工程传热学第一章-绪论.

1、工程传热学工程传热学教材及参考书教材及参考书 教材教材工程传热学工程传热学许国良等编著，中国电力出版社许国良等编著，中国电力出版社 参考书参考书传热学传热学 章熙民等编著章熙民等编著 第五版第五版传热学传热学杨世铭杨世铭 陶文铨陶文铨 第三版第三版第一章第一章 绪论绪论 1-1 工程传热学概述工程传热学概述 1-2 热量传递的基本方式热量传递的基本方式 1-3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数 9全球温升预测全球温升预测10IKAROS House（德国）（德国）11Chuckanut Ridge House（华盛顿）12自然之屋（俄罗斯）自然之屋（俄罗斯）13Ecomo（皮埃特罗拉索）1

2、4HomeforLife（丹麦）15Hover House（加州洛杉矶）16Crooked House（瑞士）17Robles Arquitectos（哥斯达加）18Fincube（意大利）19Casa No Gere（葡萄牙）20国际新能源市场光热馆国际新能源市场光热馆21世博中国馆世博中国馆22德州太阳谷微排大厦德州太阳谷微排大厦23杭州低碳科技馆杭州低碳科技馆24清华大学节能楼清华大学节能楼(1)泰坦尼克号中，为什么在水里的泰坦尼克号中，为什么在水里的Jack冻死了，而在木板上的冻死了，而在木板上的Rose幸存幸存(2)人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持人体为恒温体。若房

3、间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为度，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？什么？(3) 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如北方寒冷地区，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？何解释其道理？越厚越好？(4) 深秋晴朗无风的夜晚，气温高于深秋晴朗无风的夜晚，气温高于0，清晨看到草地上披上，清晨看到草地上披上一身白霜，但如果阴天或有风，在同样气温下草地却不会出现一身白霜，但如果阴天或有风，在同样气温下草地却不会出现白霜，这是为什么？白霜，这是为什么？(5)最近网上出现一种喝水最近网上出现

4、一种喝水“神器神器”，叫，叫55杯。把开水倒进杯。把开水倒进杯子，摇晃了杯子，摇晃了10多秒，水温就能变成多秒，水温就能变成55；喝光杯子里的水，；喝光杯子里的水，再注入冷水，摇一摇，水温又上升到再注入冷水，摇一摇，水温又上升到55。这种杯子究竟靠不。这种杯子究竟靠不靠谱？靠谱？(6) 暖水瓶的瓶胆是怎么回事？暖水瓶的瓶胆是怎么回事？1-1 工程传热学概述工程传热学概述1.1.工程传热学概念工程传热学概念研究研究工程应用工程应用中中热量传递规律热量传递规律的科学的科学热量可以热量可以自发地自发地由由高温高温热源传给热源传给低温低温热源热源热量传递的动力热量传递的动力温差温差传热传热普遍普遍存在

5、存在(1) 稳态稳态传热过程传热过程(定常过程定常过程)温度温度不随不随时间变化时间变化(2) 非稳态非稳态传热过程传热过程 (非定常过程非定常过程)温度温度随随时间变化时间变化2.2.热量传递过程热量传递过程 各种热力设备在各种热力设备在持续不变的工况下运持续不变的工况下运行时的热传递过程行时的热传递过程属稳态传热过程；而属稳态传热过程；而在在启动、停机、工况改变时启动、停机、工况改变时的传热过程的传热过程则属非稳态传热过程。则属非稳态传热过程。1-2 热量传递的基本方式热量传递的基本方式热量传递基本方式：热量传递基本方式：热传导、热对流、热传导、热对流、热辐射热辐射1.1.热传导（导热）热

6、传导（导热）热传导简称导热，是热传导简称导热，是物体内部物体内部或或相相互接触的物体表面互接触的物体表面之间，由于之间，由于分子、分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。而产生的热量传递现象。热传导的发生热传导的发生不不需要物体各部分之需要物体各部分之间有间有宏观的相对位移宏观的相对位移。导热的特点：导热的特点：必须有温差；必须有温差；物体直接接触；物体直接接触；依靠分子、原子及自由电子等微观依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；粒子热运动而传递热量；不发生宏观的相对位移。不发生宏观的相对位移。导热机理：导热机理： 气体气体:

7、:气体分子不规则运动时相互碰气体分子不规则运动时相互碰撞的结果撞的结果 导电固体：自由电子运动导电固体：自由电子运动 非导电固体：晶格结构振动非导电固体：晶格结构振动 液体：兼有气体和固体导热的机理液体：兼有气体和固体导热的机理qA傅里叶定律：傅里叶定律： ：热流量，单位时间传递的热量：热流量，单位时间传递的热量W；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量热量W/ m2 ；A：垂直于导热方向的截面积：垂直于导热方向的截面积m2； ：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）W/( m K)。1822年，法国数学家年，法国数学家Fourier：tx 当物体内

8、部存在当物体内部存在温度梯度温度梯度时，能量时，能量就会通过就会通过热传导热传导从从温度高的区域温度高的区域传递传递到到温度低的区域温度低的区域。负号表示热量传递的方向与温度升负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。高的方向相反。1t2t12tt 12tt 大平板稳态导热，由于是一大平板稳态导热，由于是一维问题，且维问题，且 和和q q为常量，为常量，故故 积分傅立叶定积分傅立叶定律：律： 210dd ttqxt tqAx 12AtttqRRtAtt21/txdt dx t1t2 12ttqrtttq21RtAtt21温 压热 流 量热 阻这里有必要引入这里有必要引入热阻热阻的概念。热量传

9、递的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移是自然界中的一种转移过程。各种转移过程有一个共同规律，就是：过程有一个共同规律，就是：过程的动力过程中的转移量过程的阻力AR 导热热阻导热热阻AR面积热阻面积热阻2.2.热对流热对流若流体有宏观的运动，且内部存在若流体有宏观的运动，且内部存在温差温差，则由于流体各部分之间发生，则由于流体各部分之间发生相相对位移对位移，冷热流体相互掺混而产生的，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热量传递现象称为热对流热对流。流体中有流体中有温差温差热对流热对流必然同时必然同时伴随着伴随着热传导热传导，自然界不存在单一自然界不存在单一的热对流的热对流。在日

10、常生活及工程实践中，人们在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的是流体流过一个温度不遇到更多的是流体流过一个温度不同的物体表面时引起的热量传递，同的物体表面时引起的热量传递，这种情况称为这种情况称为对流换热对流换热。对对流流换换热热流动原因流动原因强制对流换热强制对流换热自然对流换热自然对流换热是否相变是否相变有相变的有相变的对流换热对流换热无相变的无相变的对流换热对流换热当实际流体流过物体表面时，由于当实际流体流过物体表面时，由于粘粘性作用性作用，紧贴物体表面的流体是静止的，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只能依热量传递只能依导热导热的方式进行；离开的方式进行；离开物体表面，流体有宏观运动

11、，物体表面，流体有宏观运动，热对流热对流方方式将发生作用。所以，对流换热是式将发生作用。所以，对流换热是热对热对流流和和导热导热两种基本传热方式共同作用的两种基本传热方式共同作用的结果。结果。卡曼漩涡卡曼漩涡对流换热特点：对流换热特点：不是基本传热方式，不是基本传热方式，导热导热与与热对流热对流同同时存在；时存在；必须有必须有直接接触直接接触（流体与壁面）和（流体与壁面）和宏宏观运动观运动；也必须有温差。也必须有温差。课前复习课前复习1.1.什么是工程传热学？什么是工程传热学？2.2.热量传递的基本方式。热量传递的基本方式。3.3.傅里叶定律。傅里叶定律。4.4.试分析对流换热与热对流的区别。

12、试分析对流换热与热对流的区别。对流换热公式对流换热公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式utftwA 热流量W，单位时间传递的热量h 表面传热系数2mA 与流体接触的壁面面积Cwt 固体壁表面温度Cft 流体温度f() WwhA tt2mW )( fwtthAq2W (m)K传热过程传热过程h (W/m2 .K)自然对流自然对流 空气空气 水水强制对流强制对流 空气空气 水水 高压水蒸气高压水蒸气相变传热相变传热 水沸腾水沸腾 水蒸气凝结水蒸气凝结1 - 10200 - 100010 - 1001,000 - 15,0001,000 - 15,0002,500 - 35,0005,000 - 25,00

13、0影响影响h因素：因素： 流体的物性流体的物性 导热系数、粘度、密度、导热系数、粘度、密度、比热容等比热容等 流动的形态流动的形态 层流、紊流层流、紊流 流动的成因流动的成因 自然对流或强制对流自然对流或强制对流 物体表面的形状、尺寸物体表面的形状、尺寸 换热时有无相变换热时有无相变 沸腾或凝结等沸腾或凝结等h是表征是表征对流换热过程强弱对流换热过程强弱的物理量。的物理量。对流热阻对流热阻 1 ()htthAR1 () hRhAK W对流热阻对流热阻特点：特点： 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，就会不停地向周围空间发出热辐射；地向周围空间发出热辐射； 可以在真空

14、中传播；可以在真空中传播； 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；内能内能 辐射能辐射能 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.热辐射热辐射由于由于热的原因热的原因而发出辐射能的现象而发出辐射能的现象称为热辐射。称为热辐射。斯蒂芬斯蒂芬- -玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律24mW TEb 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 )K(mW105.6742-8 K黑体：能黑体：能全部吸收全部吸收投射到其表面辐投射到其表面辐射能的物体，或称绝对黑体。射能的物体，或称绝对黑体

15、。黑体的黑体的辐射能力辐射能力与与吸收能力吸收能力最强。最强。实际物体辐射能力：实际物体辐射能力：低于同温度黑体低于同温度黑体24mW TE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；与与物体的种类物体的种类、表面状况表面状况和和温度温度有关。有关。 特殊情况下的两表面辐射换热特殊情况下的两表面辐射换热441112 ATT 例例1-1 有三块分别由纯铜、碳钢和硅藻有三块分别由纯铜、碳钢和硅藻土砖制成的大平板，它们的厚度都为土砖制成的大平板，它们的厚度都为=50mm，两侧表面的温差都维持为，两侧表面的温差都维持为t=tw1-tw2=100不变，试求通过每块不变，试求通过每块

16、平板的导热热流密度。纯铜、碳钢和硅平板的导热热流密度。纯铜、碳钢和硅藻 土 砖 的 导 热 系 数 分 别 为藻 土 砖 的 导 热 系 数 分 别 为1=398W/(mK)， 2=40W/(mK)， 3=0.242W/(mK)。解：解：这是通过大平壁的一维稳态导热问题，这是通过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板，热流密度为对于纯铜板，热流密度为对于碳钢板，有对于碳钢板，有对于硅藻土砖，有对于硅藻土砖，有由计算可知，由于几种材料的导热系数各部由计算可知，由于几种材料的导热系数各部相同，即使在相同的条件下，通过它们的热相同，即使在相同的条件下，通过它们的热流密度也是不相同的。通过纯铜的热流密度

17、流密度也是不相同的。通过纯铜的热流密度大约是通过硅藻土砖的热流密度的大约是通过硅藻土砖的热流密度的2000倍。倍。5122111003987.96 100.05wwttWqm512222100400.8 100.05wwttWqm2122321000.2424.84 100.05wwttWqm例例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A=2.5m2，表面温度，表面温度tw=50，和温，和温度为度为20的室内空气之间自然对流的室内空气之间自然对流换 热 的 表 面 传 热 系 数 为换 热 的 表 面 传 热 系 数 为 h = 5 . 5 W/(m2K)。试计算该暖气片的对流

18、。试计算该暖气片的对流散热量。散热量。解解：暖气片和室内空气之间是稳态的自：暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，根据牛顿冷却公式得然对流换热，根据牛顿冷却公式得故该暖气片的对流散热量为故该暖气片的对流散热量为412.5W()2.5 5.5 (5020)412.5wfAh ttW 例例1-3 若若例例1-2中暖气片的发射率为中暖气片的发射率为1=0.8，室内墙壁温度为，室内墙壁温度为20，试计算，试计算该暖气片和室内墙壁的辐射换热量。该暖气片和室内墙壁的辐射换热量。解解：由于墙壁面积比暖气片大得多，：由于墙壁面积比暖气片大得多，因此墙和暖气片之间的辐射换热量因此墙和暖气片之间的辐射换热量为

19、为故该暖气片室内的对流散热量和辐故该暖气片室内的对流散热量和辐射散热量大致相当。射散热量大致相当。441112844()0.8 2.5 5.67 10(323293 )398.5WATT 保温瓶散热过程保温瓶散热过程人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持和冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在度，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？房间里所穿的衣服能否一样？为什么？夏季夏季3020热辐射热辐射 冬季冬季 0泰坦尼克号中，为什么在水里的泰坦尼克号中，为什么在水里的Jack冻死了，而在木板上的冻死了，而在木板上的Rose幸存？

20、幸存？这属于对流换热的范畴，空气的对流这属于对流换热的范畴，空气的对流换热系数小于水里的对流换热系数，因换热系数小于水里的对流换热系数，因此，此，Jack与水的换热量要大于与水的换热量要大于Rose与空与空气的换热量。气的换热量。f() WwhA tt1-3 传热过程与传热系数传热过程与传热系数热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程。热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程。1.1.传热过程传热过程 热量以热量以对流换热对流换热的方式从高温流体传给固体壁面；的方式从高温流体传给固体壁面； 热量以热量以导热导热的方式从高温流体侧壁面传递到低温流体侧壁面；的方式从高温流体侧壁面传递到低温流体侧壁面； 热量以热量以对流换热对流换热的方式从低温流体侧壁面传给低温流体。的方式从低温流体侧壁面传给低温流体。tkAk为传热系数，为传热系数，W/(m2)，是一个表征传热过程强烈程度的物，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。理量。热流体到壁面一的热流体到壁面一的对流换热对流换热：111()fwAh tt 12()/wwAtt 222()wfAh tt 2.2.传热系数的计算传热系数的计算从壁面一到壁面二的从壁面