传热学基础第二第一章教学讲义三种热量传递基本方式

1、传热学基础第二第一章教学讲义三种热量传递基本方式考核方法考核方法 闭卷考试闭卷考试专业：材料成形及控制工程专业：材料成形及控制工程联系方式联系方式nOffice：3559661nHome: 6386397n手机手机2/65参考书参考书n传热学杨世铭传热学杨世铭 编著编著n传热学许肇钧传热学许肇钧 编著编著3/65第一章第一章 绪论绪论n1-1热量传递的研究对象及其在热加工热量传递的研究对象及其在热加工艺中的应用艺中的应用n1-2热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式n1-3 1-3 传热过程与热阻传热过程与热阻4/651-1热量传递的研究对象及其在热加工工艺中热量传递的研究对象及其在热加

2、工工艺中的应用的应用一、什么是传热学一、什么是传热学n研究热量传递规律的科学。研究热量传递规律的科学。n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n热量传递过程的推动力：温差热量传递过程的推动力：温差n热力学第二定律：热量可以自发地由高温热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源。有温差就会有传热。热源传给低温热源。有温差就会有传热。（The Second Law of Thermodynamics）5/65二、传热学的重要性二、传热学的重要性自然界与生产过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日常生活中的例子日常生活中的例子n人

3、体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？服能否一样？n夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：25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？6/65在下列技术领域大量存在传热问题在下列技术领域大量存在传热问题动力、化工、制冷、建筑、环境、机械制造、动力、化工、制冷、建筑、环境、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（统（MEMS）、）、新材料、新材料、

4、军事科学与技术、军事科学与技术、生命科学与生物技术生命科学与生物技术 7/65 在机械制造热加工类专业中在机械制造热加工类专业中,由于工件在制造工由于工件在制造工艺中的加热、冷却、熔化和凝固都与热量传递息艺中的加热、冷却、熔化和凝固都与热量传递息息相关，传热学有它特殊的重要性。息相关，传热学有它特殊的重要性。n 工件温度场的测量和控制，不同工作条件，不工件温度场的测量和控制，不同工作条件，不同材料性质及几何形状对工件温度场变化的影响，同材料性质及几何形状对工件温度场变化的影响，工艺中缺陷的分析和防止，无不受到热量传递规律工艺中缺陷的分析和防止，无不受到热量传递规律的制约，传热学在保证工艺实施、

5、提高产品质量和的制约，传热学在保证工艺实施、提高产品质量和产量等方面起着关键作用。产量等方面起着关键作用。三三 热量传递在热加工工艺中的应用热量传递在热加工工艺中的应用8/659/65n.3流动场动画3.avi10/65n.3凝固过程动画.avi11/6512/6513/65n.312xt流场动画1.avi14/65n.312xt凝固进程动画.avi15/6516/65.3铸造-气泡1.avi17/65.3Flow3.avi 为了说明传热学与各专业主要课程间的关系，以铸造为了说明传热学与各专业主要课程间的关系，以铸造专业的铸件形成理论这门专业主要课程为例，作一番专业的铸件形成理论这门专业主要课

6、程为例，作一番考察考察 n 这门课程的任务是要运用基础课、技术基础课的这门课程的任务是要运用基础课、技术基础课的理论知识来分析铸件形成过程的基本规律及有关理论知识来分析铸件形成过程的基本规律及有关因素的内在联系。因素的内在联系。n 其中相当多的内容是：分析金属与铸型在不同其中相当多的内容是：分析金属与铸型在不同条件下热量传递的特点，铸件温度场的确定及其条件下热量传递的特点，铸件温度场的确定及其影响因素，讨论金属包括液态金属及砂型的热物影响因素，讨论金属包括液态金属及砂型的热物理性质，研究温度分布在金属收缩规律中的作用理性质，研究温度分布在金属收缩规律中的作用以及热裂、热应力、变形、冷裂等缺陷的

7、成因及以及热裂、热应力、变形、冷裂等缺陷的成因及防止途迳等等，这些内容都建筑在传热学的基础防止途迳等等，这些内容都建筑在传热学的基础之上。之上。 18/65 换句话说，扎实的传热学基础，既是学好本专换句话说，扎实的传热学基础，既是学好本专业主干学科的前提，也为消化、吸收和创造新技术业主干学科的前提，也为消化、吸收和创造新技术准备了必要的条件，它是一个合格的热加工工程师准备了必要的条件，它是一个合格的热加工工程师必须具备的理论素养的重要组成部分。必须具备的理论素养的重要组成部分。 本课程的任务是结合热加工工艺领域中热量传本课程的任务是结合热加工工艺领域中热量传递过程的特点，系统地阐述传热学的基本

8、理论、递过程的特点，系统地阐述传热学的基本理论、基本知识，培养一定的分析和计算技能，为学习基本知识，培养一定的分析和计算技能，为学习有关专业课程打好理论基础，同时也为认识、专有关专业课程打好理论基础，同时也为认识、专业 发 展 中 的 新 理 论 、 新 工 艺 创 造 条 件 。业 发 展 中 的 新 理 论 、 新 工 艺 创 造 条 件 。四四 学习本课程的目的学习本课程的目的19/65五五 传热过程分类传热过程分类n凡是物体中各点温度不随时间改变的热量传递过凡是物体中各点温度不随时间改变的热量传递过程均称为稳态热传递过程，反之则称为非稳态热程均称为稳态热传递过程，反之则称为非稳态热传递

9、过程。传递过程。n各种物体在持续不变的运行工况下经历的热传递过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过程，而物体在加热、冷却、熔化和凝程属于稳态过程，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过程。固情况下经历的热传递过程则为非稳态过程。传热过程传热过程稳态过程稳态过程非稳态过程非稳态过程20/65 采用高等数学方法分析热传递过程，总要采用高等数学方法分析热传递过程，总要假定所研究的对象是一个连续体，即认为所假定所研究的对象是一个连续体，即认为所研究对象内各点上的温度、密度、速度等都研究对象内各点上的温度、密度、速度等都是空间坐标的连续函数。是空间坐标的连续

10、函数。 实际上，只要被研究对象的几何尺寸远实际上，只要被研究对象的几何尺寸远大于分子的平均自由行程，连续体的假定大于分子的平均自由行程，连续体的假定即可成立。就本书涉及的内容而言，连续即可成立。就本书涉及的内容而言，连续体的假定都是成立的。体的假定都是成立的。 21/6512热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式 n热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射射热对流热对流热传导热传导热辐射热辐射22/6523/65一、热传导（导热一、热传导（导热）heat conduction1.1.定义和特征定义和特征定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两定义：

11、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。子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。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。24/65导热的特点导热的特点n必须有温差必须有温差n物体直接接触物体直接接触n依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量而传递热量n不发生宏观的相对位移不发生宏观的相对位移25/6526/652.导热机理导热机理n气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的气体：气体分子不

12、规则热运动时相互碰撞的结果。结果。n导电固体：自由电子运动。导电固体：自由电子运动。n非导电固体：晶格结构的振动。非导电固体：晶格结构的振动。n液体：很复杂。液体：很复杂。27/653 傅里叶公式傅里叶公式: Fourier： 1822年，法国数学家年，法国数学家W tA2mW tAq：热流量，单位时间传递的热量热流量，单位时间传递的热量 WWq：热流密度，单位时间通过单位面积传热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量递的热量A：垂直于导热方向的截面积垂直于导热方向的截面积m221wwttt：平壁两侧壁温之差：平壁两侧壁温之差 CC)(mW:热导率（导热系数）热导率（导热系数）Thermal

13、conductivity28/65ntq2m/Wnt 为温度梯度，负号表示热流密度的方向与温为温度梯度，负号表示热流密度的方向与温度梯度的方向相反。即热量传递的方向与温度升度梯度的方向相反。即热量传递的方向与温度升高的方向相反。高的方向相反。当温度当温度t沿沿x方向增加时，方向增加时，dt/dx0，q0，说明热量沿说明热量沿x减小的方向传递；反之，减小的方向传递；反之，dt/dx0，说明热量说明热量沿沿x增加的方向传递。增加的方向传递。 29/65热导率（导热系数）热导率（导热系数）(Thermal conductivity)W tA/ tA 具有单位温度差（具有单位温度差（1K）的单位厚度的

14、物体的单位厚度的物体(1m)，在它的单位面积上在它的单位面积上(1m2)、每单位时间每单位时间(1s)的导热量的导热量(J)热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定30/65气体液体非金属固体金属;)(398CmW纯铜; )(6.0CmW水）（空气CCmW20 )(026.031/65法国数学家法国数学家Fourier: 法国拿法国拿破仑时代的高级官员。曾于破仑时代的高级官员。曾于1798-1801追随拿破仑去埃追随拿破仑去埃及。后期致力于传热理论，及。后期致力于传热理论，1807年提交了年提交了234页的论文页的论文，但直到，但直到1822

15、年才出版。年才出版。32/65例题例题1-1 有三块分别由纯铜（热导率有三块分别由纯铜（热导率1=398W/(mK)）、）、黄黄铜（热导率铜（热导率2=109W/(mK)）和碳钢（热导率和碳钢（热导率3=40W/(mK)）制成的大平板，厚度都为制成的大平板，厚度都为10mm，两侧表面的温差都维两侧表面的温差都维持为持为tw1 tw2 = 50不变，试求通过每块平板的导热热流密不变，试求通过每块平板的导热热流密度。度。解：解： 这是通过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板，这是通过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板， 262w1w11/1099. 101. 0/50398mWttq33/65对

16、于黄铜板对于黄铜板 262w1w22/10545. 001. 0/50109mWttq对于碳钢板对于碳钢板 262w1w32/102 . 001. 0/5040mWttq34/65二、热对流二、热对流(convection)与对流换热与对流换热Heated air rises, cools, then falls. Air near heater is replaced by cooler air, and the cycle repeats. 35/65nWhat if coils were atthe bottom? 36/651. 定义与特征定义与特征n定义：流体中（气体或液体）温度不同

17、的各定义：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部分之间，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。量由一处传递到另一处的现象。流体中有温差流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导，热对流必然同时伴随着热传导，对流换热：对流换热： (Convection heat transfer)流体与温度流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程不同的固体壁间接触时的热量交换过程37/65对流换热的特点对流换热的特点n对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式热；不是基本传热方式n导热与热对流同时存在

18、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n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。38/6539/652.分类分类对流换热按照不同的原因可分为多种类型对流换热按照不同的原因可分为多种类型 是否相变是否相变，分为：有相变的对流换热和无相，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热变的对流换热 流动原因流动原因，分为：强迫对流换热和自然对流，分为：强迫对流换热和自然对流换热。换热。流动状态流动状态，分为：层流和紊流。，分为：层流和紊流。40/653.牛顿冷却公式（牛顿冷却公式（1701）W )(fwtthA2mW )(

19、fwtthAq 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A2m 与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积wtC 固体壁表面温度固体壁表面温度ftC 流体温度流体温度 表面传热系数表面传热系数Convection heattransfer coefficient hu twAft41/65n表面传热系数（对流换热系数）表面传热系数（对流换热系数） （Convection heat transfer coefficient）)(ttAhwC)(mW2 当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热

20、量单位时间内所传递的热量h h是表征对流换热过程强弱的物理量是表征对流换热过程强弱的物理量n影响影响h因素：流动原因、速度、状态，流体物性、有无因素：流动原因、速度、状态，流体物性、有无相变，壁面形状、大小、位置等。相变，壁面形状、大小、位置等。42/65例题例题1-2 一室内暖气片的散热面积为一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为表面温度为tw = 50，和温度为和温度为20的室内空气之间自然对流换热的表的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为面传热系数为h = 4 W/(m2K)。试问该暖气片相当于多大试问该暖气片相当于多大功率的电暖气功率的电暖气?解：解： 暖气片和室内空气之间是稳

21、态的自然对流换热，暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热， = Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相当于功率为即相当于功率为0.36kW的电暖气。的电暖气。 43/65三、热辐射三、热辐射（Thermal radiation）1.定义定义物体通过电磁波来传递热量的方式。物体通过电磁波来传递热量的方式。 物体的温度越高、辐射能力越强物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种；若物体的种 类不同、表面状况类不同、表面状况不同，其辐射能力不同不同，其辐射能力不同辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量

22、传递 Radiation heat transfer44/6545/652.辐射换热的特点辐射换热的特点不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的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存在，在真空中就可以传递能量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无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量能、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体辐射给高温物体的能量大于低

23、温物体辐射给高温物体的能量;总的结果是热由总的结果是热由高温传到低温高温传到低温46/6547/653.斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。 或或称绝对黑体。（称绝对黑体。（Black body）黑体的辐射能力与吸收能力黑体的辐射能力与吸收能力最强最强Ludwig Boltzmann (1844-1906) committed suicide because he thought his lifes work was in vain. 48/65n黑体向外发射的辐射

24、能：黑体向外发射的辐射能：24mW TEbb 绝对黑体辐射力绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度）黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数， bET b)K(mW105.6742-8 K49/65n实际物体辐射能力：低于同温度黑体实际物体辐射能力：低于同温度黑体24mW TEb 实际物体表面的发射率（黑度），实际物体表面的发射率（黑度），01；与物体的种类、表面状况和温度有关与物体的种类、表面状况和温度有关 （Emissivity） 50/65n对于两个相距很近的黑体表面，由于一个表对于两个相距很近的黑体表面，由于一个表面发射出来的能量几乎完全落到另

25、一个表面面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上，那么它们之间的辐射换热量为上，那么它们之间的辐射换热量为 ：)(4241TTAT1T2F51/6552/65 三种基本热量传递方式由于机理不同，各自三种基本热量传递方式由于机理不同，各自遵循不同的规律，依次分开论述比较相宜。不过遵循不同的规律，依次分开论述比较相宜。不过应该注意到，在工程问题中，有时也存在两种热应该注意到，在工程问题中，有时也存在两种热量传递基本方式同时出现的场合。量传递基本方式同时出现的场合。 例如一块高温钢板在厂房中的冷却散热，既例如一块高温钢板在厂房中的冷却散热，既有辐射换热方式，也同时有对流换热方式。两种方有辐射换热方式

26、，也同时有对流换热方式。两种方式以并联的形式出现，两种方式散热热流量的叠加式以并联的形式出现，两种方式散热热流量的叠加总和等于总的散热热流量。对这种场合，就不能只总和等于总的散热热流量。对这种场合，就不能只顾一种方式而遗漏另一种方式。顾一种方式而遗漏另一种方式。53/65 最后应当指出，傅里叶定律、斯蒂芬玻尔最后应当指出，傅里叶定律、斯蒂芬玻尔兹曼定律及牛顿冷却公式对稳态或非稳态过程兹曼定律及牛顿冷却公式对稳态或非稳态过程都是适用的。都是适用的。 54/651-3 1-3 传热过程与热阻传热过程与热阻1.传热过程：热量由热流体通过间壁传给冷流体传热过程：热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程。的

27、过程。传热过程通常由导热、热传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成对流、热辐射组合形成tkA55/65导热导热对流对流辐射辐射对流对流t为热流体与冷流体间的平均温差；为热流体与冷流体间的平均温差；k 为传热系数为传热系数，W/( oC)。在数值上，传热系数在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差等于冷、热流体间温差=1 oC、传热面积传热面积A1 m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。传热过程越强，传热系数越大，反的物理量。传热过程越强，传热系数越大，反之则越弱。之则越弱。56/65假设假设传热过程处于稳态：传热过程处于稳态：屋内热空气的热量通过墙壁和屋内热空气的热量通过墙壁和保温层传递给屋外冷空气，这保温层传递给屋外冷空气，这个过程就属于传热过程。个过程就属于传热过程。若屋内空气温度为若屋内空气温度为tf1，屋外的空气温度为屋外的空气温度为tf2，传热温差传热温差= tf1- tf2。若屋内对流和辐射总换热系若屋内对流和辐射总换热系数为数为 ，屋外侧的对流换热系数为，屋外侧的对流换热系数为 ，墙壁，墙壁、保温层的厚度分别为、保温层的厚度分别为 和和 ，墙