传热学-绪论+第一章.ppt

传热学 HeatTransfer 参考书 教材 传热学 杨世铭 陶文铨编著 第三版 传热学 戴锅生 第二版 数值传热学 陶文铨编著 对流换热 V S 阿巴兹 凝结和沸腾 施明恒等编著 辐射换热 余其铮编著HeatTransfer 2ndEdition byAnthonyF MillsHeatTransfer byJ P HolmanFundamentalsofHeatTransfer byF P Incropera D P DeWitt 绪论 0 1概述1 传热学 HeatTransfer 1 研究热量传递规律的科学 具体来讲主要有热量传递的机理 规律 计算和测试方法 2 热量传递过程的推动力 温差热力学第二定律 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 温差是热量传递的推动力 2传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍 b夏天人在同样温度 如 25度 的空气和水中的感觉不一样 为什么 c北方寒冷地区 建筑房屋都是双层玻璃 以利于保温 如何解释其道理 越厚越好 a人体为恒温体 若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度 那么在冬天与夏天 人在房间里所穿的衣服能否一样 为什么 2 特别是在下列技术领域大量存在传热问题动力 化工 制冷 建筑 机械制造 新能源 微电子 核能 航空航天 微机电系统 MEMS 新材料 军事科学与技术 生命科学与生物技术 3 几个特殊领域中的具体应用a航空航天 卫星与空间站热控制 b微电子 电子芯片冷却c生物医学 肿瘤高温热疗 生物芯片 组织与器官的冷冻保存d军事 飞机 坦克 激光武器 弹药贮存e制冷 跨临界二氧化碳汽车空调 热泵 高温水源热泵f新能源 太阳能 燃料电池 3传热过程的分类 按温度与时间的依变关系 稳态非稳态 4热量传递的三种基本方式 导热 热传导 对流 热对流 热辐射 1导热 热传导 Conduction 1 定义 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 2 物质的属性 可以在固体 液体 气体中发生 3 导热的特点 a必须有温差 b物体直接接触 c依靠分子 原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量 d在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中 4 一维稳态导热及其导热热阻 图1 3导热热阻的图示 5 导热系数 表征材料导热能力的大小 是一种物性参数 与材料种类和温度有关 意义 是指单位厚度的物体具有单位温差时 在它的单位面积上每单位时间的导热量 例题1 1 例题1 1一块厚度 50mm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 375w mK 材料为钢 36 4w mK 材料为铬砖 2 32w mK 材料为铬藻土砖 0 242w mK 解 参见图1 3 及一维稳态导热公式有 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 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 2 对流换热 当流体流过一个物体表面时的热量传递过程 他与单纯的对流不同 具有如下特点 a导热与热对流同时存在的复杂热传递过程b必须有直接接触 流体与壁面 和宏观运动 也必须有温差c壁面处会形成速度梯度很大的边界层 2对流 热对流 Convection 图1 4对流换热中边界层的示意图 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 4 对流换热的基本计算公式 牛顿冷却公式 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 Convectionheattransfercoefficient 5 对流换热系数 表面传热系数 6 对流换热热阻 Thermalresistanceforconvection 定义 有热运动产生的 以电磁波形式传递能量的现象 2 特点 a 任何物体 只要温度高于0K 就会不停地向周围空间发出热辐射 b 可以在真空中传播 c 伴随能量形式的转变 d 具有强烈的方向性 e 辐射能与温度和波长均有关 f 发射辐射取决于温度的4次方 3热辐射 Thermalradiation 3 生活中的例子 a当你靠近火的时候 会感到面向火的一面比背面热 b冬天的夜晚 呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服 c太阳能传递到地面d冬天 蔬菜大棚内的空气温度在0 以上 但地面却可能结冰 4 辐射换热物体间靠热辐射进行的热量传递 它与单纯的热辐射不同 5 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 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 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 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 真实物体则为 图1 7两黑体表面间的辐射换热 9 两黑体表面间的辐射换热 例题1 2 一根水平放置的蒸汽管道 其保温层外径d 583mm 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 42W m2K 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 量为 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当仅考虑自然对流时 单位长度上的自然对流散热量为 近似地取室内物体及墙壁的温度为室内空气温度 于是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 对于表面温度为几到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 0 2传热过程和传热系数 传热过程的定义 两流体间通过固体壁面进行的换热2传热过程包含的传热方式 导热 对流 热辐射 辐射换热 对流换热 热传导 3一维稳态传热过程中的热量传递 忽略热辐射换热 则左侧对流换热热阻 固体的导热热阻 右侧对流换热热阻 上面传热过程中传递的热量为 传热系数 是表征传热过程强烈程度的标尺 不是物性参数 与过程有关 传热系数 ak越大 传热越好 若要增大k 可增大 注意 b非稳态传热过程以及有内热源时 不能用热阻分析法ch1 h2的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要内容 第一章导热理论基础 1 温度场 1 定义 是指某一时刻空间所有各点温度的总称 2 表达式 三维非稳态温度场2 等温面定义 同一时刻 温度场中所有温度相同的点连接所构成的面3 等温线 1 定义 不同的等温面与同一平面相交 则在此平面上构成的一簇曲线 2 特点 温度不同的等温面或等温线决不相交 1 1基本概念及傅立叶定律 1基本概念 4 温度梯度 1 定义 自等温面上某点到另一个等温面 以该点法线方向的温度变化率为最大 以该点法线方向为方向 数值也正好等于这个最大温度变化率的矢量称为温度梯度 2 表达式 3 正向是朝着温度增加的方向 5 温度降度 1 定义 是温度梯度的负值 2 表达式 3 正向是朝着温度降低的方向6 热流矢量 1 热流密度 单位时间单位面积上所传递的热量 2 热流矢量 等温面上某点 以通过该点最大热流密度的方向为方向 数值上也正好等于该方向热流密度的矢量称为热流矢量 2傅立叶定律 1 1822年 法国数学家Fourier 2 热流矢量和温度梯度位于等温面的同一法线 但指向温度降低的方向 热流矢量与温度梯度的方向永远相反 1 表达式 2 表征物体导热能力的大小 1 2导热系数 3 导热系数同性材料非同性材料 1 3导热微分方程式 1假设条件 1 各项同性的连续介质 既与材料无关 2 常物性 导热系数 比热容和密度均为已知 3 有内热源qv2依据 能量守恒定律导入与导出的净热量 内热源 物体内能的增加 3导热微分方程式的推导a d 时间内导入微元体的热量 b d 时间内导出微元体的热量 1 导入与导出微元体的净热量 2 内热源 3 微元体内能的增加 导热微分方程式 和c均为常数时 1 4导热过程的单值性条件 1几何条件物体的几何形状和大小2物理条件物性参数是否随时间变化 是否有内热源3时间条件稳态非稳态4边界条件凡说明物体边界上过程进行的特点 反应过程与周围环境相互作用的条件 三类边界条件 1 第一类边界条件已知任何时刻物体边界面上的温度值t s twt s f 2 第二类边界条件已知任何时刻物体边界面上的热流密度值q s qw 3 第三类边界条件已知边界面周围流体温度tf和边界面与流体之间的表面传热系数hq h t s tf 本章小结 1 导热Fourier定律 2 对流换热Newton冷却公式 3 热辐射Stenfan Boltzmann定律 4 传热过程 思考题 1 热量传递的基本方式及传热机理 2 一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义 3 牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义 4 黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其