传热学课件第1章

1、 传传 热热 学学 教教 材材 及及 参参 考考 书书 v 教材教材: : 传热学（第四版），传热学（第四版）， 杨世铭、陶杨世铭、陶 文铨编著，高等教育出版社，文铨编著，高等教育出版社，2006.82006.8v传热学（第二版）传热学（第二版） 戴锅生编戴锅生编v数值传热学，陶文铨编，数值传热学，陶文铨编，西安西安: : 西安交通西安交通 大学出版社大学出版社, 1988, 1988v对流换热对流换热 V. S. V. S. 阿巴兹阿巴兹v凝结和沸腾施明恒等编凝结和沸腾施明恒等编v辐射换热，余其铮编，辐射换热，余其铮编，哈尔滨哈尔滨: :哈尔滨工业大哈尔滨工业大 学出版社，学出版社，2000

2、2000 第第1 1章作业章作业 1-81-101-161-181-211-231-28 第第1 1章章 绪绪 论论1.1.传热学的研究内容传热学的研究内容（Heat TransferHeat Transfer） (1) (1) 研究热能传递研究热能传递规律的科学。规律的科学。 (2)(2) 热能传递过程的动力：热能传递过程的动力：温差温差 1.1 1.1 传热学的研究内容及其应用传热学的研究内容及其应用2. 2. 传热学的重要性传热学的重要性自然界温差无处不在，无时不有自然界温差无处不在，无时不有传热学是能源、动力、化工、传热学是能源、动力、化工、机械、电子、土木等学科的主机械、电子、土木等

3、学科的主干技术基础课干技术基础课传热学与传热学与流体力学流体力学、工程热工程热力学力学并称能源动力类专业的并称能源动力类专业的三大支柱三大支柱3. 3. 传热学研究中的连续介质假定传热学研究中的连续介质假定假定：所研究物体中的温度、密度、速度、压假定：所研究物体中的温度、密度、速度、压 力等物理参数都是空间的连续函数。力等物理参数都是空间的连续函数。气体：被研究物体的几何尺度远大于分子间的气体：被研究物体的几何尺度远大于分子间的 平均自由行程，连续体的假定即成立。平均自由行程，连续体的假定即成立。微机电系统（微机电系统（MEMS）：由尺寸在）：由尺寸在1m到到1mm 之间的器件所组成的系统。之

4、间的器件所组成的系统。MEMS不能采用连续介质的假定不能采用连续介质的假定4. 4. 传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系(1) 热力学热力学 + 传热学传热学 = 热科学热科学 系统从一个平衡系统从一个平衡态到另一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递态的过程中传递热能的多少。热能的多少。 关心的是热能关心的是热能传递的过程，传递的过程，即热量传递的即热量传递的速率。速率。热力学：热力学： 传热学：传热学：tm)(),(fzyxt水，水，M2 20oC铁块铁块, M1 300oC传热学与热力学的区别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，即传热学以热力学第

5、一定律和第二定律为基础，即 始始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则则 始终是守恒的。始终是守恒的。 5. 5. 传热学的应用传热学的应用广泛应用广泛应用传统工业传统工业高新技术高新技术节能环保节能环保日常生活日常生活 5. 5. 传热学的应用传热学的应用节能环保节能环保建筑环境建筑环境大气环境大气环境 5. 5. 传热学的应用传热学的应用太阳能集热器太阳能集热器家用散热器家用散热器手套手套日日常常生生活活 5 5. . 传热学的应用传热学的应用航空航天航空航天高新技术高新技术电子器件电子器件医药卫生医药卫生 5. 5. 传

6、热学的应用传热学的应用能源动力能源动力传统工业传统工业石油化工石油化工制冷空调制冷空调 5. 5. 传热学的应用传热学的应用航空航天航空航天在航空航天领域，航天飞在航空航天领域，航天飞机表面材料要求绝热良好；机表面材料要求绝热良好；卫星上装有的太阳能吸收卫星上装有的太阳能吸收装置能提供卫星工作所需装置能提供卫星工作所需的部分能量。的部分能量。大大型型客客机机火火箭箭升升空空 5. 5. 传热学的应用传热学的应用建筑环境建筑环境建筑上，利用空气导热系数建筑上，利用空气导热系数小的特点，制成的空心砖具小的特点，制成的空心砖具有良好的保温效果。有良好的保温效果。空空心心砖砖实实心心砖砖室外环境仿真室

7、外环境仿真传热学广泛应用于激光手传热学广泛应用于激光手术、肿瘤高温治疗、低温术、肿瘤高温治疗、低温外科、移植器官冷冻储存、外科、移植器官冷冻储存、疾病热诊断等技术中疾病热诊断等技术中 医药卫生医药卫生 5. 5. 传热学的应用传热学的应用电脑内电脑内, ,必须加强必须加强诸多芯片的散热诸多芯片的散热电子器件电子器件芯片内空气流动换热示意图芯片内空气流动换热示意图 5. 5. 传热学的应用传热学的应用 5. 5. 传热学的应用传热学的应用是传热学最主要的应用领域是传热学最主要的应用领域能源与动力能源与动力发电厂的冷却塔发电厂的冷却塔核核聚聚变变装装置置300MW300MW的水的水- -氢冷发电组

8、氢冷发电组 5. 5. 传热学的应用传热学的应用化工厂内各种热交换装置化工厂内各种热交换装置炼油厂星罗棋布的热力管道炼油厂星罗棋布的热力管道石油开采现场石油开采现场 5. 5. 传热学的应用传热学的应用分体式空调分体式空调立式空调立式空调 在制冷空调中，大量的运用了在制冷空调中，大量的运用了散热片、换热器来达到热交换散热片、换热器来达到热交换的目的的目的制冷空调制冷空调天气环境天气环境温室效应温室效应环境科学家估计环境科学家估计: :如果全球大气平均温度如果全球大气平均温度升高升高5-65-6度，目前南北极地区的冰雪将融度，目前南北极地区的冰雪将融化，地球上绝大部分陆地将被淹没。化，地球上绝大

9、部分陆地将被淹没。大气中的二氧化碳含量增加近地表大气层起着大气中的二氧化碳含量增加近地表大气层起着温室玻璃的作用温室玻璃的作用, ,太阳光可以射到温室，但热量太阳光可以射到温室，但热量很难发射出去很难发射出去, ,这样使得地球的温度升高。这样使得地球的温度升高。 5. 5. 传热学的应用传热学的应用应用：应用： 5. 5. 传热学的应用传热学的应用强化传热强化传热削弱传热削弱传热温度控制温度控制6. 6. 传热过程的分类传热过程的分类传热过程传热过程稳态传热稳态传热非稳态传热非稳态传热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对流换热对流换热热辐射热辐射传热传热（温差（温差

10、能量传输）能量传输）导热导热换热器换热器(1)(1)定义：定义：(2)(2)物质的属性：物质的属性：(3)(3)导热的特点：导热的特点：1.1.导热导热在静态介质中，由温度梯度引起的热能传递在静态介质中，由温度梯度引起的热能传递可以在固体、液体、气体中发生。可以在固体、液体、气体中发生。v 必须有温差；必须有温差；v 物体直接接触；物体直接接触； v 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 而传递热能；而传递热能；v 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。1.1.导热导热(4)(4)导热的物理机制导热的物理机制

11、不同物质导热机制不同不同物质导热机制不同气体：气体：固体固体气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果导电体：导电体： 自由电子的运动自由电子的运动非导电体：非导电体： 晶格结构的振动晶格结构的振动弹性波弹性波液体：液体： 存在不同的观点存在不同的观点只只研研究究导导热热现现象象的的宏宏观观规规律律 1.1.导热导热(5)(5)傅里叶定律傅里叶定律通过平板的一维导热通过平板的一维导热18221822年，法国数学家年，法国数学家FourierFourier2mW ddxtAqW ddxtA热流密度热流密度,W/m,W/m2 2热流量热流量,W,W温度梯度温度梯度导热

12、系数，导热系数，W/( m.K)W/( m.K)面积面积,m,m2 2负号表示热流方向与负号表示热流方向与温度梯度方向相反温度梯度方向相反1.1.导热导热气体液体非金属固体金属(6)(6)导热系数：导热系数：v 属性：属性：表征材料导热能力的大小表征材料导热能力的大小是物性参数是物性参数与材料种类及温度有关与材料种类及温度有关v 符号：符号： v 单位：单位：W/( m.K)v 材料导热系数大小所遵循的规律：材料导热系数大小所遵循的规律：1.1.导热导热稳态稳态 q = const q = const210 dd21wwttttqtxqww通过平板的一维导热通过平板的一维导热(7)(7)一维稳

13、态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 210 dd21wwttttqtxqwwFourierFourier定律改写成：定律改写成：dtqdx两边积分：两边积分：1.1.导热导热(7)(7)一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 Q 1wt2wtA导热热阻图示导热热阻图示 v v 2.2.对流换热（对流换热（Convection）(2)(2)对流换热：对流换热：热对流：热对流：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。过程。 流体（气体或液体）中温度不同的各部分流体（气体或液体）中温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动之间，由于发生相对的宏观

14、运动而把热量而把热量由一处传递到另一处的现象。由一处传递到另一处的现象。v 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(3)(3)对流换热的特点：对流换热的特点：v 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v 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（4 4）对流换热的分类：）对流换热的分类： 2.2.对流换热（对流换热（Convection）凝结换热凝结换热流动起因流动起因 强迫对流强迫对流自然对流自然对流有无相变有无相变 无相变无相变有相变有相变沸腾换热沸腾换热2.2.对流换热（对流换热（Convec

15、tion）(4) (4) 牛顿冷却公式牛顿冷却公式 fwtthq热流密度热流密度,W/m,W/m2 2表面传热系数表面传热系数, ,W/W/（m m2 2.K).K)壁面温度壁面温度,流体温度，流体温度，qA 热流量热流量,W,W换热面积，换热面积，m m2 2对流换热示意图对流换热示意图2.2.对流换热（对流换热（Convection）当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1K 1K 时，单位时间时，单位时间 单位面积所传递的热量单位面积所传递的热量影响因素：影响因素：（Convection heat transfer coefficientConvection heat transfer

16、 coefficient） (5)(5)表面传热系数表面传热系数 ( (对流换热系数对流换热系数) )h v 流体物性流体物性v 流速流速v 换热表面的形状、大小与布置换热表面的形状、大小与布置pc、研研究究对对流流换换热热的的基基本本任任务务就就是是确确定定 h K)(mW2/wfhA tt 2.2.对流换热（对流换热（Convection）(6)(6)表面传热系数的大致范围表面传热系数的大致范围表面传热系数的数值范围表面传热系数的数值范围过程过程W/(mW/(m2 2.K).K)自然对流自然对流空气空气1 11010水水20020010001000强制对流强制对流气体气体202010010

17、0高压水蒸气高压水蒸气50050035003500水水100010001500015000水的相变水的相变换热换热沸腾沸腾250025003500035000蒸汽凝结蒸汽凝结5000500025000250003.3.热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiation)(1) (1) 定义：定义：(2) (2) 特点：特点：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象v 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0K0K，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v 可以在真空中传播可以在真空中

18、传播v 伴随能量形式的转变伴随能量形式的转变v 具有强烈的方向性具有强烈的方向性v 辐射能与温度和波长均有关辐射能与温度和波长均有关3.3.热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiation)(3) (3) 生活中的例子：生活中的例子：v 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v 冬天的夜晚，在有窗帘的屋子内会感到比没有窗冬天的夜晚，在有窗帘的屋子内会感到比没有窗 帘时要舒服帘时要舒服v 太阳能传递到地面太阳能传递到地面v 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以上以上3.3.热辐射热辐

19、射(Thermal radiation)(Thermal radiation)辐射换热示意图辐射换热示意图太阳能集热器示意图太阳能集热器示意图(4) (4) 辐射换热：辐射换热： 物体间靠热辐射进行的热量传递物体间靠热辐射进行的热量传递3.3.热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiation)v 不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量 v 伴随着能量形式的转换伴随着能量形式的转换 v 热力学能热力学能 电磁能电磁能 热力学能热力学能v 无论温度高低，物体都在不停地向外发射电磁波无论温度高低，物体都在不停地向外发射电

20、磁波, ,物体间能相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体物体间能相互辐射能量；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；总的的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热量由高温传到低温结果是热量由高温传到低温3.3.热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiation)(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，真实物热辐射的共性规律，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，通过实验获得体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实

21、验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律修正系数，从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，黑体的吸收能力最强此，相同温度下，黑体的吸收能力最强 ， 黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann Stefan-Boltzmann 定律定律 4TA实际物体则为：实际物体则为： （9 9） 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 )(4241TTA3.3.热辐射热辐射(Thermal r

22、adiation)(Thermal radiation)4TA4Tq黑体：黑体： 两黑表面间的辐两黑表面间的辐射换热射换热 42T1T2T41T3.3.热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiation)（1010）空腔与内包小物体间的辐射换热空腔与内包小物体间的辐射换热 441112()ATT 表面积为表面积为 、表面温度、表面温度为为 、发射率为、发射率为 的物体的物体被包容在一个很大的表面被包容在一个很大的表面温度为温度为 的空腔内的空腔内1A1T12T例题例题1.1 1.1 v 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

23、径d=583mm，外表面实测平均温度及空气温度分别，外表面实测平均温度及空气温度分别为为 ，此时空气与管道外表面间，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的自然对流换热的表面传热系数h=3.42W /(m2 K), 保温层外表面的发射率保温层外表面的发射率 。CtCtfw23,489 . 0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。 量为：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。）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

24、长度上的散热量记为）把管道每米长度上的散热量记为 。lq)(,fwclttdhthdq)/( 5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW近似地取墙壁的表面温度为室内空气温度，近似地取墙壁的表面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,TTdqrl)/(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对于表面温度为几到几十摄氏度的一类表面的散热问题，度的一类表面的散热问

25、题， 自然对流散热量与辐射具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。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 定义：定义：热量由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。 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 传热过程的剖析传热过程的剖析11

26、1fwh A tt w1t 2wt f11th， f22th， 12wwAtt 222wfh A tt 121211ffA tthh 12ffkA ttkA t （1 1） 传热过程的计算：传热过程的计算： 传热系数，传热系数， KmW2传热方程式传热方程式 （2 2） 传热系数：传热系数： 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 是指用来表征传热过程强烈程度的指标，不是指用来表征传热过程强烈程度的指标，不是物性参数，与过程有关。是物性参数，与过程有关。 传热系数的表达式：传热系数的表达式： 12111khh12111khh 1ft 1wt 2wt 2ft 11h A

27、 21h A A 传热过程的热阻分析传热过程的热阻分析 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 , ,hhh h1 1、h h2 2的计算方法及增加的计算方法及增加k k值的措施是本课程值的措施是本课程 的重要的重要内容内容（3）注意：）注意： 非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（3）传热系数的大致数值范围传热系数的大致数值范围传热系数的大致数值范围传热系数的大致数值范围过程过程 W/(m W/(m2 2.K).K)从气体到气体（常压）从气体到气体（常压）10103030从气体

28、到高压水蒸气或水从气体到高压水蒸气或水1010100100从油到水从油到水100100600600从凝结有机物到水从凝结有机物到水50050010001000从水到水从水到水1000100025002500从凝结水蒸气到水从凝结水蒸气到水2000200060006000本章小结本章小结 (1) 导热导热 Fourier 定律：定律：xtAddtAh4TA(2) 对流换热对流换热 Newton 冷却公式：冷却公式：(3) 热辐射热辐射 Stenfan-Boltzmann 定律：定律：(4) 传热过程传热过程 传热方程：传热方程：kA t 用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用用一只手握住盛有热水

29、的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手会显著地感筷子快速搅拌热水，握杯子的手会显著地感到热。试分析其原因。到热。试分析其原因。 思考题思考题 用一只手握住盛有热水的杯子，手所感受到的是杯用一只手握住盛有热水的杯子，手所感受到的是杯子外壁面的温度。不搅拌时，杯中的水与杯子间为子外壁面的温度。不搅拌时，杯中的水与杯子间为自然对流传热，这种情况下的对流传热系数相对较自然对流传热，这种情况下的对流传热系数相对较小，杯子外壁面的温度相对较低；当另一只手用筷小，杯子外壁面的温度相对较低；当另一只手用筷子快速搅拌热水，水在杯中随着搅拌而旋转，水与子快速搅拌热水，水在杯中随着搅拌而旋转，水与杯子间的换

30、热为强制对流换热，对流传热系数增大，杯子间的换热为强制对流换热，对流传热系数增大，水与杯子间的换热量增加，杯子外壁面的温度升高，水与杯子间的换热量增加，杯子外壁面的温度升高，因此握杯子的手会显著地感到热。因此握杯子的手会显著地感到热。 习题习题 习题习题1-4附图附图 热面位热面位置不同对换热的影响置不同对换热的影响1-4.对于附图所示的对于附图所示的两种水平夹层，试分两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？交换的方式有何不同？如果要通过实验来测如果要通过实验来测定夹层中流体的导热定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种系数，应采用哪一种布置？布置？ 习题习题 1

31、-4.对于附图所示的对于附图所示的两种水平夹层，试分两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？交换的方式有何不同？如果要通过实验来测如果要通过实验来测定夹层中流体的导热定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种系数，应采用哪一种布置？布置？ 习题习题 1-5.一个内部发热的圆球悬挂于室内一个内部发热的圆球悬挂于室内, ,对于附图对于附图所示的三种情况所示的三种情况, ,试分析试分析,(1),(1)圆球表面热量散失圆球表面热量散失的方式的方式;(2);(2)圆球表面与空气之间的热交换方式圆球表面与空气之间的热交换方式。 习题习题1-5附图附图 热圆球的三种冷却方式热圆球

32、的三种冷却方式习题习题 1-5.一个内部发热的圆球悬挂于室内一个内部发热的圆球悬挂于室内, ,对于附图对于附图所示的三种情况所示的三种情况, ,试分析试分析,(1),(1)圆球表面热量散失圆球表面热量散失的方式的方式;(2);(2)圆球表面与空气之间的热交换方式圆球表面与空气之间的热交换方式。 习题习题 1-15.用均匀地绕在圆管用均匀地绕在圆管外表面上的电阻带作加热外表面上的电阻带作加热元件元件, ,以以进行管内流体对流进行管内流体对流换热的试验，如附图所示。换热的试验，如附图所示。用功率表测得外表面加热用功率表测得外表面加热的热流密度为的热流密度为3500Wm2；用热电偶测得某一截；用热电偶测得某一截面