工程热物理研究所

1、 传传 热热 学学 第第一章章 绪绪 论论1-0 概概 述述 1. 1. 传热学（传热学（Heat TransferHeat Transfer） (1)(1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递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、计算和测试方法的机理、规律、计算和测试方法 (2)(2) 热量传递过程的推动力：温差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 低温热源低温热源 有温差就会有传热有温差就会有传热 温差是热量温差是热量 传递的推动力传递的推动力 2. 2. 传热学与工程热力学

2、的关系传热学与工程热力学的关系(1) 热力学 + 传热学 = 热科学(Thermal Science) 系统从一个平衡态到系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程另一个平衡态的过程中传递热量的多少。中传递热量的多少。 关心的是热量传关心的是热量传递的过程，即热递的过程，即热量传递的速率。量传递的速率。热力学：传热学：tm)(),(fzyxt水，M220oC铁块, M1300oC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院传递，如果没有能量形式的转化，则 始终是守恒的3 3 传热学应用实例传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差自然界

3、与生产过程到处存在温差 传热很普遍传热很普遍 b b 夏夏天人在同样温度（如：天人在同样温度（如：2525度）的空气和水中的感度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？觉不一样。为什么？c c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保北方寒冷地区，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？温。如何解释其道理？越厚越好？a a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持冬天都保持2020度，那么在冬天与夏天、人在房间里所度，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？穿的衣服能否一样？为什么？(2) (2) 特别是在

4、下列技术领域大量存在传热问题特别是在下列技术领域大量存在传热问题(3) (3) 几个特殊领域中的具体应用几个特殊领域中的具体应用a a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭航空航天：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；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；超高音速飞行器空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电）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火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机动力、化工、制冷、建筑、机械制造、

5、新能源、微电子、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（核能、航空航天、微机电系统（MEMSMEMS）、新材料、军事）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术科学与技术、生命科学与生物技术b b 微电子：微电子： 电子芯片冷却电子芯片冷却c c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器 官的冷冻保存官的冷冻保存d d 军军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e e 制制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调冷：跨临界二氧化碳汽车空调/ /热泵；高温热泵；高温 水源热泵水源热泵f f 新

6、新 能能 源：太阳能；燃料电池源：太阳能；燃料电池4 4 传热过程的分类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。按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类。1-1 1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式1 1 导热（热传导）导热（热传导）(Conduction)(Conduction)热量传递的三种基本方式：导热热量传递的三种基本方式：导热( (热传导热传导) )、对流、对流( (热对流热对流) )和热辐射和热辐射。(1)(1)定义：定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体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

7、由电子等微观粒间直接接触时，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子热运动而进行的热量传递现象(2)(2)物质的属性：物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生(3)(3)导热的特点：导热的特点：a a 必须有温差；必须有温差；b b 物体直接接触；物体直接接触；c c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；热量；d d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。中。(4)(4)导热的基本定律：导热的基本定律： 1822年，法国数学家Fourier: W

8、 ddxtA2mW ddxtAq上式称为上式称为FourierFourier定律，号称导定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：导热。其中： ：热流量，单位时间传递的热量：热流量，单位时间传递的热量WW；q q：热流密度，单：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；位时间通过单位面积传递的热量；A A：垂直于导热方向的：垂直于导热方向的截面积截面积m2m2； ：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）W/( m K)W/( m K)。图图1-2 1-2 一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热t0 x dxdtQ(6) (6) 一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导

9、热及其导热热阻 如图如图1-31-3所示，稳态所示，稳态 q = constq = const，于是积分，于是积分FourierFourier定律有：定律有：210 dd21wwttttqtxqww复习：1 传热学的研究内容 (1) 定义 2 传热学与工程热力学的关系 (2) 物质的属性： 3 传热学应用实例 (3) 导热的特点 4 传热过程的分类 (4) 导热的基本定律导热 (5) 导热系数(5) (5) 导热系数导热系数 表征表征材料导热能力的大小材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种，是一种物性参数，与材料种类和温度关。类和温度关。气体液体非金属固体金属Q1wt2wtA图图1-3

10、1-3 导热热阻的图示导热热阻的图示 1wt2wtt0 x dxdtQrtttqww21RtAttww21rAR 导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻例例 题题 1-11-1例题例题 1-1 1-1 一块厚度一块厚度=50 =50 mm mm 的平板，的平板， 两侧表面分别维两侧表面分别维持在持在.100,30021CtCtowow试求下列条件下的热流密度。试求下列条件下的热流密度。(1)(1)材料为铜，材料为铜，=375 =375 w/(mKw/(mK ); );(2)(2)材料为钢，材料为钢， =36=36.4.4 w/(mKw/(mK ); );(3)(3)材料为铬砖，材料为铬砖，

11、=2.=2.3232 w/(mKw/(mK ) )；(4)(4)材料为铬藻土砖，材料为铬藻土砖， =0.=0.242242 w/(mKw/(mK ) )。解：参见解：参见图图1-31-3。 及一维稳态导热公式有：及一维稳态导热公式有：2321mW1028. 905. 010030032. 2wwttq铬砖：铬砖： 2221mW1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土砖：硅藻土砖：讨论：讨论：由计算可见，由计算可见， 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，别， 导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土导致在相同的条件下通过铜板的导热量比

12、通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。砖的导热量大三个数量级。 因而，铜是热的良导体，因而，铜是热的良导体， 而而硅藻土砖则起到一定的隔热作用硅藻土砖则起到一定的隔热作用2621mW105 . 105. 0100300375wwttq铜：铜：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq钢：钢：(1)(1)定义定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之流体中（气体或液体）温度不同的各部分之(2)(2) 间，由于发生相对的宏观运动而把热量由间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处一处(3)(3) 传递到另一处的现象。传递到另一处的现象。2 2 对流（热对流）对流（热对流）(C

13、onvection)(Convection)(2(2) ) 对流换热对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递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：过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点： a a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差必须有温差 c c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)(3)对流换热的分类对流换热的分类(4)(4) 无相变：强迫对流和自然对流无相变：强迫对流和

14、自然对流(5)(5) 有相变：沸腾换热和凝结换热有相变：沸腾换热和凝结换热图图1-4 1-4 对流换热中边界层的示意图对流换热中边界层的示意图W )(tthAw2mW )( fwtthAqConvection heattransfer coefficient(4) (4) 对流换热的基本计算公式对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式h 表面传热系数 热流量W，单位时间传递的热量q2mW 热流密度K)(mW2A2m 与流体接触的壁面面积wt C 固体壁表面温度t 流体温度 C 当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1 1度时、每单位壁面面积度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量

15、上、单位时间内所传递的热量)( ttAhwK)(mW2影响影响h h因素：因素：流速、流体物性、壁面形状大小等流速、流体物性、壁面形状大小等hhrthtqRthAt 1 )(1（Convection heat transfer coefficientConvection heat transfer coefficient）(5) (5) 对流换热系数对流换热系数( (表面传热系数表面传热系数) )hhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrhThermal resistance for convectionThermal resistance for convect

16、ion(6) (6) 对对流换热热阻：流换热热阻： (1)(1) 定义定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象热辐射热辐射( (Thermal radiationThermal radiation) )(2)(2) 特点特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停地向，就会不停地向周围空间发出热辐射；周围空间发出热辐射；b b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c c 伴随能量形伴随能量形式的转变；式的转变；d d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e e 辐射能与温度和波长均辐射能与温度和波长均有关；

17、有关；f f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4 4次方。次方。 (3) (3) 生活中的例子：生活中的例子： a a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热； b b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服；要舒服； c c 太阳能传递到地面太阳能传递到地面 d d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在冬天，蔬菜大棚内的空气温度在00以上，但地面却可能以上，但地面却可能 结冰。结冰。(5) (5) 辐射换热的特点辐射换热的特点a a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的

18、存在，在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真空中就可以传递能量b b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能c c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、相波能、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体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温(4) (4) 辐射换热：辐射换热：物体

19、间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。热辐射不同，就像对流和对流换热一样。 (6) (6) 辐射换热的研究方法：辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐假设一种黑体，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而获得真实物体的热辐射规律(7) (7) 黑体的定义：黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的能吸收投入到其表面上的所

20、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，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的吸收能力最强 (8)(8)黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程： Stefan-Stefan-BoltzmannBoltzmann 定律定律 ，4TA4Tq ，4TA真实物体则为：真实物体则为： （9 9） 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 )(4241TTA)(424121TTq42T1T2T图图1 17 7 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热41T例例 题题 1-21-2v 一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实

21、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=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率CtCtfw23,489 . 0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：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lq量为：)(,fwclttdhthdq)/( 5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW近似地取管道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：)(4241,TTdqrl)/(7 .274)273

22、23()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW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1-2 1-2 传热过程和传热系数传热过程和传热系数1 1 传热过程的定义：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热2 2 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射导热、对流、热辐射辐射换热、辐射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导图图1 18 8 墙壁的散热墙壁的散热3 3 一维稳

23、态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递图图1 19 9 一维稳态传热过程一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻左侧对流换热热阻111AhRh固体的导热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻111AhRhAR 上面传热过程中传递的热量为：上面传热过程中传递的热量为：2121212111)()(AhAAhttRRRttffhhff(1-10)tAkttAkff)(21传热系数传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，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。不是物性参数，与过程有关。KmW2 传热系数传热系数21211111hhr

24、rrhhk单位热阻或面积热阻单位热阻或面积热阻a k k 越大，传热越好。若要增大越大，传热越好。若要增大 k k，可增大可增大或减小21 , ,hhc h h1 1、h h2 2的计算方法及增加的计算方法及增加k k值的措施是本课程的重要值的措施是本课程的重要 内容内容注意：注意：b 非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法1-3 1-3 传热学发展简史传热学发展简史1818世纪世纪3030年代工业化革命促进了传热学的发展年代工业化革命促进了传热学的发展v导热（导热（Heat conductionHeat conduction）钻炮筒大量发

25、热的实验（钻炮筒大量发热的实验（B. T. Rumford, 1798B. T. Rumford, 1798年）年）两块冰摩擦生热化为水的实验（两块冰摩擦生热化为水的实验（H. Davy, 1799H. Davy, 1799年）年）导热热量和温差及壁厚的关系（导热热量和温差及壁厚的关系（J. B. J. B. BiotBiot, 1804, 1804年）年）Fourier Fourier 导热定律导热定律 (J. B. J. Fourier , 1822 (J. B. J. Fourier , 1822 年）年）G. F. B. Riemann/ H. S. G. F. B. Riemann/

26、 H. S. CarslawCarslaw/ J. C. / J. C. Jaeger/ M. Jaeger/ M. JakobJakob v对流换热对流换热 （Convection heat transferConvection heat transfer）不可压缩流动方程不可压缩流动方程 （M.Navier,1823M.Navier,1823年年) )流体流动流体流动NavierNavier-Stokes-Stokes基本方程基本方程 (G.G.Stokes,1845(G.G.Stokes,1845年）年）雷诺数雷诺数(O.Reynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年）

27、自然对流的理论解（自然对流的理论解（L.LorentzL.Lorentz, 1881, 1881年）年）管内换热的理论解（管内换热的理论解（L.GraetzL.Graetz, 1885, 1885年；年；W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年）凝结换热理论解凝结换热理论解 （W.NusseltW.Nusselt, 1916, 1916年）年）强制对流与自然对流无量纲数的原则关系强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909W.Nusselt,1909年年/1915/1915年）年）流体边界层概念流体边界层概念 （L.PrandtlL.Prandtl, 1904, 1904年）年）热边界层概念热边界层概