传热学第一章 热量传递的基本方式

传热学基础,（HeatTransferFoundation）杨世铭编高等教育出版社,1、教学目的,本课程是研究现代工业生产过程中与安全技术相关的热传递理论的一门技术基础课。通过本课程的学习，为学生今后学习有关专业基础课打好基础，培养学生对专业所涉及的传热问题的分析和计算能力，并为学生获取和拓展专业发展中的新理论、新工艺打下基础。,2、学时数：32学时(28/4)，周学时2，学分2分。,闭卷考试80%，平时作业、出勤占20.,3、考核方法,4、参考书,传热学戴锅生编，第二版，高教出版社.传热学杨世铭，陶文铨编，第三版、第四版，高教出版社.传热学重点难点及典型题精解王秋旺编，西安交大出版社.传热学赵镇南编，高教出版社.,高数、工程流体力学、工程热力学、大学物理为先修课,安全工程专业培养目标以及主修课程,培养掌握现代工业生产和生产过程中安全技术及工程领域的灾害防治、评价、设计、施工、管理、监察和现代劳动保护管理及科学研究等方面的综合型高级工程技术人才。主要课程：工程热力学、传热学、流体力学、分析化学与物理化学、燃烧与爆破学、安全管理学、安全心理学、安全经济学、安全人机工程、安全法规、通风与空调、灾害防治理论与技术、安全监测与仪表、计算机应用等。,第一章绪论,主要包含以下内容：1-1传热学的研究对象及其在安全工程技术中的应用1-2热量传递的三种基本方式1-3单位制,1-1传热学的研究对象及其在安全工程技术中的应用,一、研究对象及内容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、规律、计算和测试方法，其内容包括：研究热量传递的速率（J/S、W）确定物体中的温度分布研究传热机理（热量靠什么传过去的，热量传递过程的推动力是温差）测试方法（实验研究法是传热学研究的重要手段）,二、传热学应用实例,自然界与生产过程中到处存在温差，传热现象很普遍,1、日常生活中的例子,人体为恒温体。若房间里的温度在夏天和冬天都保持20，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？,夏天人在同样温度的空气和水中的感觉不一样，为什么？,北方寒冷地区，建筑房屋采用双层玻璃，以利于保温，如何解释其道理？是否玻璃越厚越好？,2、生产技术领域存在大量的传热问题,这些部门主要有：能源、化工、冶金、航空航天、建筑、机械制造、电子、制冷、农业、环境保护等。这些领域中技术的巨大进步也推动了传热学学科的迅速发展。,3、在本专业中的应用,培养要求：学习矿山与地下建筑、交通、航空航天、燃烧与爆破学、工厂、物业、商厦与地面建筑的灾害防治技术、通风与空气调节、安全管理学等专业知识，这些都与传热相关。,温度场的测算和换热量的计算；环境变化对温度场的影响；极限温度的控制：为使一些设备能安全经济地运行，需要对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制。,主要体现在以下几个方面,传热学是一门为主干学科和主要课程打基础的重要技术基础课，与工程流体力学、热力学、分析化学与物理化学课一起组成安全工程专业主要课程的理论基础，为后续课程的学习提供良好的铺垫。,三、传热学在本专业中的重要作用,四、研究思路及主要内容,主要采用理论研究方法，并以不同条件下物体中的温度分布为主线，重点在导热理论；以物体外部的换热问题为侧重点，介绍了对流换热问题；随后介绍了灰体间的辐射换热及工件在加热炉等工业炉内所需考虑的气体及火焰辐射；最后扼要介绍了复合换热及传热过程。,理论研究法,数值求解法,数学分析法,精确的解析解,近似的离散解,目前导热理论体系相对成熟并日趋完善,五、传热过程的分类,按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类,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为稳态传热过程。,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为非稳态传热过程。各种物体在持续不变的运行工况下经历的热传递过程属于稳态传热过程；而物体在加热、冷却、熔化和凝固情况下经历的热传递过程则为非稳态传热过程。,六、连续体的假设及其意义,认为研究对象是个连续体，即各点的温度、密度、速度等都是空间坐标的连续函数，即将微观粒子的微观物理过程作为宏观现象处理。实际上只要被研究物体的几何尺度远大于其分子的平均自由行程，连续体的假设总是成立的。据此，可以利用高等数学的分析方法（连续函数的微分、积分等方法）来解决传热问题。,1-2热量传递的三种基本方式,三种基本方式：导热(热传导)、对流和热辐射,1.导热（热传导）(Conduction),(1)定义：物体的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量传递现象。发生在同一物体或两直接接触的物体之间。例如：炉衬内侧向炉墙；房屋内壁与外壁之间的热传递；暖气片内外壁之间,(2)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；e不发生宏观的相对位移；f纯粹的导热只能发生在密实的固体中。,导热过程示意图,（3）导热的微观机理：热量是靠什么传过去的,从微观角度看，气体、液体及固体的导热机理各不相同.,气体：依靠气体分子的热运动来导热的，是分子不规则热运动时相互碰撞的结果。温度越高，分子动能越大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热量从高温传到低温处。,导电固体：主要依靠自由电子的热运动来传递的，它们在晶格之间像气体分子那样运动。其次，靠晶格结构的振动所产生的弹性波来传递的(次要的)，但温度高时，其影响不能忽略。,晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。,非导电固体：导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即依靠分子、原子在其平衡位置的附近振动产生的弹性波来实现的。,液体的导热机理，存在两种不同的观点：一种观点认为定性上类似于气体，只是情况更复杂些，因液体分子间距较近，分子间的作用力对分子碰撞的影响比气体大；另一种观点认为类似于非导电固体，主要依靠弹性波的作用来传递。,说明：只研究导热现象的宏观规律。,（4）导热基本定律傅里叶定律,（经验的提炼，1822年法国物理学家提出的）,如图所示：平板的两个表面分别维持均匀恒定的温度，是个一维导热问题。对于x方向上任意一个厚度为dx的微元层来说，单位时间内通过该层的导热热量与当地的温度变化率及平板面积A成正比，即：,（4）导热基本定律傅里叶定律,：热流量，单位时间传递的热量.W,W,W/m2,q:热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量.,W/m2,:热导率，又称导热系数.,负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。,（5）导热系数的含义,导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数。单位：不同材料的导热系数值不同，即使同种材料，导热系数值与温度、湿度、密度等因素有关。金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。,(1)定义：是指流体的各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所引起的热量传递方式，对流仅发生在流体中，且必然伴随有导热发生。（热对流）对流换热：流体流过与之温度不同的固体壁面时与固体壁之间的换热，是导热和对流联合起作用的结果有实际意义。,2.对流（热对流）(Convection),对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热，它不是基本的传热方式。,（2）对流换热的分类,无相变：强制对流和自然对流换热有相变：沸腾、凝结、凝固、熔化等。,自然对流：由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动强制对流：流体的流动是由于水泵、风机或其它压差作用所造成的。如油冷却器、空气预热器等。,沸腾换热及凝结换热：液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热。,（3）对流换热的基本计算式牛顿冷却公式,W/m2,h表面传热系数,约定t取正值,（4）影响h的因素及研究对流换热的任务,影响h的因素：h的大小与流体的物性、换热表面的形状、大小及相对位置、流体的流速、流体及壁面的温度等因素有关。研究对流换热的任务：牛冷公式只给出了h的定义式，并没有给出其具体的计算式，揭示各种不同场合下h的具体计算式是研究对流换热的任务所在。,3.热辐射（Thermalradiation）,（1）基本概念,辐射和热辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。辐射换热：辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称为辐射换热。注：辐射换热与热辐射的区别。,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（热辐射是物体本身的属性，等温时为动态平衡）；可以在真空中传播，不需要中间介质，而且在真空中辐射能的传递最有效；不仅有能量的转移，而且还伴随有能量形式的转换；辐射的辐射能取决于温度的4次方。,（2）辐射换热的特点,（4）热辐射的基本规律Stefan-Boltzmanlaw,黑体：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的辐射能），它是相同温度下吸收及辐射能力最强的物体，其辐射热流量服从斯忒藩玻耳兹曼定律。,（3）辐射换热的研究方法,假设一种理想的物体-黑体，忽略其它因素，只关心热辐射的共性规律，然后将真实物体的辐射与黑体辐射进行比较，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律.,黑体辐射的计算公式：Stefan-Boltzmannlaw,真实物体则为：,其中T热力学温度，K；斯忒潘玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为:5.67108；A辐射表面积,m2。,物体的发射率（黑度）1；黑体：1,要计算辐射换热量，必须考虑投射到物体上的辐射热量的吸收过程，即收支总帐。,两平行黑体平板间的辐射换热：,（5）辐射换热的计算,物体1包容在一个很大的表面温度为T2的空腔内，物体1与空腔表面2之间的辐射换热量：,在实际问题中，这三种热量传递方式往往不是单独出现的，这不仅表现在互相串联的几个环节中，而且同一个环节也常常如此。例如:一块高温钢板在厂房中的冷却散热。,（6）总结,三种热传递方式的具体计算公式对于稳态或非稳态过程都是适用的。,例题1-1一块厚度=50mm的平板，两侧表面分别维持在tw1=300、tw2=100。试求下列条件下通过单位截面积的导热量。(1).材料为铜，=389W/(m.K)；(2).材料为灰铸铁=35.8W/(m.K)；(3).材料为铬砖，=5.04W/(m.K)。解：这是通过大平壁的一维稳态导热问题，,在稳态过程中，垂直于x轴的任一截面上导热量都相等。,导热系数为常数时一维稳态导热热流密度的计算式,铜：,灰铸：,铬砖：,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。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,近似地取室内物体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量为,1-3单位制,1.目前采用的单位制,国际单位制,法定单位制,工程单位制,基本单位相同,以国际单位制为基础，适当增加一些其它单位构成（W,）,基本单位：kg,m