二維非穩態傳熱是指物體的溫度隨二維面上的位置及時間而變化的傳熱過程。
基本介紹
- 中文名：二維非穩態傳熱
- 外文名：two dimensional transientheat conduction; two dimensional unsteady heat transfer
- 基本釋義：溫度隨二維位置及時間而變化
- 分類：熱力學
- 領域：能源
- 學科：熱力學
簡介,維度,非穩態傳熱,典型套用,牆體保溫分析,晶矽鑄錠分析,焚燒爐分析,U型埋管分析,相關專利,
簡介
維度
當一塊平板的長度、寬度遠大於厚度時，平板的長度和寬度的邊緣向四周的散熱對平板內的溫度分布影響很少，以至於可以把平板內各點的溫度看作僅是厚度的函式時，該平板就是一塊“無限大”平板。若平板的長度、寬度、厚度相差較小，但平板四周絕熱良好，則熱量交換僅發生在平板兩側面，從傳熱的角度分析，可簡化成一維傳熱問題。物體的溫度隨二維面上的位置變化而變化，則屬二維傳熱問題。
對於典型的幾何形狀的物體，可利用一維非穩態傳熱問題分析解的組合求得。無限長方柱體的非穩態傳熱問題，屬二維非穩態傳熱問題。
非穩態傳熱
非穩態傳熱是指物體的溫度隨時間而變化的導熱過程。各種熱力設備在啟動、停機、工況改變時的傳熱過程則屬非穩態傳熱過程。工程上和自然界存在著大量的非穩態傳熱過程，如房屋牆壁內的溫度變化、爐牆在加熱（冷卻）過程中的溫度變化、物體在爐內的加熱或在環境中冷卻等。
非穩態傳熱過程中在熱量傳遞方向上不同位置處的傳熱量是處處不同的；不同位置間傳熱量的差別用於(或來自)該兩個位置間的物體內能隨時間的變化，這是區別於穩態傳熱的一個特點。因此，對非穩態傳熱一般不能用熱阻的方法來作問題的定量分析。正在變涼的開水通過杯子的傳熱過程就是非穩態傳熱熱。
典型套用
牆體保溫分析
建築能耗約占全社會商品能耗的30%，而建築耗熱中，熱橋耗熱已經占到總能耗的20%左右，因此，對於熱橋處的熱量損失規律的研究具有重要意義。
玻璃使用範圍廣，損耗多，若丟棄的廢玻璃不能有效地回收利用，不僅浪費資源，還將對環境造成污染，因此，加強對廢玻璃的回收再利用意義重大。廢玻璃回收可轉化為再生輕石材料，具有保溫、隔熱等特性，經其製作成的保溫牆板和砌塊對於最佳化建築節能有重要作用。
研究表明，當牆體的高度達到厚度的10倍以上時，在垂直方向的溫度場可以近似看作為恆定不變，物體傳熱過程可以用二維傳熱理論進行分析。文獻將廢玻璃再生輕石製成的保溫砌塊或保溫牆板作為構造層加入外牆保溫體系中,以混凝土框架柱熱橋為研究對象,選取武漢地區冬季典型日的氣象數據,採用二維非穩態傳熱理論,通過有限元分析軟體ANSYS對框架柱熱橋處牆體內表面溫度隨時間變化的規律進行模擬分析,從而對該種保溫材料用於外牆保溫體系中的適用性給予科學經濟的評價,並為相關的建築節能計算提供參考.
文獻則採用有限元法對節能建築複合牆體熱橋進行二維非穩態傳熱分析.計算結果表明:冬季採用牆體外保溫時牆體的重質承重部分和構造柱能夠保持較高的內部溫度,對建築主體結構起到良好的保護作用,且熱橋漏熱損失小;內保溫牆體由於保溫層不連續,熱橋部位的傳熱損失是外保溫方式的3倍,採暖負荷計算時應該進行熱橋傳熱修正,在我國北方熱橋較多的小開間的採暖居住建築中應慎重採用.
晶矽鑄錠分析
目前大規模生產太陽電池用晶矽材料主要採用定向凝固技術。在晶矽鑄錠凝固和退火的過程中，由溫度場變化引起的不均勻熱變形是產生鑄錠內熱應力的主要原因。熱應力會造成鑄錠內位錯缺陷的增殖，進而影響太陽電池的光電轉換效率。因此，對晶矽鑄錠內熱應力的研究十分必要。
文獻針對工業用晶矽鑄錠定向凝固爐建立二維非穩態全局傳熱模型和熱應力模型,對比分析兩種彈性係數模型在晶矽生長、退火和冷卻過程中對晶矽鑄錠內部熱應力場模擬結果的影響.研究表明,不同階段鑄錠內部的熱應力分布變化顯著;彈性係數的選取對於鑄錠內熱應力分布趨勢影響不大,但對生長階段和冷卻階段鑄錠內的熱應力大小有顯著影響.
焚燒爐分析
文獻建立了層燃式焚燒爐中垃圾團塊的圓柱狀多孔介質模型，得到了不同煙速、煙溫和不同垃圾尺寸下的軸向、徑向有效導熱係數，並用二維非穩態傳熱分析方法，求得了垃圾團塊內部的溫度場和中心點的升溫時間曲線。
U型埋管分析
地下U型埋管換熱器及其周圍回填材料和土壤傳熱過程是一個複雜的、非穩態的傳熱過程：一方面，換熱器的埋管方式、土壤及回填材料特性、地下水文參數及地面氣象參數均影響著整個傳熱過程；另一方面，傳熱過程又與地面熱泵機組的運行特性相互影響．因此現有各種U型埋管換熱器及其周圍土壤傳熱模型均是在一定假設基礎上建立的。
文獻針對垂直U型換熱器埋管及其周圍回填材料和土壤傳熱過程,建立了將U型管壁的邊界換熱取為第三類對流換熱條件的二維非穩態傳熱模型,並對處於土壤恆溫區某一深度的動態傳熱特性,尤其是熱流規律進行了數值模擬研究.分析結果表明,各處瞬時熱流隨時間推移存在不規則情況階段、正常情況階段以及準穩態階段.各處進入準穩態階段的時間主要取決於回填材料和土壤的熱擴散係數,而準穩態階段熱流變化規律僅與導熱係數有關,這對土壤導熱係數現場測試具有重要的理論指導意義.
