传热学第一章

.,HeatTransfer,传热学,能源工程系,黄金huangjiner,.,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各式传热学的习题集（图书馆和购书中心）,传热学杨世铭、陶文铨编著，高教出版社，第四版,参考书：,教材:,.,平时成绩:20%(包括：实验(10%)、出勤及作业)期末考试:70%（停课闭卷考试）,考核方法,学时及学分总学时：64（其中4个实验学时）总学分：4.0,纪律强调,课堂纪律出勤（包括缺席、请假、迟到以及早退）作业,课程的重要性,.,1,2,杯子,.,3,两滴完全相同的水珠分别落在120和400的铁板上，哪一滴先汽化掉，说明原因。,用铝壶烧水，尽管炉火很旺，但水壶安然无恙，而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就被烧坏，为什么？,4,.,5,抽气口密封破坏，不保温？,6,.,第一章绪论,1-1概述1.传热学（HeatTransfer）(1)研究由温差引起的热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规则、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.传热学与工程热力学的关系,(1)热力学+传热学=热科学(ThermalScience),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。,热力学：传热学：,图1-1传热学与热力学的区别,(2)传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则始终是守恒的,结果,过程,.,3传热学应用实例,(1)日常生活中的例子：,自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍,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？,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？,.,(2)工业技术领域的应用,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,大致上可以归纳为三种类型的问题：,强化传热。即在一定的条件下（如一定的温度、体积、重量或泵功等）下增加所传递的热量削弱传热，或称热绝缘。即在一定的温差下使热量的传递减到最小。温度控制。对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制。,.,(3)几个特殊领域中的具体应用,a）航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机,航天器发射前与回收后,超级保温材料,.,航空发动机叶片冷却示意图,气膜冷却,气膜冷却基本原理是：从高温环境的壁面上的孔向主流引入二次气流（冷却工质或射流），这股冷气流在主流的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，附着在壁面一定区域上，形成温度较低的冷气膜将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气，从而对壁面起到良好的冷却保护作用。,.,航空发动机冷却系统,发汗冷却,.,b）微电子：电子芯片冷却,电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化迅速增加。由于功率不断增加，使电子器件的冷却成为目前IT工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因。,芯片技术的冷却,.,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,.,封闭腔辐射换热,选择性涂层,保温层散热,肋壁温度场分析,有限空间自然对流,太阳能耐集热器传热问题,.,4传热过程的分类,按温度与时间的依变关系，可分为稳态过程和非稳态过程两大类。,稳态传热过程（定常过程）凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程。,非稳态传热过程（非定常过程）凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程均称非稳态传热过程。,各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停机、工况改变时的传热过程则属非稳态传热过程。,稳态导热非稳态导热稳态温度场非稳态温度场,.,1-2热量传递的三种基本方式,热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。,导热传热、对流传热、辐射传热,过程,.,1导热（热传导）(heatConduction),(1)导热的定义：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（教材P4）,(2)导热的范畴：可以在固体、液体、气体中发生,三者的导热机理是不同的。,(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。,声子和电子,声子/分子运动,分子热运动,.,(4)导热的基本定律：1822年，法国数学家Fourier:,上式称为Fourier定律，也称导热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：,：热流量，单位时间传递的热量W；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积m2；：导热系数（热导率）W/(mK)。,一维稳态平板内导热,.,文字表述：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热流量，正比于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。,（1）当温度t沿x方向增加时，而q，说明此时热量沿x减小的方向传递；（2）反之，当0，说明热量沿x增加的方向传递。,.,(5)导热系数（也称为热导率Thermalconductivity)表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。,单位：W/(mK),.,(6)一维稳态导热及其导热热阻如图所示，稳态q=const，于是积分Fourier定律有：,定积分,也可以考虑不定积分？,.,一块厚度=50mm的平板，两侧表面分别维持在,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：参见前图及一维稳态导热公式有：,试求下列条件下的热流密度。,例题11,.,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：,作业（一）：P2619，110,.,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（热对流）(heatConvection),(2)对流传热（Convectionheattransfer)：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的热对流不同，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壁面处会形成速度和温度梯度很大的边界层,特指,.,对流传热中边界层的示意图,.,对流传热的分类,对流传热按照不同的原因可分为多种类型,是否相变，分为：有相变的对流传热和无相变的对流传热,流动原因，分为：强迫对流传热和自然对流传热。,流动状态，分为：层流和紊流。,沸腾传热凝结传热,有相变,.,(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。表征对流传热过程强弱的物理量,影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等,（Convectionheattransfercoefficient）,(5)对流传热系数(表面传热系数),强调：表面传热系数与导热系数的区别单位上的区别W/(mK)W/(m2K)表面传热系数不是一个物性参数，它不仅取决于流体物性、传热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切关系，与流体力学紧密联系。,.,Typicalvaluesofh,教材P8,.,(1)辐射的定义：物体通过电磁波来传递能量的方式。,3热辐射(Thermalradiation),(2)热辐射的定义：因热的原因而发出辐射能的现象。,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，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，地面却结冰。,有实际意义0.38100m主要0.7620m,.,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）它不仅产生能量的转移，还伴随有能量形式的转换；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）热辐射的特点,其中，与热传导和热对流的主要区别是判断：任何热量传递只有在有物质存在的条件下才能实现,b、c,X,微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。,.,（5）辐射传热的特点,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。,物体间靠热辐射进行的热量传递过程，辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递。它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流传热一样。,（4）辐射传热的定义,.,辐射传热的研究方法假设一种物质，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该物质进行比较和修正，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,，,a）黑体是一种理想的物体，实际中不存在b）从某种意义上说，黑体是一种研究手段,.,黑体辐射定律（Stefan-Boltzmann定律、四次方定律）,其中T黑体的热力学温度K；斯忒潘玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为；A辐射表面积m2。物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射传热量,文字描述：黑体在单位时间内发出的热辐射热量正比于其温度的四次方和热辐射面积。,.,（9）两黑体表面间的辐射传热,物体的发射率（黑度），其值总小于1，它与物体的种类及表面状态有关。,一切实际物体的热辐射能力都小于同温度下的黑体，故实际物体辐射热流量为：,对于两个相距很近的黑体表面，由一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上。,.,（10）一种简单的实际辐射传热情形,表面积为A1、表面温度为T1、发射率为的物体包容在一个很大的表面温度为T2的空腔内，物体与空腔表面间的辐射传热量,A1A2,房间散热器热电偶测温,.,注意：,（1）热传导、热对流和热辐射三种热量传递基本方式往往不是单独出现的；,（2）分析传热问题时首先应该弄清楚有那些传热方式在起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算。,（3）如果某一种传热方式与其他传热方式相比作用非常小，往往可以忽略。,图见下页,.,.,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热流量。,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热流量记为,作业2：P26112，P27117,.,近似地取室内物体和墙壁的表面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传热量为：,讨论：计算结果表明，对于表面温度为几上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,则总散热量,.,1-3传热过程和传热系数,（1）传热过程的定义：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称为传热过程（两流体间通过固体壁面进行的传热）,（2）传热过程包含的传热方式：,导热、热对流、热辐射,1传热过程及传热方程式,三个环节：a）热流体壁面高温侧b）壁面高温侧壁面低温侧c）壁面低温侧冷流体,特指,.,（3）一维稳态传热过程中的热量传递传热方程式,传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下：,抓住一句重要的话：稳态传热过程中，如果没有热损失，则热量传递的方向上，热流量始终保持不变。,.,将三式改写成温差的形式：,三式相加，整理可得:,一维稳态平板传热过程中的传热方程式,.,也可以表示成,式中，称为传热系数，单位为,则通过单位面积平壁的热流密度为,.,2传热系数,传热系数的表达式为:,数值上等于冷热流体间温差,传热面积时热流量的值。,表征传热过程强烈程度的指标。K值越大，则传热过程越强，反之，则越弱。,传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于组成传热过程诸环节的、及之和的倒数。如果对表达式取倒数，还可理解得更深刻些。此时,.,3传热热阻,欧姆定律,.,左侧对流换热热阻,壁面的导热热阻,右侧对流换热热阻,忽略热辐射换热，则,称为热阻分析法,.,导热热阻的图示,导热热阻,面积热阻,.,Thermalresistanceforconvection,对流传热热阻,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。,.,一房屋的混凝土外墙的厚度为=200mm，混凝土的热导率为=1.5W/(mK)，冬季室外空气温度为tf2=-10,有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2K)，室内空气温度为tf1=25,和墙壁之间的表面传热系数为h1=5W/(m2K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。解：,由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为,例题1-3,.,根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，,.,1-3传热学发展简史,18世纪30年代工业化革命促进了传热学的发展导热（Heatconduction）钻炮筒大量发热的实验（B.T.Rumford,1798年）两块冰摩擦生热化为水的实验（H.Davy,1799年）导热热量和温差及壁厚的关系（J.B.Biot,1804年）Fourier导热定律(J.B.J.Fourier,1822年）G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/M.Jakob,1早期发展（20世纪中期）,.,对流换热（Convectionheattransfer）不可压缩流动方程（M.Navier,1823年)流体流动Navier-Stokes基本方程(G.G.Stokes,1845年）雷诺数(O.Reynolds,1880年）自然对流的理论解（L.Lorentz,1881年）管内换热的理论解（L.Graetz,1885年；W.Nusselt,1916年）凝结换热理论解（W.Nusselt,1916年）强制对流与自然对流无量纲数的原则关系（W.Nusselt,1909年/1915年）流体边界层概念（L.Prandtl,1904年）热边界层概念（E.Pohlhausen,1921年）湍流计算模型（L.Prandtl,1925年；Th.VonKarman,1939年；R.C.Martinelli,1947年）,.,热辐射及辐射换热(Thermalradiation)黑体辐射光谱能量分布的实验数据(O.Lummer,1889年）黑体辐射能量和温度的关系(J.StefanandL.Botzmann,1889年）黑体辐射光谱能量分布的公式维恩公式（1896年）/Rayleigh-Jeans公式能量子假说（M.Planck,1900年）/光量子理论（A.Einstein,1905年）物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff,1859年/1860年）物体间辐射换热的计算方法（波略克，1935年；H.C.Hotel,1954年；A.K.Oppenheim,1956年),.,2近代发展（20世纪后半叶至现在近几十年）,世界科技领域的八大事件及其对传热学的影响,（1）70年代的世界能源危机促进了强化传热的研究迫使人们尽力减少石油与其它二次能源的消耗，客观上极大地促进了强化传热技术的研究其实质是探求在消耗一定的能量条件下尽可能多地传递为某种过程所需的热量。（2）核能工程的发展促进了多相流传热研究的蓬勃兴起核能工业以及大型火电站的发展，使传热学中关于管内沸腾的内容得到更多的重视。,.,（3）电子器件冷却技术发展为传热学提供了许多强化换热的实例电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化迅速增加(3，4，5)。由于功率不断增加，使电子器件的冷却成为目前IT工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因。（4）计算机与信息产业的发展为数值模拟以及教学资源的开拓提供了物质基础计算机工业的发展对传热学教材的直接影响是使得传热问题的数值计算普遍被中近期教材采纳为一个重要的内容数值传热学（陶文铨院士）,.,（5）航天航空事业的发展增强了辐射换热、超级绝热材料和热管的内容70年代世界航天事业的兴起大大促经了传热学的发展：从火箭发动机与叶片的冷却，航天器的热控制，到重返大气层时的热防护等一系列与传热有关的研究均取得了长足的进步。（6）全球日益严重的环境问题对传热学教学内容的影响世界经济的迅速发展给全球环境造成了严重的损害：南极臭氧层空洞日益扩大，全球变暖、物种灭绝加速。温室效应热岛效应,.,（7）可持续发展战略及新能源与可再生能源的开发与传