传热学第一章

主讲：段 娜,水院415,传 热 学,第一章 绪论,参考书：戴锅生 高等教育出版社先修课程：高等数学，工程热力学和流体力学等,何谓传热(What)?传热的重要性何在(Why)？热能是如何传输的(How)?,通过本章的学习，对热量传递的三种基本方式、传热过程及热阻的概念有所了解，并能进行简单的计算，能对工程实际中简单的传热问题进行分析。,教学目的,重点和难点,重点：热量传递的三种基本方式特点及计算方法；难点：三种热量传热方式较抽象，不易理解，学会分析实际工程传热问题由哪些基本热量传递方式组成。,第一章 绪论,热力学第二定律：凡是有温差存在的地方，就有热能自发地从高温物体向低温物体传递。,传热：物质在温差作用下所发生的热量传递传热学：工程热物理的一个分支，研究热量传递的规律。内容：传热学的在科学技术和工程中的应用 热能传递的三种基本方式及热阻 传热过程 。,传热学与热力学的区别,相同点：两者都是研究热科学的理论基础；不同点：热力学研究平衡态，不考虑热量传递的速率，没有时间观念；传热学研究非平衡态，强调热量传递的速率及所需时间，有 时空概念。,热力学 + 传热学 = 热科学, 系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。,关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。,1. 传热学在生活中的应用 2. 传热学在科学技术中的应用,1.1 传热学在科学技术和工程中的应用,传热学在生活中的应用,为什么水壶的把手上要包上塑料？,不同材质的汤勺放入热水中，哪个黄油融解的更快？,传热学在生活中的应用,煮好的鸡蛋表面湿润和干燥哪个更烫手？,暖瓶和保温杯为什么保温？,传热学在生活中的应用,严寒地区为什么采用双层玻璃？,传热学在生活中的应用,塑料大棚是什么原理？,传热学在生活中的应用,传热学在科技与工程中的应用,井口加热保温装置,油田常温集输现场试验装置,石油化工领域：反应釜、蒸汽吞吐井、稠油热采、油气集输,传热学在科技与工程中的应用,建筑节能领域：复合保温墙体及屋面、地板辐射采暖系统,哥伦比亚航天飞机事故（2003）,传热学在科技与工程中的应用,航空航天领域：航天飞机、火箭发射、卫星与空间站热控制、空间飞行器重返大气层冷却,航空航天领域：载人航天器的热控制与热保护问题,微电子领域,传热学在科技与工程中的应用,生物医学领域：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存；激光手术；低温外科等等,传热学在科技与工程中的应用,飞机 (热能机械能),汽车(热能机械能),热电厂 (热能机械能),传热学在科技与工程中的应用,发电冷却塔,新能源汽车,绝热材料,青藏铁路三大措施保持路基冻土1）“热棒”不用电的“冰箱”。在冻土区，路基两旁插有一排碗口粗细、看上去像护栏的金属棒，它们的间隔为2m，高出路面2m，插入路基下5m棒体是封闭中空的，里面灌有液态的氨，外表顶端有散热片。2）“抛石路基”天然的“空调”。在冻土区修筑路基时，其土层路基的中间，抛填了一定厚度的碎石块，碎石之间的空隙不填实，并且与外界空气相通这样的结构具有“空调”的功能，使得冻土层的温度基本不随外界气温变化，能有效地保持冻土的稳定性3）“遮阳板路基”隔热“外衣”。遮阳板路基，是在路基的边坡上架设一层遮挡太阳的板材，能有效地减弱太阳热对路基温度的影响。,传热学在科技与工程中的应用,目前，国内热棒工质一般为氨，熔点为-77.75，沸点为-33.42。启动温度在-33左右。地下热棒周围的热不断蒸发将热棒周围的土冻结，增加冻土厚度使冻层厚度加厚这样减少热胀冷缩将冻层拉裂的情况发生。,军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存；制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵，高温水源热泵；新能源：太阳能；燃料电池,传热学在科技与工程中的应用,传热学是能源、动力、化工、机械、电子、土木等学科的主干技术基础课。传热学、流体力学以及工程热力学并称能源动力类专业的三大支柱学科。,温差随处可见，热量传递非常普遍！,工程上的传热分类,更有效地增强或削弱热量的传递确定物体内的温度分布，进而进行现象判断、温度控制以及热应力和热变形计算等。,1.1 what and How,1.2 热量传递的三种基本方式(What and How),传热是因存在温差而发生的热能的转移。,设备稳定运行,设备启动、停机,冬天温度相同的铁和木头，为什么摸起来感觉不同？,思考,1.2 Physical Origins and Rate Equations,1.2.1 热传导(Heat Conduction),定义：当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递。要素：温度差，不发生相对位移，热运动物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生导热特点：纯导热过程中，物体各部分之间不发生相对位移，也无能量形式的转换。,如图示，一块平板，厚为，表面积为A，两表面分别维持均匀温度tw1和tw2.单位时间从表面1传导到表面2的热量为Q。（沿X轴方向）,单位面积：,导热率（导热系数）,物理意义：具有单位温度差（1K)的单位厚度的物体（1m),在它的单位面积上（1m2),单位时间（1s)的导热量（J)。性质：,导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，是一种热物性参数，由试验确定。,导热热阻的图示,Example 1.1,Example 1,一块厚度=50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在,试求下列条件下的热流密度。,材料为铜，=375 w/(mK );材料为钢， =36.4 w/(mK );材料为铬砖， =2.32 w/(mK )；材料为铬藻土砖， =0.242 w/(mK )。,Example 2,铬砖：,硅藻土砖：,讨论：由计算可见， 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别， 导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。 因而，铜是热的良导体， 而硅藻土砖则起到一定的隔热作用。,铜：,钢：,冬天温度相同的铁和木头，为什么摸起来感觉不同？,思考,铁的导热系数比木头大,夏天人在同样温度（如：30）的空气和水中的感觉不一样。为什么？,思考,定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。,1.2.2 热对流(Heat Convection),对流换热：当流体流过物体表面时的热量传递过程； a 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动； b 必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层,对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热,Convection heat transfer processes,对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式,h 表面对流换热系数,q, 热流密度,A, 与流体接触的壁面面积, 固体壁表面温度, 流体温度,物理意义 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量,影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等,对流换热系数(表面传热系数)及热阻,1、夏天人在同样温度（如：30）的空气和水中的感觉不一样。为什么？,思考,水与皮肤对流换热系数比空气大,冬夏室内温度相同，为什么冬天穿毛衣，夏天穿T恤？,思考,1.2.3 热辐射（Thermal Radiation）,基本概念 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。,电磁波的波谱,辐射换热的特点,a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质 的存在，在真空中就可以传递能量b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能c 无论温度高低，只要温度高于0 K，物体都在不停地 相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给 低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能 量；总的结果是热由高温传到低温。d. 辐射能与温度和波长均有关； 发射辐射取决于温度的4 次方,辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递,两表面间辐射传热,导热、对流、辐射的区别 1. 导热、对流只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质。 2.在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。 辐射时：辐射体内热能辐射能 吸收时：辐射能受射体内热能3.物体的辐射能力与其温度性质有关。,辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律,黑体的定义：把吸收率等于 1 的物体称黑体，是一种假想的理想物体。能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强,，,，,黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律,热辐射的基本规律,根据Stefan（1879）-Boltzmann（1884）定律,黑体辐射热流量,-黑体辐射表面积，m2； -斯忒潘-玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），5.6710-8 W/(m2K4)；Cb 黑体辐射系数，5.67 W/(m2K4)；T-黑体的热力学温度，K；,两黑体表面间的辐射换热,2、冬夏室内温度相同，为什么冬天穿毛衣，夏天穿T恤？,思考,冬季围护结构内表面温度较低，辐射传热量大,一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为 ，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率,问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式； （2）计算每米长度管道的总散热量。解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为,Example 1,每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：,讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几十摄氏度的一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。,当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热,Example 1.2,Example 2,Known: 管径, 发射率, 房间内墙的表面温度，空气温度 ，管表面温度，空气对流传热系数Find: 1) 管子的辐射力; 2) 单位长度管子的散热量,辐射传热的应用,肿瘤热疗,地板辐射采暖,总 结,傅里叶导热基本定律,牛顿冷却公式,斯忒潘-玻耳兹曼定律,热传导：分子随机热运动造成的能量扩散热对流：分子随机运动造成的能量扩散加上整体运动引起的能量传输热辐射：借电磁波进行的能量传输,工程实例定性分析,1.3 传热过程和传热系数,传热过程(overall heat transfer process)是指热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。,传热过程由三个相互串联的环节组成:,（1）热量从高温流体以对流传热（或对流换热辐射换热）的方式传给壁面；,（2）热量从一侧壁面以导热的方式传递到另一侧壁面；,（3）热量从低温流体侧壁面以对流传热（或对流换热辐射换热）的方式传给低温流体。,1.3.1 传热方程式,通过平壁的稳态传热过程,假设：,tf1、tf2、h1、h2不随时间变化；为常数。,（1）左侧的对流传热,（2）平壁的导热,（3）右侧的对流传热,在稳态情况下，以上三式的热流密度相同,传热系数表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。 它的大小取决于两种流体的物理性质，流速，故体表面的形状与布置，材料的导热系数等因素。,q,tw1,tw2,tf1,tf2,传热热阻网络：,1.3.2 传热热阻,此式与欧姆定律 比较， 具有电阻之功能。 由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的热阻组成。 串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环节热阻之和。,某板式氟利昂冷凝器，一侧水对流表面传热系数h1=8700W/(m2K),另一侧氟利昂凝结h2=1800W/(m2K),壁厚1.5mm，板材导热系数 ，计算三个环节的热阻和总传热系数。预增强传热应从哪个环节入手？,Example 1,三个环节的单位面积热阻为 水侧对流 壁导热 蒸汽凝结 总热阻 总传热系数,17.04%,0.58%,82.