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传热学基础 3.1 基本概念 在太阳能热利用系统及其部件进行设计和分析时，必须掌握有关传热学的一些基本知识。 传热：热能的传递或转移。传热学是以热力学定律为基础，用分析方法或实验方法研究热能的传递过程，并以此定量地预示热能的传递速率和温度场变化的一门科学。 热能的传递是通过传导、对流和辐射等三种基本方式实现的。 热传导是指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。 对流传热：只能在流体中（气体或液体）发生，主要是靠流体分子的随机运动和流体的宏观运动来实现的。对流传热过程可分为：自然对流传热和强迫对流传热。 辐射传热：具有一定温度的物体以电磁波形式发射的辐射能。 特点：物体的部分热能转变成电磁波——向外发射能量，当它遇到其他物体是，又被后者部分吸收而重新变为热能。 无论是热传导、对流传热和辐射传热，都只是在有温差的情况下才能产生净的传热速率。在实际情况中，三者经常是同时发生的，只在特定条件下，以上三种情况是单独发生。 2. 热传导 2.1 傅里叶定律 热传导是在固体或静止液体中热能传递的一种方式。热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源。有温差就会有传热。 热传导过程可分为稳态传导和飞稳态传导。 在稳态传导过程中，物体中每一处的温度是不随时间变化的，因此物体中的温度场是空间的函数，即：T = f ( x, y, z)。 在非稳态传导过程中，物体中各处的温度是时间和空间的函数，即：T = f ( x, y, z,τ )。 T— 温度; x, y, z — 空间坐标; τ —时间 大量实验表明，导热速率与温度梯度及热流通过的截面积是成比例的。不过，即使在相同的截面积和相同的温度梯度情况下，对于不同的物体，导热速率也不一样。对于各向同性的物体，可以表示为： ∝ 其中为导热，单位为Wλ为导热系数，w/(m)； A为面积，单位为m2 是温度梯度 2.2 平板热传导 2.3 多层平板热传导 3.2.4 通过圆管及球体的热传导 3 .3 对流换热 3.3.1牛顿冷却定律冷却定律 牛顿冷却定律：温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比，比例系数称为热传递系数。 湍流：当流体流速超过某一数值时，流体不再保持分层流动，而可能向各个方向运动，有垂直于管轴方向的分速度，各流层将混淆起来，并有可能出现涡旋，这种流动状态。 流体作湍流时所消耗的能量比层流多，湍流区别于层流的特点之一是它能发出声音。 3.3.3 边界层 当流体沿平板流动时，壁面处的速度总是零。垂直于壁面方向的流速将逐渐增大，并达到自由流速。但实验证明，这种在壁面法线方向的流速变化，只是在离壁面很近的一层薄的流体内发生，次薄层称为“速度边界层”。在速度边界层内，由于存在速度梯度，作用在个流层面上的粘性剪切应力就阻碍了流体的运动。 可按下式来确定壁面剪切力： 习惯上，将速度边界层厚度δ定义为边界层外缘出德尔流速V达到0.99V∞ 时的y值。当流体温度和壁面温度不相同时，在离壁面很近的区域内就会产生“温度边界层”活称为“热边界层”。在壁面处，流体温度和壁面温度 相同，沿壁面的法线方向，流体的温度将不断变化，最终达到自由流温度 。这种温度变化只存在于热边界层内。通常，将边界层厚度定义为边界层外缘处的温度T达到时的y值。 如果2热边界层温度分布的规律，就可根据傅里叶定律确定热流密度： 3.3.4 对流换热的经验公式 在太阳能利用系统的分析和设计中，为计算对流换热量，必须知道牛顿冷却公式中的对流换热系数。除了一些简单的集合形状能得到热边界层中温度分布的分析解外，对于大多数复杂的实际情况，很难用分析的方法确定。所以，一般的方法都是将对流换热的实验数据整理成哥无量纲数之间的关系式，以供几何上与之相似的流动边界条件使用。这种方法的基础是相似理论或基于量纲分析的π定理。 无量纲数 几个重要的“无量纲数”： （1）努塞尔数 流体于固体壁面交界处的流体温度梯度于参考温度梯度之比值。 （2）雷诺数 （3）普朗特数 可以理解为度量在速度边界层和热边界层中由分子扩散所引起的动量传递和能量传递的相对效果的一个值。 （4）格拉晓夫数 它表征因密度差而引起的流体的浮升力与粘性力之比值的无量纲数。 2.相似理论 众所周知，如果两个物体的几何形状相似，则只需知道其中一个物体的有关几何参数及与另一个的相似比例数，就可确定另一个的几何参数。对于传热情况也类似：如果传热现象相似，则其由其中一个传热现象所得的实验数据，就可应用于其相似的另一传热现象。 由相似理论可知，只有在满足下述条件时，两个现象才相似： （1）描