传热学-第1章-绪论.ppt

传热学,第1章绪论,第1章绪论,内容要求传热学的研究内容；热量传递的三种基本方式；传热过程和传热系数；传热学的发展简史；传热学的研究方法。,1.传热学（heattransfer）是研究由温差引起的热量传递规律的科学。,1.1传热学的研究内容及其在科学技术和工程中的应用,1.1.1传热学的研究内容,1.1.2传热学研究中的连续介质假设假设所研究的物体中的温度、密度、速度、压力等物理参数都是空间的连续函数。,说明,气体：要求被研究物体的几何尺寸远大于分子间的平均自由程。,1.1.3传热学与工程热力学的关系,最根本的区别：工程热力学研究处于平衡状态的系统；传热学研究有温差存在时的热量传递规律。,相互联系：工程热力学的第一，第二定律是进行传热研究的基础。,水桶内灼热钢棒的冷却过程,研究平衡体系。计算钢棒在冷却过程中散失的热量。,钢棒和水组成的系统最终的平衡温度。,热力学：,传热学：,需要多长时间才能达到平衡状态，即热传播的速率。,达到平衡状态前某一时刻钢棒的温度是多少？即钢棒和水的温度随时间的变化规律。,举例,1.1.4传热学在科学技术各个领域中的应用,可归纳为三种类型的问题：,（1）强化传热；在一定条件下增加所传递的热量。（2）削弱传热：在一定温差下使热量传递减到最小。（3）温度控制,例如：室内暖气片的散热，电器设备的散热等。,例如：暖水瓶等。,1.2热量传递的三种基本方式,热量传递的三种基本方式：热传导（conduction）热对流（convection）热辐射（radiation）,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过程。,无论固体，液体和气体，只要有温度差，在接触时就会发生导热现象。,单纯的导热，只能发生在密实的固体中。,说明,1.2.1热传导（conduction）,2.一维稳态导热的傅里叶定律（Fourierslawofone-dimensionalsteadystateheat-conduction）,考察两个表面均维持均匀温度的大平板导热,一维稳态导热的傅里叶定律：,一维稳态导热,法国数学物理学家Joseph.Fourier（1768-1830）,热流量（heattransfer-rate）单位时间通过给定面积传递的热量。W,kW,式中：,导热系数（thethermalconductivity）反映了材料的导热能力。W/(m.K),q热流密度（heatflux）单位时间通过单位面积传递的热量。W/m2,dt/dx热流方向上的温度梯度。,负号的含义,温度梯度的方向？,热量传递的方向？,1.热对流和对流换热,热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移时，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。,对流换热（convectionheattransfer）流体流过另一个物体表面时，流体与物体表面之间发生的对流和导热联合起作用的热量传递现象。,平壁表面的传热机理,1.2.2热对流（convection）,2.牛顿冷却公式（Newtonslawofcooling）,式中：,h对流换热的表面传热系数。W/m2.K（theconvectionheattransfercoefficient）,t壁面及流体间的总温差。,A换热表面积。,英国数学家，科学家，哲学家牛顿IsaacNewton（1642年-1727年）,3.对流换热系数,（1）其大小反映了对流换热的强弱。,流体的物性：导热系数,粘度,密度,比热容等。流动的成因：自然对流,强制对流。流动的形态：层流,紊流。换热表面的形状、大小和布置。换热时流体有无相变：沸腾换热,凝结换热。,（3）影响因素：,（2）研究对流换热的主要目的之一就是确定不同换热条件下的表面传热系数的具体表达式。,室内暖气片周围气体的自然对流,自然对流换热,地面热气体的上升,强迫对流换热,汽车发动机冷却,室内外冷热空气的交换,物体表面的形状、大小和布置,加热热水沸腾,冷凝器内过热蒸汽的冷凝,有相变的换热（沸腾换热,凝结换热）,管内流动,外部绕流,几种对流传热过程表面传热系数的大致数值范围,热辐射：物体由于受热向外发射辐射能的现象。,1.热辐射的有关概念,1.2.3热辐射（radiation）,辐射：是指物体受到某种因素的激发而向外发射辐射能的现象。,受热，电子碰撞，光照，化学反应等。,辐射换热（radiationheattransfer）物体间以辐射方式进行的包含辐射与吸收过程综合结果的热量传递过程。,（2）所有温度大于0K的实际物体都具有发射热辐射的能力。,（3）热辐射过程中不仅有能量的传递，而且有能量形式的转化。,（1）可以不依靠中间媒介，在真空中传播。,热辐射的特点,2.辐射的基本计算公式,黑体辐射的斯忒藩-波耳兹曼定律；,式中:黑体辐射常数，,实际物体辐射热流量；,式中:物体的发射率（黑度）。,实际的传热过程,暖气片的散热过程：,蒸汽动力装置中冷凝器的放热过程：,1.3传热过程和传热系数,传热过程（overallheattransferprocess）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中的过程。,传热过程的三个环节：,热量以对流换热的方式从高温流体传给壁面，有时还有辐射换热；热量以导热方式由高温流体壁面传给低温流体壁面；热量以对流换热方式从低温流体壁面传给低温流体，有时还有与周围环境的辐射换热。,考察：冷热流体通过大平壁的热量传递过程已知：一块大平壁,导热系数=常数，厚度，平壁左侧流体tf1,表面传热系数h1,平壁右侧流体tf2,表面传热系数h2,且tf1tf2.设平壁两侧流体温度和表面传热系数不随时间变化。,分析：（1）传热过程；（2）通过平壁传递的热量。,1.3.1传热方程式,高温侧：,通过平壁：,低温侧：,稳态传热：,传热系数：,或表示为；,传热热阻：,1.3.2传热热阻（overallthermalresistance）,1.4传热学的发展简史和研究方法,1.4.1传热学发展简史,1.4.2传热学的研究方法,1.理论分析：应用数学分析理论，求解在给定条件下的微分方程，确定物体中各点的速度、温度等函数。2.实验测定：在相似原理指导下进行实验研究。3.数值模拟：传热问题数值计算。,在有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在20，夏天只需穿衬衫，但冬天穿衬衫会感到冷，这是为什么？,例题,压缩空气在中间冷却器的管外流过，h1=90W/(m2.K)，冷却水