传热学1单元学习教案

1、会计学1传热学传热学1单元单元(dnyun)第一页，共49页。1. 1. 传热学（传热学（Heat TransferHeat Transfer）研究热量研究热量(rling)(rling)传递的规律以及控传递的规律以及控制和优化热量制和优化热量(rling)(rling)传递过程的传递过程的方法。方法。 1-1 传热学及其研究(ynji)内容第1页/共49页第二页，共49页。热量传递规律主要(zhyo)指单位时间内所传递的热量与物体中相应的温度差之间的关系。反映这种规律的第一层次的关系式称为热量传递(chund)的速率方程；更深层次的研究是要找出物体中各点的温度分布第2页/共49页第三页，共4

2、9页。据统计，目前通过热能形式被利用的能量在我国占总能源(nngyun)利用的90%以上，世界其他各国平均也超过85%。热量即传递过程(guchng)中的热能。第3页/共49页第四页，共49页。热 能电 能机 械 能 风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源(y c nn yun)(天然存在)二次能源(r c nn yun) 光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换直接利用利用一切热能利用过程都离不开传热。第4页/共49页第五页，共49页。热机(rj) 高温(gown)热源 低温(dwn)热源 Q1Q2W热能利用率和传热过程密切相关。第5页/共49页第六页，共49

3、页。2 2 传热学学科传热学学科(xuk)(xuk)的建立的建立n17841784年，英国人瓦特发明蒸汽年，英国人瓦特发明蒸汽机实现了热能向机械能的能量机实现了热能向机械能的能量转换，开创了热能间接利用的转换，开创了热能间接利用的新纪元，导致第一次工业革命新纪元，导致第一次工业革命n相继出现内燃机、燃气轮机、相继出现内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机从而出现了汽车、飞蒸汽轮机从而出现了汽车、飞机、大型火力发电设备。机、大型火力发电设备。n随着热能与机械能转换理论研随着热能与机械能转换理论研究的深入，各种制冷设备相继究的深入，各种制冷设备相继出现和完善出现和完善n人们人们(rn men)(rn men)

4、对热的本质、对热的本质、热能与机械能转换基本规律及热能与机械能转换基本规律及工质热力性质的深入研究和探工质热力性质的深入研究和探讨导致了涉及热能间接利用的讨导致了涉及热能间接利用的工程热力学的出现、发展、完工程热力学的出现、发展、完善。善。第6页/共49页第七页，共49页。上述问题都迫切要对热量传递的基本规律进行深入研究，以便有效(yuxio)利用热能和提高设备经济性、可靠性.这导致了传热学的出现和发展。n在人们探讨提高热机功率和效率在人们探讨提高热机功率和效率的研究中，发现阻碍其提高的原因的研究中，发现阻碍其提高的原因之一是：传热过程引起的热损失或之一是：传热过程引起的热损失或传热效果不良。

5、传热效果不良。n工程技术的其他领域也广泛存在工程技术的其他领域也广泛存在热量热量(rling)(rling)传递引起的问题：传递引起的问题：强化强化/ /削弱传热，对热量削弱传热，对热量(rling)(rling)传递传递/ /温度进行控制。温度进行控制。第7页/共49页第八页，共49页。3 3 传热学与热力学的关系传热学与热力学的关系(gun (gun x)x)热力学传热学热工课程(kchng)热力学研究平衡状态，无温差、压差(y ch)； 传热学则是温差传热。热力学研究热量在一段时间内总的交换量（J）；传热学着重于单位时间的换热量（W）。热力学第一第二定律是进行传热学研究的基础。第8页/共

6、49页第九页，共49页。4 4 传热学在生产技术传热学在生产技术(jsh)(jsh)领域中广泛领域中广泛应用应用传统工业传统工业能源动力：发电厂冷却塔、发电机能源动力：发电厂冷却塔、发电机组组石油化工：换热器、热力管道石油化工：换热器、热力管道制冷空调：散热片、换热器制冷空调：散热片、换热器高新技术高新技术航空航天：航天飞机表面材料要求航空航天：航天飞机表面材料要求绝热良好绝热良好(lingho)(lingho)，飞机机，飞机机翼防冰翼防冰电子器件：电脑芯片散热电子器件：电脑芯片散热医药卫生：组织与器官的冷冻保存医药卫生：组织与器官的冷冻保存第9页/共49页第十页，共49页。n节能节能(ji

7、nn(ji nn) )环保环保n建筑环境：空心转、节能建筑环境：空心转、节能(ji nn(ji nn) )建筑建筑n天气环境天气环境n日常生活日常生活n太阳能集热器太阳能集热器n家用散热器家用散热器n房间房间/ /汽车内环境模拟汽车内环境模拟第10页/共49页第十一页，共49页。传热传热(chun r)(chun r)工程问题工程问题的类型：的类型：n强化传热强化传热n 例如例如(lr)(lr)：暖气片：暖气片n削弱传热削弱传热n 例如例如(lr)(lr)：液氮、液氧低温容器：液氮、液氧低温容器n温度控制温度控制n 例如例如(lr)(lr)：电子器件冷却、航天：电子器件冷却、航天器器第11页/

8、共49页第十二页，共49页。掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分析(fnx)计算和实验研究方法，为后续专业课及研究生课程的学习，为今后研究、处理、解决实际的传热工 程问题奠定必要的技术理论基础。5 传热学课程学习(xux)的主要目的第12页/共49页第十三页，共49页。6 6 传热学研究传热学研究(ynji)(ynji)方法方法n实验研究方法实验研究方法n理论研究方法理论研究方法n数学分析法：导热问题数学分析法：导热问题n积分近似解法：层流对流积分近似解法：层流对流n比拟比拟(bn)法：湍流对流法：湍流对流n数值模拟：导热、对流、辐射、数值模拟：导热、对流、辐射、总传热过程总传热过程导热(d

9、or)系数、对流换热关联式第13页/共49页第十四页，共49页。1-2热量(rling)传递的三种基本方式热传导(导热(dor)热对流(对流)热辐射第14页/共49页第十五页，共49页。热传导热传导( (heat conduction) )1定义：物体(wt)各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而产生的热量传递。2特点：物质的属性，可以在固体、液体、气体中发生物体(wt)之间无相对位移；物体(wt)间必须相互接触；没有能量形式的转化；第15页/共49页第十六页，共49页。傅里叶定律傅里叶定律(dngl)(dngl)d dtAx d dtqAx ：热流量，单位时间

10、通过给定面积的热量Wq：热流密度，单位时间通过单位面积的热量W/m2A：垂直于导热方向(fngxing)的截面积m2负号：代表热量传递方向(fngxing)与温度升高方向(fngxing)相反第16页/共49页第十七页，共49页。第17页/共49页第十八页，共49页。表征(bio zhn)材料导热性能优劣物性参数，与材料种类和温度有关。大小由实验测定。金属非金属固体液体气体导热(dor)系数d dtAx d dtqAx -导热系数(xsh) 单位：W/( mK)例题1-1第18页/共49页第十九页，共49页。例例 题题 1-11-1ddtqx qdxdt 已知：平板厚度，两侧壁温tw1、tw2

11、，导热系数求：不同(b tn)时热流密度210wwttqdxdt 第19页/共49页第二十页，共49页。例 题 1-112wwttq（为常数(chngsh)时一维稳态导热）铜：6212300 1003751.5 10 W m0.05wwttq3212300 1002.329.28 10 W m0.05wwttq铬砖：2212300 1000.2429.68 10 W m0.05wwttq硅藻土砖：5212300 10036.41.46 10 W m0.05wwttq钢：第20页/共49页第二十一页，共49页。例例 题题 1-11-1讨论：由计算可见， 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，导致在

12、相同的条件下通过铜板(tngbn)的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。 因而，铜是热的良导体，而硅藻土砖则起到一定的隔热作用。第21页/共49页第二十二页，共49页。热对流(heat convection)1 对流：由于流体(lit)的宏观运动，从而流体(lit)各部分之间发生相对位移、冷热流体(lit)相互掺混而引起的热量传递过程。 对流换热：流体流过物体表面时的热量传递过程第22页/共49页第二十三页，共49页。对流对流(duli)换热的分类换热的分类无相变对流换热强制对流换热 流动靠泵、风机等驱动自然(zrn)对流换热 流体各部分的密度不同 有相变对流换热沸腾换热 液体在热表面上

13、沸腾凝结换热 蒸气在冷表面上凝结第23页/共49页第二十四页，共49页。对流换热的计算牛顿冷却(lngqu)公式 =wfhA tthA t =wfqAh tth tK)(mW2A2m 与流体接触的壁面面积wt C 固体壁表面温度ft 流体温度 C第24页/共49页第二十五页，共49页。对流(duli)换热系数(表面换热系数)h（convection heat transfer coefficient）)( fwttAhK)(mW2定义(dngy)式：过程量研究对流换热的基本任务：第25页/共49页第二十六页，共49页。表表1-11-1表面传热系数的数值表面传热系数的数值(shz)(shz)范围

14、范围h水h空气，h强制(qingzh)h自然， h相变h无相变第26页/共49页第二十七页，共49页。热辐射（thermal radiation）第27页/共49页第二十八页，共49页。2 生活中的例子： a 当你靠近火的时候，会感到(gndo)面向火的一面比背面热； b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到(gndo)比没有窗帘时要舒服； c 北方，深秋或初冬季节清晨，树叶总是朝向天空的一侧结霜。热辐射（Thermal radiation）第28页/共49页第二十九页，共49页。辐射(fsh)换热特点不需要直接(zhji)接触，热辐射可在真空中传递；有能量形式的转化： 热能 辐射能 热能温度

15、高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射 辐射无时无处不在第29页/共49页第三十页，共49页。辐射(fsh)换热的计算研究方法：假设一种(y zhn)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。黑体：能吸收投入(tur)到其表面上的所有热辐射能的物体第30页/共49页第三十一页，共49页。辐射热的计算(j sun)黑体的辐射热量：4A T 4qT真实(zhnsh)物体：4AT T热力学温度，KA辐射表面积，m2黑体辐射常数，5.6710-8 W/(m2K4)物体的发射率，1 指的是物体向外辐射

16、的热流量注第31页/共49页第三十二页，共49页。 例如：两块非常(fichng)接近的平行黑体表面间的辐射换热辐射(fsh)换热的计算收支总帐：投到物体上的辐射(fsh)热量的吸收过程 及物体自身向外辐射(fsh)的热量441212()qTT 42T1T2T41T21TT 第32页/共49页第三十三页，共49页。441112()ATT 第33页/共49页第三十四页，共49页。传热(chun r)的三种方式模拟第34页/共49页第三十五页，共49页。2008-8-24?第35页/共49页第三十六页，共49页。2008-8-24第36页/共49页第三十七页，共49页。热传导、热对流和热辐射三种热

17、量传递基本方式往往不是单独出现的；分析传热问题时首先应该弄清有哪些(nxi)传热方式在起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算；如果某一种传热方式与其他传热方式相比较作用非常小，往往可以忽略。注意(zh y)：第37页/共49页第三十八页，共49页。1-3 传热(chun r)过程和传热(chun r)系数辐射(fsh)换热对流换热热传导 墙壁的散热热量由壁面一侧的流体(lit)通过壁面传到另一侧流体(lit)中去的过程。传热过程：传热过程包括串联的三个环节：第38页/共49页第三十九页，共49页。传热过程(guchng)计算：一维平壁稳态传热(chun r)过程)(111wfttAh)

18、(222fwttAh)(21wwttA111AhttwfAttww21222Ahttfw212111)(hhttAff三个环节(hunji)热流量相等第39页/共49页第四十页，共49页。传热系数传热系数12()ffAtttkAk 令12111khh称为(chn wi)传热系数，w/m2k1212()11ffA tthh k是表征传热过程强烈程度的标尺，与过程有关，不是物性参数注 复合(fh)换热表面传热系数第40页/共49页第四十一页，共49页。h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程(kchng)的重要内容传热系数12111khhkAt 第41页/共49页第四十二页，共49页。热阻热阻1tAAk tk 21111hhk21111hhk21111AhAAhAk类比(lib)IRU称为传热过程热阻Ak1称为对流换热热阻Ah1称为导热热阻A第42页/共49页第四十三页，共49页。一维稳态传热过程(guchng)的热阻分析左侧对流换热热阻111AhRh右侧对流换热热阻111AhRh固体的导热热阻AR 第43页/共49页第四十四页，共49页。传热(chun r)过程传递的热量为：12121212 11ffhhffttRRRttAhAAh12111khh 传热系数为：第44页/共49页第四十五页，共49