Chap 3-1 传热学概论

1、 材料工程基础材料工程基础1第三章第三章 传传 热热 学学 传传 热热 学学21 概概 述述1.1 1.1 传热学传热学 传热学是研究热量传递规律的学科，其传热学是研究热量传递规律的学科，其基础为基础为热力学第一定律热力学第一定律和和热力学第二定律热力学第二定律。 传传 热热 学学31.1.1热量传递过程热量传递过程 1 1）稳态传热过程（定常过程）稳态传热过程（定常过程） 凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程。各种热力设备在持续不过程均称稳态传热过程。各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程；变的工况下运行时的

2、热传递过程属稳态传热过程；2 2）非稳态传热过程（非定常过程）非稳态传热过程（非定常过程） 非稳态传热过程与稳态传热过程相反。设备非稳态传热过程与稳态传热过程相反。设备在启动、停机、工况改变时的传热过程则属非稳在启动、停机、工况改变时的传热过程则属非稳态传热过程。态传热过程。 传传 热热 学学4A 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：25 ）的空气和）的空气和水中的感觉不一样。为什么？水中的感觉不一样。为什么？B 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，如北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，如何解释其道理？玻璃越厚越好？何解释其道理？玻璃越厚越好？1.1.2应用举例应用举例(1) 日常生活

3、中的例子：日常生活中的例子： 传传 热热 学学5(2) 在材料技术领域大量存在传热问题在材料技术领域大量存在传热问题 传传 热热 学学6() 在材料技术领域存在节能问题在材料技术领域存在节能问题 传传 热热 学学7 传传 热热 学学81.2 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式 1.2.1导热（热传导）导热（热传导） 1 、概念、概念 定义：定义：物体各部分之间不发生宏观相对位物体各部分之间不发生宏观相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒移时，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称导热。子的热运动而产生的热量传递称导热。 传传 热热 学学9导热机理：导热机理

4、：气体分子不规则运动时相互碰撞；气体分子不规则运动时相互碰撞；导电固体自由电子；导电固体自由电子；非导电固体晶格振动产生的弹性波；非导电固体晶格振动产生的弹性波；液体兼有气体和非导电固体的机理。液体兼有气体和非导电固体的机理。 传传 热热 学学10式中式中 为为热导率热导率，又称，又称导热系数导热系数，负号表示热，负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。量传递的方向与温度升高的方向相反。 2.2.导热的基本规律导热的基本规律 1 1）傅立叶定律）傅立叶定律（1822 1822 年，法国物理学家）年，法国物理学家） t1t2 dxdtkAQk（1-1） 传传 热热 学学112 ）热流量）热流

5、量 单位时间内通过某一给定面积的热量称为单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为热流量，记为Q，单位，单位 w。 3 ）热流密度（面积热流量）热流密度（面积热流量） 单位时间内通过单位面积的热量称为热流单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为密度，记为 q ，单位，单位 w/ 。 当物体的温度仅在当物体的温度仅在 x 方向发生变化时，按方向发生变化时，按傅立叶定律，热流密度的表达式为傅立叶定律，热流密度的表达式为: 传传 热热 学学12dxdtkAQq 说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式（1-11-1）、（）、（1-2 1-2 ）是一维稳态导

6、热时傅）是一维稳态导热时傅立叶定律的数学表达式。立叶定律的数学表达式。（1-2） 传传 热热 学学13说明：说明：导热系数导热系数 k 表征材料导热性能优劣的参表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，与材料的种类和温度有关，数，是一种物性参数，与材料的种类和温度有关，单位：单位： W/mk 。 k金属金属 k非金属固体非金属固体 k液体液体 k气体气体k 纯铜纯铜 = 398 W/mkk 水水=0.6 W/mkk 空气空气=0.026 W/mk 传传 热热 学学141.2.2 对流对流 1.基本概念基本概念 1) 对流：对流：是指由于流体是指由于流体的宏观运动，从而使的宏观运动，从而使流体

7、各部分之间发生流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热相互掺混所引起的热量传递过程。量传递过程。 传传 热热 学学152 、对流换热的分类、对流换热的分类 2) 2) 对流换热对流换热：流体流过一个物体表面时的流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。热量传递过程，称为对流换热。区别概念：热对流和对流换热区别概念：热对流和对流换热对流换热包括热对流和导热。对流换热包括热对流和导热。 传传 热热 学学163 、对流换热的基本规律、对流换热的基本规律 流体被加热时：流体被加热时： 流体被冷却时流体被冷却时：)(fwtthq)(wftthq（1-3）（1-4

8、）ftQ 传传 热热 学学17如果把温差（亦称温压）记为如果把温差（亦称温压）记为 ，并约定永远，并约定永远取正值，则取正值，则牛顿冷却公式牛顿冷却公式可表示为可表示为thqthAQ 其中其中 比例系数（表面传热系数）比例系数（表面传热系数） 单位单位 。 2W/ mK（1-5）（1-6）t 传传 热热 学学18的物理意义：的物理意义：单位时间单位温差作用下通单位时间单位温差作用下通过单位面积的热流量。过单位面积的热流量。 表面传热系数的大小与传热过程中的许多因表面传热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小相对位

9、置，而且与流体的流面的形状、大小相对位置，而且与流体的流速、换热有无相变有关。速、换热有无相变有关。 传传 热热 学学19. .对流换热研究对流换热研究的基本任务的基本任务 用理论分析或用理论分析或实验的方法推出各实验的方法推出各种场合下表面换热种场合下表面换热导数的关系式。导数的关系式。 K 传传 热热 学学201.2.3 热辐射热辐射 1、基本概念、基本概念 1 1 ）辐射和热辐射）辐射和热辐射 物体通过电磁波来传物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。递能量的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。的现象称为热辐射。2 2 ）辐射换热）辐射换热 辐射与

10、吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。行的物体间的热量传递称辐射换热。 传传 热热 学学213 3）导热、对流、辐射的评述）导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有在真空中辐射能的传递最有效效。 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。在辐射时

11、，辐射体内热能随有能量形式的转化。在辐射时，辐射体内热能 辐射能；在吸收时，辐射能辐射能；在吸收时，辐射能 受射体内热能，受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。 传传 热热 学学22 辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能温物体向高温物体辐射热能。 热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。 物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐物体的辐射能力与其温度

12、性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。射区别于导热，对流的基本特点。 传传 热热 学学232 、热辐射的基本规律：、热辐射的基本规律： v所谓绝对所谓绝对黑体（黑体（lack body）：把吸收率等于把吸收率等于 1 1 的物体称黑体，的物体称黑体，是一种假想的理想物体。是一种假想的理想物体。 v黑体的吸收和辐射能力在同温黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的而且辐射度的物体中是最大的而且辐射热量服从于热量服从于斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼玻耳兹曼( (Stefan Boltzmann) )定律定律。 传传 热热 学学244TEb（1-7）其中其中 Eb绝对黑体辐射力，绝对黑体辐射力，

13、W/m2； T 黑体的热力学温度黑体的热力学温度 K ； 斯忒潘斯忒潘玻玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为5.6710-8 W/m2.k4。黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于斯黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于斯忒藩忒藩玻耳兹曼定律，即玻耳兹曼定律，即 传传 热热 学学25实际物体：实际物体：物体包容在一个无限物体包容在一个无限大的空腔内，则二表大的空腔内，则二表面辐射换热为：面辐射换热为：4TE（1-7）424111TTAQ（1-） 传传 热热 学学261.3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数 1.3.1 传热过程传热过程 1 、概念、概念 热量由

14、壁面一侧的流体通过壁面传到另热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。一侧流体中去的过程称传热过程。 传传 热热 学学272 、传热过程的组成、传热过程的组成 传热过程一般包括串联着的传热过程一般包括串联着的三个环节三个环节组成，即：组成，即： 热流体热流体 壁面高温侧；壁面高温侧； 壁面高温侧壁面高温侧 壁面低温侧；壁面低温侧； 壁面低温侧壁面低温侧 冷流体。冷流体。 若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。 传传 热热 学学283 、传热过程的计算、传热过程的计算 22221111fwwwwfttAhQttAkQttAhQ（a）

15、（b）（c）稳态传热，稳态传热，传热环节有三种传热环节有三种情况情况，其热流量分别为：，其热流量分别为： 传传 热热 学学29将式（将式（a a）, ,（b b）, ,（c c）改写成温差的形式：）改写成温差的形式：22221111/AhQttkAQttAhQttfwwwwf（d）（e）（f） 传传 热热 学学30三式相加，整理可得三式相加，整理可得: :也可以表示成也可以表示成: : 212111)(hkhttAQff（1-10）tAHttAHQff)(21（1-11） 传传 热热 学学311.3.2传热系数传热系数RT1 、概念、概念 是指用来表征传热过程强烈程度的指标。是指用来表征传热过程强烈程度的指标。它等于冷热流体间温差它等于冷热流体间温差 ， 传热面积传热面积 时热流量的值。时热流量的值。 影响因素：影响因素： 参与传热过程的两种流体的种类；参与传热过程的两种流体的种类； 传热过程是否有相变传热过程是否有相变1t21mA 传传 热热 学学32传热系数的表达式为传热系数的表达式为: : 21111hkhRT21111hkh