传热学理论基础学习课程

1、1热设计的基础理论 导热 导热及其基本规律； 导热的基本方程； 热阻及热电模拟关系； 导热问题的方程求解 对流换热 对流的基本概念及其影响因素；对流换热基本规律； 对流换热系数的确定； 对流换热的实验关系式； 辐射换热 热辐射的基本概念； 黑体表面之间的辐射换热； 形状系数的确定； 灰体表面之间的辐射换热； 遮（隔）热板的效用； 第1页/共75页第一页，编辑于星期日：九点 三十九分。2传热学基本概念 温度：物体大量分子运动的宏观结果（平均动能的标志） 热量：表征物体内能变化的物理量。 势能功能传出热量对外作功内能内能的表现形式 温度场： 某个瞬间，空间各点的温度分布。它属于数量 场。如温度，密

2、度，电位场等。 ),(zyxft 第2页/共75页第二页，编辑于星期日：九点 三十九分。3 等温面: 在温度场中，同一时刻温度相同的各点连线 称为等温线。由等温线构成的面为等温面。 温度梯度:沿等温面法线方向的温度增量 与法向距离之比的极限。 00)lim( nntnttgradnnt称为温度变化率（与面积垂直） t 稳定温度场与瞬态温度场:0; 0tt第3页/共75页第三页，编辑于星期日：九点 三十九分。4 导热 因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能级低能级的一种能量传输过程。简单地说：导热的产生必需具备二个条件： 和相互接触。 t1822年法国数学家J.Fourier，研究了固体

3、的导热现象后，提出：物质在纯导热时，通过垂直于热流方向的面积（dA）的热流量（dQ），与该处的温度变化率（梯度）成正比，方向与温度梯度相反。第4页/共75页第四页，编辑于星期日：九点 三十九分。5导热基本定律(conduction)= k A t/ n (w)q= k t/ n (w/m2) 在纯导热问题中，单位时间内通过给定面积的热量与该点的温度梯度及垂直于导热方向的截面积A成正比。 K材料的导热系数 W/moC 导热特性影响因素： 材料种类、温湿度、结构形式、密度、比热等 tq第5页/共75页第五页，编辑于星期日：九点 三十九分。6不同材料的导热特性 材料名称导热系数(20)W/(m) 密

4、度(20)kg/m3比热(20)J/(kg)铝铝2042707921金金29219272126铜铜3308939385铁铁737898452银银41910524234尼龙尼龙0.170.411211075环氧树脂环氧树脂0.41041Diamond 16002300第6页/共75页第六页，编辑于星期日：九点 三十九分。7 单层平壁 平壁的厚度 多层平壁 R=R1+R2+.Rn 单层及多层圆筒壁的导热问题导热基本定律)(ln22112wwttrrkl第7页/共75页第七页，编辑于星期日：九点 三十九分。8三维导热方程假定：温度随时间变化； 内部有热源（ ） 物性（ 常量）为常数； 材料各向同性等

5、q ,cktakqztytxt1222222cka（导温系数） 与导热系数有别 第8页/共75页第八页，编辑于星期日：九点 三十九分。9稳态导热与瞬态导热0t0q v 稳态、内部无热源v 瞬态导热 即许多电子设备在起动、停机、变负载时出现的导热问题0t LPA法(Lumped Parameter Analysis） 将 物 体 中 连 续 分 布 的 质 量 和 热 量 均 视 为 集总于一点第9页/共75页第九页，编辑于星期日：九点 三十九分。10瞬态导热影响因素例如：一个物体表面被突然加热或冷却，物体各点温度的变化取决于二个因素：a. 固体表面与周围环境的换热（辐射）条件； b. 固体内部

6、的导热性能 用一个无量纲数来表示： )(/1)(/外内hkkhBiot第10页/共75页第十页，编辑于星期日：九点 三十九分。11 影响因素： 实际接触点的总面积及分布规律； 接触表面粗糙度； 非接触间隙平均厚度； 间隙介质的种类； 接触表面硬度； 接触表面间压力； 接触面氧化程度与清洁度； 接触热阻第11页/共75页第十一页，编辑于星期日：九点 三十九分。12接触热阻实例第12页/共75页第十二页，编辑于星期日：九点 三十九分。13图2.3 接触热阻与压力关系 接触热阻与压力的关系Mpa第13页/共75页第十三页，编辑于星期日：九点 三十九分。14在材料厚度为2.54mm（100mil）、接

7、触压力为0.7kg/cm2（10psi）的条件下，导热橡胶垫所呈现出的额定导热率几乎比空气高出60倍以上，比起常规采用的印刷电路板材料（例如环氧玻璃丝布板）高出6倍以上。这种弹性材料能够非常方便地进行按尺寸切割，适于在接触压力相对较低的情况下进行表面接触。接触热阻实例第14页/共75页第十四页，编辑于星期日：九点 三十九分。15导热问题的数值分析技术参见 “热分析技术”专题第15页/共75页第十五页，编辑于星期日：九点 三十九分。16对流换热定义：流动的流体与其相接触的物体（固体、流体、汽体），由于温差的原因所产生的能量与热量的传递过程。 条件：a. 质点的宏观位移（流动）； b. 两个物体间

8、有 存在。特点：对流换热是包括对流和导热二个过程同时存在，它既有流体分子之间、流体与固体间的，又有流体本身的，受到导热、对流两种规律的支配。 t第16页/共75页第十六页，编辑于星期日：九点 三十九分。17对流产生的原因 靠自然力 密度差引起。（与 的强度、流体的性质、空间、大小、壁面的大小等因素有关。） 受强制力（如风机、泵）推动而引起的流动。（推力的大小、 （压差）、流体的性质、流道的尺寸大小等阻力因素有关 t第17页/共75页第十七页，编辑于星期日：九点 三十九分。18流体的流动特征自然对流 natural强迫对流 forced对流方式层流 laminar紊流 turbulent流动状态

9、图2.5 紊流特征层流：流线有规则，大都发生在贴近 壁面附近的流层。 （导热产生的换热为主） 紊流：层流底层以外（边界层以外） 所发生的流体不规则流动。 第18页/共75页第十八页，编辑于星期日：九点 三十九分。19对流换热基本规律第19页/共75页第十九页，编辑于星期日：九点 三十九分。20影响对流换热的其他因素流体的物性、Cpk)CkgkJ(005. 1o20CC空气)CkgkJ(1826. 4o20CC水)W/m.(1057. 2o220CkC空气)CW/m(109 .59o220Ck水换热面的几何条件 几何形状、截面尺寸 进、出口的长度（流道）； 表面的粗糙度； 表面的安装位置和流动空

10、间大小。 第20页/共75页第二十页，编辑于星期日：九点 三十九分。21对流换热影响因素总结 流体流动特征 流体的物性参数 换热面的几何形状 流体的相变条件（沸腾、凝结、升华）以上各影响因素，使得对流换热过程变得非常复杂，要想用数学式来表达非常困难。第21页/共75页第二十一页，编辑于星期日：九点 三十九分。22对流换热基本规律第22页/共75页第二十二页，编辑于星期日：九点 三十九分。23对流换热系数图例第23页/共75页第二十三页，编辑于星期日：九点 三十九分。24对流换热量纲分析法 量纲 量纲是物理性能的定性标准 每一种物理性能只有一个量纲，如长度，时间 。 单位 单位是物理性能的定量标

11、准 。 基本量纲 可以直接测量并与其他量纲无关的量纲。 导出量纲 不能直接测量的量纲，并与构成该定义 的其他量纲有关 。 无量纲量 一切量纲或单位都可能相互抵消的 物理量和物理常量 。 量纲公式 用有关的基本量纲次幂的乘积表示的物理定律方程式。 1LLLgts222121LLLgtv2第24页/共75页第二十四页，编辑于星期日：九点 三十九分。25基本量纲与导出量纲物 理 量 符号量纲物 理 量 符号量纲质量 速度 长度 力 时间热量 mMLx;L1LF2ML22ML第25页/共75页第二十五页，编辑于星期日：九点 三十九分。26白汉金 定律如果某个齐次方程的物理变量有 m m 个，则可以用

12、(m-nm-n) 个独立的无量纲的数组来支配。其中 n n 是 m m 个物理变量中的基本量纲数。 换言之：描写物理现象的方程，一定是量纲的齐次方程。而这些齐次方程均可化为一个无量纲的乘积的形式来表示。 0),(21nxxxf0),(21rn一个有 r r 个基本量纲的齐次方程 可以用 项无量纲量来表示 )(rn 第26页/共75页第二十六页，编辑于星期日：九点 三十九分。27 影响对流换热的因素很多，但我们可以用一个简单的“牛顿方程”来表示： =- hc A （tw-tf） 以管内强迫对流为例， hc= f (w , , , cp , k , D) wm/s ; kg/m3 ; 动力粘度 k

13、g/m s ; = / 运动粘度； cp kJ/ kg oC ; k w/m oC ; D m 对流换热量纲分析法k第27页/共75页第二十七页，编辑于星期日：九点 三十九分。28对流换热量纲分析法kkhc - f (w , , , cp , k , D) = 0第28页/共75页第二十八页，编辑于星期日：九点 三十九分。29对流换热量纲分析法hcf (w , , , cp , k , D) = 0（1，2，3）= 0如果某个齐次方程的物理变量有7个，其中近4个基本量纲量，则该方程也可以用3个独立的无量纲数组来支配。任选hc= f (w , , , cp , k , D) 中的D， , , k

14、 为基本变量，可得：kkkWL第29页/共75页第二十九页，编辑于星期日：九点 三十九分。30对流换热量纲分析法(1，2，3)= 0以上是以管内强迫对流为例，而自然对流换热遵循不同的规律。Gr = g D3t / 2对流换热系数第30页/共75页第三十页，编辑于星期日：九点 三十九分。31求解对流换热系数第31页/共75页第三十一页，编辑于星期日：九点 三十九分。32对流换热中的无量纲数kDhc温度梯度比2（粘性力）惯性力浮升力RaPrGr NuRewD粘性力惯性力Pr)(akCp或热量扩散动量扩散Gr23tgD 粘性力与热扩散浮升力与惯性力名 称符 号数 组物 理 意 义努谢尔特数雷诺数普朗

15、特数葛拉晓夫数雷莱数第32页/共75页第三十二页，编辑于星期日：九点 三十九分。33对流换热定性温度与特征尺寸 定性温度 选择定性温度没有一定的规则,可取平均的局部温度 ,壁面温度和流体 温度的平均值, 或各点流体的平均温度 . 特征尺寸 特征尺寸是一个代表尺寸，该尺寸对对流换热有决定性的影响。流体在管内流动时，取管内径为特征尺寸；流体横掠圆管时，取管子的外径；纵掠平板时，取其板长；在非圆截面的槽内流动时，取当量直径。UADe4槽道截面面积( )；流体湿边周长(m)。 A2mU第33页/共75页第三十三页，编辑于星期日：九点 三十九分。34自然对流换热计算 自然对流特征分析 流体内各部分温度的

16、不均匀，引起流体密度的不均匀，流体受热密度减小，形成热流体上升，冷流体下降的对流循环。其动力是受热流体上升的浮升力。 流体自然对流有两种流态，即层流和紊流。 第34页/共75页第三十四页，编辑于星期日：九点 三十九分。35自然对流换热计算 不同情况下的自然对流换热 竖平板及竖柱体 水平圆柱体 水平板热面朝上 水平板热面朝下 例题： 一个电子设备处于环境温度为25的空气中，其表面温度为85，设备机箱外壳尺寸为： 长， 宽， 高。试问该机箱顶部表面仅靠自然对流能散掉多少热量？mm 200mm 200mm 300Nu =C (Gr *Pr ) nGr = g D3t / 2 Ra= Gr *Pr n

17、cCDkhPrGr)(PrakCp或第35页/共75页第三十五页，编辑于星期日：九点 三十九分。36自然对流换热计算Nu =C (Gr *Pr ) n第36页/共75页第三十六页，编辑于星期日：九点 三十九分。37 判断流体流动状态的依据是雷诺数，当 时，流动属层流；当 时，流动由层流向紊流过渡的过渡阶段；当 时，流动属紊流。不同的流动状态有不同的换热规律。 管内强迫对流时，入口段流动情况对换热有明显的影响，另外还应注意 压力、短管 及 弯管 对换热的影响。 强迫对流换热计算200 2Re 410Re200 2410Re 第37页/共75页第三十七页，编辑于星期日：九点 三十九分。38强迫对流

18、换热计算 管(槽)内层流 管(槽)内紊流4 . 08 . 0PrRe023. 0Nufff14. 03/1PrRe86. 1Nuwffffld 定性温度分别为流体平均温度 和壁面温度 ； 特征尺寸取管道内径或当量直径。 wf、ftwt第38页/共75页第三十八页，编辑于星期日：九点 三十九分。39 流体沿平板流动 流体横掠圆管或管簇强迫对流换热计算5 . 0Re66. 0Nuff8 . 0Re032. 0Nuff510Re 510Re 第39页/共75页第三十九页，编辑于星期日：九点 三十九分。40说明 自然对流与强迫对流换热的区别是与流体的流动性质有关。由外力(风机)引起的流动是由Re数的大

19、小来表征的，由 引起的自然对流是由Gr数(内含浮升力)大小来表征的。 各类资料提供的表达式很多，但各种关系式均是由某些学者根据自己所作的试验结果得出式中的C,m,n等来计算对流换热系数，因此都有一定的局限性。而针对电子机柜中的PCB上之器件的布局复杂性，经试验推导出C,m,n、然后提供有关的换热方程、找出对流关系式是很困难的。因此，选用什么样的方程来近似地表达各电子机柜的对流换热系数值就成为亟待解决的问题第40页/共75页第四十页，编辑于星期日：九点 三十九分。41物性参数的查取、Cpk物性参数，包括 均可以根据定性温度值从“传热手册 ”查取，但应注意：手册上提供的数值均为扩大了 x 倍后的结

20、果，具体计算时，需恢复原值。 Pr201000.54.18181.0060.5971.4307.020.18201000.54181.81.00610-60.5971.43010-77.020.1810-3)/(3mkg)/(103CkgJCpo)/(1027Sma)/ 1 (103Co以 水 为例：第41页/共75页第四十一页，编辑于星期日：九点 三十九分。42强迫对流换热例题第42页/共75页第四十二页，编辑于星期日：九点 三十九分。43强迫对流换热例题第43页/共75页第四十三页，编辑于星期日：九点 三十九分。44强迫对流换热例题第44页/共75页第四十四页，编辑于星期日：九点 三十九分

21、。45对流换热数值分析 参见“热分析技术”一专题。第45页/共75页第四十五页，编辑于星期日：九点 三十九分。46辐射换热基本特征第46页/共75页第四十六页，编辑于星期日：九点 三十九分。47电磁波谱. 无线电波微波红外线可见光紫外线.热辐射研究的对象是波长在0.1到100 范围内的热射线。它是物体中电子振动或激动的结果。温度是电子振动和激动的基本原因，故热辐射主要取决于温度。 第47页/共75页第四十七页，编辑于星期日：九点 三十九分。48第48页/共75页第四十八页，编辑于星期日：九点 三十九分。49黑体辐射力计算公式第49页/共75页第四十九页，编辑于星期日：九点 三十九分。50热辐射

22、基本规律第50页/共75页第五十页，编辑于星期日：九点 三十九分。51几个术语第51页/共75页第五十一页，编辑于星期日：九点 三十九分。52基尔霍夫定律410067. 5TEbbEEEE332211任何物体的辐射力和吸收率之比值与物体的性质无关，而恒等于同温度下绝对黑体的辐射力。 第52页/共75页第五十二页，编辑于星期日：九点 三十九分。53辐射换热角系数表面I发出的辐射能落到表面II的百分数，称表面I对表面II的角系数。记为：F F12第53页/共75页第五十三页，编辑于星期日：九点 三十九分。54角系数的相对性辐射换热 角系数第54页/共75页第五十四页，编辑于星期日：九点 三十九分。

23、55角系数图解第55页/共75页第五十五页，编辑于星期日：九点 三十九分。56角系数的特性第56页/共75页第五十六页，编辑于星期日：九点 三十九分。57辐射换热 有效辐射 物体的本身辐射和反射辐射之和称为有效辐射 。第57页/共75页第五十七页，编辑于星期日：九点 三十九分。58平行平面间的辐射换热两平板的有效辐射第58页/共75页第五十八页，编辑于星期日：九点 三十九分。59隔热壁图中所示平板III是隔热板，其两侧面的黑度为 和 Q = t / Rt (热流量温升/热阻)第59页/共75页第五十九页，编辑于星期日：九点 三十九分。60密闭空间内的辐射换热第60页/共75页第六十页，编辑于星

24、期日：九点 三十九分。61辐射换热的网络分析第61页/共75页第六十一页，编辑于星期日：九点 三十九分。62辐射换热的网络分析 两任意表面间的辐射换热 表面辐射热阻 (1- 1)/ 1 A1 (1- 2)/ 2 A2 空间辐射热阻： 1/ A1 F12 或 1/ A2 F212221211114241222121111212, 111110010067.5111AFAATTAFAAEEbbA2 T2 2A1 T1 1第62页/共75页第六十二页，编辑于星期日：九点 三十九分。63辐射换热第63页/共75页第六十三页，编辑于星期日：九点 三十九分。64混合换热第64页/共75页第六十四页，编辑于

25、星期日：九点 三十九分。65单(多)层圆筒壁的传热第65页/共75页第六十五页，编辑于星期日：九点 三十九分。66肋片换热第66页/共75页第六十六页，编辑于星期日：九点 三十九分。67习题第67页/共75页第六十七页，编辑于星期日：九点 三十九分。68本章教学要求 对各类实际问题中涉及的传热现象、过程、特点、量值 应具备敏锐的判断、分析和工程求解的能力。 物理量的单位、量刚分析的重要性 物理量标识符的使用应该严格、规范。 学会对某一实际传热现象画出其物理系统简图。 控制体 与 控制面 （由控制面围成的一个固定的空间区域，能量和物质的交换均经过这个控制面进行。）第68页/共75页第六十八页，编

26、辑于星期日：九点 三十九分。69热力学第一定律（能量守恒） 热能和机械能进入控制体的速率与能量与能量离开控制体的速率之差，必等于能量在这个控制体内储存的速率。stEoutEgEinE第69页/共75页第六十九页，编辑于星期日：九点 三十九分。70传热问题的基本分析方法 明确已知条件和待求物理量。 画出物理系统的简图，如涉及能量守恒定律，用虚线标出控制体（面），用箭头标出相关传热过程。 列出全部简化和假设条件。 确定全部使用的物理量及其标识符和单位。 综合应用能量守恒定律和导热、对流、辐射等热流方程。 分析、求解。 对结果进行分析、概括。第70页/共75页第七十页，编辑于星期日：九点 三十九分。71习题 一直径为 D , 单位长度电