则有

式中，Fε是发射率函数，FG是几何角系数。

此时，值得提醒读者的是，式（1-7）中的这两个函数通常并不是相互独立的。

1.3.4Typesofheatexchangers

Thesimplesttypeofheatexchangerconsistsoftwoconcentricpipesofdifferentdiameters,calledthedouble-pipeheatexchanger.Onefluidinadoublepipeheatexchangerflowsthroughthesmallerpipewhiletheotherfluidflowsthroughtheannular[环形]spacebetweenthetwopipes.Twotypesofflowarrangementarepossibleinadoublepipeheatexchanger;

inparallelflow,boththehotandcoldfluidenterstheheatexchangeratthesameendandmoveinthesamedirection.Incounterflow,ontheotherhand,thehotandcoldfluidsentertheheatexchangeratoppositeendsandflowinoppositedirections.

1.3.4换热器的类型

最简单的换热器是由两个不同直径的同心圆管组成，称为套管式换热器。

套管换热器中的一种流体流经细管，另一种流体流经两管间的环形区域。

套管换热器中包括两种不同类型的流动方式：

一种为顺流，即冷、热流体从同一端进入换热器，并沿同一方向流动；

另一种为逆流，即冷、热流体从相反的两端进入换热器，且沿相反方向流动。

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