传热学-绪论+第一章 new

1、 传传 热热 学学 参参 考考 书书o 教材教材: 传热学传热学 杨世铭、陶文铨编著，第三版杨世铭、陶文铨编著，第三版o传热学传热学 戴锅生，第二版戴锅生，第二版o数值传热学数值传热学 陶文铨编著陶文铨编著o对流换热对流换热 V. S. 阿巴兹阿巴兹o凝结和沸腾凝结和沸腾施明恒等编著施明恒等编著o辐射换热辐射换热 余其铮编著余其铮编著o Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Millso Heat Transfer , by J.P.Holmano Fundamentals of Heat Transfer, by F. P. Incropera

2、, D.P. DeWitt 绪绪 论论0-1 概概 述述 1. 1. 传热学（传热学（Heat TransferHeat Transfer）(1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有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、计算和测试方法热量传递的机理、规律、计算和测试方法(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 传给低温热源传给低温热源 有温差就会有传热有温差就会有传热 温差温差 是热量传递的推动力是热量传递的推动力 2 2 传热学应用实例传热学应用实例自然界与生产过

3、程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍传热很普遍 b b 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：2525度）的空气和水中的感觉不度）的空气和水中的感觉不 一样。为什么？一样。为什么？c c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，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？以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？(1) (1) 日常生活中的例子：日常生活中的例子：a a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在人体为恒温体。若房间里气体的温度在 夏天和冬天都保持夏天和冬天都保持2020度，那么在冬天与夏天、人在房间度，那么在冬天与夏天、人在房间 里所穿

4、的衣服能否一样？为什么？里所穿的衣服能否一样？为什么？(2) (2) 特别是在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动力、化工、制冷、建筑、机械制造、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（MEMS）、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(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 航空航天：卫星与空间站热控制；航空航天：卫星与空间站热控制； b 微电子：微电子： 电子芯片冷却电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热

5、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 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 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 新新 能能 源：太阳能；燃料电池源：太阳能；燃料电池3 3 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按温度与时间的依变关系: 稳态稳态 非稳态非稳态4 4 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式导热导热( (热传导热传导) ) 对流对流( (热对流热对流) ) 热辐射热辐射。1 1 导热（热传导）导热（

6、热传导）(Conduction)(Conduction)(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两定义：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等微观粒子热运动而进行的热量传递现象(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生(3)导热的特点：导热的特点：a 必须有温差；必须有温差；b 物体直接接触；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依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；传递热量；d 在引力场下

7、单纯的导热只发生在密在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。实固体中。(4) (4) 一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 21wwttq0t dxdtQrtttqww21RtAttww21rAR 导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻Q1wt2wtA图图1-3 1-3 导热热阻的图示导热热阻的图示 (5) (5) 导热系数导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。与材料种类和温度有关。意义：是指单位厚度的物体具有单位温差时，意义：是指单位厚度的物体具有单位温差时，在它的单位面积上每单位时间的导热量。在它的单位

8、面积上每单位时间的导热量。m.kW 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， 两侧表面分别维持在两侧表面分别维持在.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， =2.=2.3232 w/(mKw/(mK ) )；(4)(4)材料为铬藻土砖，材料为铬藻土砖， =0.=0.2422

9、42 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：由计算可见，讨论：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

10、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：流体中（气体或液体）温度不同的各部分定义：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。传递到另一处的现象。(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：递过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点

11、： 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 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差也必须有温差 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 2 2 对流（热对流）对流（热对流）(Convection)(Convection)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(3)(3)对流换热的分类对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热有相变：沸腾换热和凝结换热W )(fwtthA2mW )( fw

12、tthAqConvection 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 表面传热系数表面传热系数 热流量热流量W，单位时间传递的热量，单位时间传递的热量q2mW 热流密度热流密度K)(mW2A2m 与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积wt C 固体壁表面温度固体壁表面温度ft 流体温度流体温度 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、每单位壁面面积上、单位度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量时间内所传递的热量)( ttAhwK)(mW2影响影响h h因素：流速、流体物性

13、、壁面形状大小等因素：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 12WCmhrh(6) (6) 对流换热热阻：对流换热热阻： (Thermal resistance for convection)(Thermal resistance for convection) (1)(1)定义：有热运动

14、产生的，以电磁波形式传递能定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象量的现象(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，就会不停地向周围空间发出热辐射；不停地向周围空间发出热辐射；b b、可以在真空、可以在真空中传播；中传播；c c、伴随能量形式的转变；、伴随能量形式的转变；d d、具有强、具有强烈的方向性；烈的方向性；e e、辐射能与温度和波长均有关；、辐射能与温度和波长均有关；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。 热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiati

15、on)(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。(4) (4) 辐射换热辐射换热物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同。物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同。 (5) (5) 辐射换热的特

16、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物体热力学能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波能、无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、 相互相互辐射能量；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射给高温物体的能量；总的结果

17、是热由高温传到低温(6)(6)辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射辐射换热的研究方法：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，真实物体的辐射则的共性规律，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，从而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获得真实物体的热辐射规律(7)(7)黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物黑体的定义：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，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体的吸收能力最

18、强 (8)(8)黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程： Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann 定律定律 ，4TAb4TEbb ，4TAb真实物体则为：真实物体则为： 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)(424121TTqb 42Tb1T2T41Tb（9 9） 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热)(4241TTAb例例 题题 1-21-2o 一根水平放置的蒸汽管道，一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径其保温层外径d=583 m m ， 外 表 面 实 测 平 均 温 度 及 空 气 温 度 分 别， 外 表 面 实 测 平

19、均 温 度 及 空 气 温 度 分 别为为 ，此时空气与管道外表面间的，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保温层外表面的发射率o 问：（问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；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。）计算每米长度管道的总散热量。CtCtfw23,489 . 0量为：解：解：o （1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。方式。o （2）把管道每米长度上的散热量记为）把管道每米长度上的散热

20、量记为当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热量为：当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热量为：lq)(,fwclttdhthdq)/(5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW近似地取室内物体及墙壁的温度为室内空气温度，近似地取室内物体及墙壁的温度为室内空气温度， 于是每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：米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：)(4241,TTdqbrl)/(7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW讨论：讨论： 计算结果表明，计算结果表明， 对于表面温度为几到几十摄氏

21、度对于表面温度为几到几十摄氏度的一类表面的散热问题，的一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同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。的数量级，必须同时予以考虑。0-2 0-2 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：两流体间通过固体壁面进行的换热传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热2 传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射传热过程包含的传热方式：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3 3 一维稳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

22、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211AhRhAR 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)()(AhAAhttRRRttffhhfftAkttAkff)(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。KmW221211111hhrrrhhk单位面积的传热热阻单位面积的传热热阻 传热系数传热系数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 , ,hh注意：注意：b 非

23、稳态传热过程以及有内热源时，不能用非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法热阻分析法c h1、h2的计算方法及增加的计算方法及增加k值的措施是本值的措施是本课程的重要内容课程的重要内容第一章导热理论基础第一章导热理论基础o 1. 1. 温度场温度场 （1 1）定义：是指某一时刻空间所有各点温度的总称）定义：是指某一时刻空间所有各点温度的总称 （2 2）表达式：）表达式： 三维非稳态温度场三维非稳态温度场o 2. 2. 等温面等温面 定义：同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所定义：同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面构成的面o 3. 3. 等温线等温线 （1 1）定义：不同

24、的等温面与同一平面相交，则在此平）定义：不同的等温面与同一平面相交，则在此平面上构成的一簇曲线面上构成的一簇曲线 （2 2）特点：温度不同的等温面或等温线决不相交）特点：温度不同的等温面或等温线决不相交 1-1 基本概念及傅立叶定律基本概念及傅立叶定律 ),(zyxft 1 1 基本概念基本概念o 4. 4. 温度梯度温度梯度 （1 1）定义：自等温面上某点到另一个等温面，以）定义：自等温面上某点到另一个等温面，以该点法线方向的温度变化率为最大。以该点法该点法线方向的温度变化率为最大。以该点法线方向为方向，数值也正好等于这个最大温度线方向为方向，数值也正好等于这个最大温度变化率的矢量称为温度梯

25、度。变化率的矢量称为温度梯度。（2 2）表达式：）表达式： （3 3）正向是朝着温度增加的方向）正向是朝着温度增加的方向kztjytixtgradtnntgradt5. 温度降度温度降度 （1）定义：是温度梯度的负值）定义：是温度梯度的负值（2）表达式：）表达式：（3）正向是朝着温度降低的方向）正向是朝着温度降低的方向6. 热流矢量热流矢量（1）热流密度：单位时间单位面积上所传递的热量）热流密度：单位时间单位面积上所传递的热量（2）热流矢量：等温面上某点，以通过该点最大热流密）热流矢量：等温面上某点，以通过该点最大热流密度的方向为方向，数值上也正好等于该方向热流密度的矢度的方向为方向，数值上也

26、正好等于该方向热流密度的矢量称为热流矢量。量称为热流矢量。gradto 2 傅立叶定律傅立叶定律（1）1822年，法国数学家Fourier: kqjqiqqzyx2mW gradtAqW Agradt（2 2）热流矢量和）热流矢量和温度梯度位于温度梯度位于等温面的同一等温面的同一法线，但指向法线，但指向温度降低的方温度降低的方向，热流矢量向，热流矢量与温度梯度的与温度梯度的方向永远相反方向永远相反x0t dxdtQ一维稳态平板内的一维稳态平板内的导热导热t1t2o （1 1）表达式：）表达式：o （2 2）表征物体导热能力的大小）表征物体导热能力的大小 1-2 导热系数导热系数m.kW gra

27、dtq气体液体非金属固体金属（3）导热系数）导热系数 同性材料同性材料 非同性材料非同性材料 1-3 导热微分方程式导热微分方程式o 1 假设条件假设条件 （1）各项同性的连续介质）各项同性的连续介质; 既既 与材料无关与材料无关 （2）常物性：导热系数、比热容和密度均）常物性：导热系数、比热容和密度均 为已知为已知 （3）有内热源）有内热源qvo 2 依据：能量守恒定律依据：能量守恒定律 导入与导出的净热量导入与导出的净热量+内热源内热源=物体内能的增加物体内能的增加 o 3 导热微分方程式的推导导热微分方程式的推导a. d 时间内导入微元体的热量时间内导入微元体的热量 - dydzdxtd

28、ydzdqdxx - dxdydytdxdydqdyydxdydztdxdydqdzz- b. d 时间内导出微元体的热量时间内导出微元体的热量 )( dydzddxxqqdydzdqdxxdxxdxx )( dxdyddyyqqdxdydqdyydyydyydxxqqqxxdxxdxdyddzzqqdxdydqdzzdzzdzz)( o (1)导入与导出微元体的净热量导入与导出微元体的净热量o (2)内热源内热源o (3)微元体内能的增加微元体内能的增加 dxdydzdqv dxdydzdtc dxdydzdxqddxdxxx dxdydzdyqddydyyy dxdydzdzqddzdzzzxtqx-o 导热微分方程式导热微分方程式o 、 和和c均为常数时均为常数时vqztzytyxtxtc )()()( cqztytxtctv )( 222222cqtatv21-4 导热过程的单值性条件导热过程的单值性条件o 1 几何条件几何条件 物体的几何形状和大小物体的几何形状和大小o 2 物理条件物理条件 物性参数是否随时间变化；是否有内热源物性参数是否随时间变化；是否有内热源o 3 时间条件时