传热学课件1资料

1、传 热 学Heat Transfer主讲(zhjing)：吴巧媚循环经济与低碳经济系7/24/20221共九十九页E-mail: 1138472384Tel:180240458507/24/20222共九十九页传热学（第四版）张天孙 卢改林编著(binzh)传热学杨世铭 陶文铨 第三版Heat TransferJ.P.Holman 8th edition数值(shz)传热学陶文铨 第二版参考书教 材7/24/20223共九十九页第一章 绪 论1-1 传热学概述1-2 热量传递(chund)的基本方式1-3 传热过程与热阻7/24/20224共九十九页1-1 传热学概述(i sh)1 传热学的概

2、念(ginin)是研究有温差存在情况下的热量传递规律的一门科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法7/24/20225共九十九页为什么学传热学自然界温差(wnch)无处不在，无时不有 日常生活 传统(chuntng)工业 高新技术7/24/20226共九十九页7/24/20227共九十九页开水(kishu)中取蛋 从开水里刚取出的蛋有湿气，水分一面从蛋的表面蒸发，一面冷却鸡蛋，因此不觉得(ju de)烫手。但这只是发生在鸡蛋表面由湿到完全干的一瞬间，若蛋壳表面的水份一干，立刻就能感到蛋的高温。 7/24/20228共九十九页想一想要是剃光了头发，在冬天时头顶有什么特殊的感觉呢？

3、冬天将衣服拉的更紧是什么作用呢？当穿著厚厚的皮衣時，为何(wih)身上会觉得越来越暖和呢？这些热能是那来的呢？为何人们在热天运动特別容易流汗呢？保温瓶內 光滑的镜面是什么作用呢？为什么冬天鼻子、耳朵、手指最容易冻呢？7/24/20229共九十九页动物(dngw)的大衣7/24/202210共九十九页可怜(klin)的冷血动物 7/24/202211共九十九页传统(chuntng)工业7/24/202212共九十九页7/24/202213共九十九页7/24/202214共九十九页7/24/202215共九十九页高新技术(o xn j sh)7/24/202216共九十九页7/24/202217共

4、九十九页7/24/202218共九十九页7/24/202219共九十九页7/24/202220共九十九页火电厂中的热传递(chund)现象燃烧系统：加热水使之变为蒸汽化学能 热能汽水系统：蒸汽推动汽轮机转子旋转热能 机械能电气系统：汽轮机的旋转带动发电机的旋转机械能 电能1、能量的转换过程(guchng)：化学能热能机械能电能7/24/202221共九十九页燃烧(rnsho)系统汽水(qshu)系统电气系统7/24/202222共九十九页化学能热能(rnng)7/24/202223共九十九页热能(rnng)机械能7/24/202224共九十九页机械能电能(dinnng)7/24/202225共

5、九十九页传热学的重要(zhngyo)地位传热学是能源、动力、化工、机械、电子(dinz)、土木等学科的主干技术基础课传热学与流体力学、工程热力学并称能源动力类专业的三大支柱7/24/202226共九十九页在生产实践和科学研究中遇到传热问题(wnt)的两种类型:一是力求(lqi)增强热量的传递二是力求消弱热量的传递了解热量传递的规律，掌握传热的分析和计算方法，解决上述两种问题传热学这门课程的任务:7/24/202227共九十九页思考(sko)火力发电厂主要换热环节有哪些？热量(rling)传递有什么方式？能否列举每种方式的例子何为导热系数？简述其物理意义发电机是如何发出电能的？7/24/2022

6、28共九十九页2 传热学的基本(jbn)任务 求解(qi ji)温度分布 计算热量传递的速率 热力学 + 传热学=热科学(Thermal Science) 系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。 关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。水，M220oC铁块, M1300oC热力学：tm , Q 传热学7/24/202229共九十九页大规模太阳能热气流(qli)综合发电发电原理：通过(tnggu)温室效应和烟囱抽力形成热气流驱动透平发电组发电7/24/202230共九十九页热力学研究：热力学循环和能量(nngling)转换效率1234透平能量损失烟囱能量损失透平温降（压降）烟囱

7、温降（压降）动能损失太阳能烟囱电站空气循环温熵图TS太阳能热气流能机械能电 能7/24/202231共九十九页传热学研究：系统(xtng)内的温度、压力和速度场7/24/202232共九十九页7/24/202233共九十九页7/24/202234共九十九页7/24/202235共九十九页传热学以热力学第一(dy)定律和第二定律为基础，即热量始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转换，则热量始终是守恒的。7/24/202236共九十九页实验(shyn)解法分析解法数值解法比拟解法3 传热学研究(ynji)方法7/24/202237共九十九页实验(shyn)解法7/24/202238共九

8、十九页分析(fnx)解法步骤(bzhu): 1)进行合理的物理假设 2)建立所研究物理问题的数学描写 3)用理论推导的方法获得问题的解析解应用: 1)检验其他解法(如数值解)的正确性 2)可求解导热及简单的对流问题(如外掠平板的边界层层流对流换热、管内层流强制对流换热等） 分析解法只能获 得一些简单情况下物理问题的解，对大多数问题来说目前还无法获得精确解的 7/24/202239共九十九页数值(shz)解法步骤: 1)进行(jnxng)合理的物理假设 2)建立所研究物理问题的数学描写 3)区域的离散和方程的离散 4)获得收敛的空间和时间上的离散解应用: 1)随着计算机技术的发展而日益广泛 2)

9、可以求解非常复杂的问题 3) 准确性要依赖于实验和分析解验证 与分析解相比，数值解的结果是离散而不是连续的。数值解的准确性不仅取决于所获得的数学描写的正确合理性，而且还取决于所采用的计算方法的有效性。7/24/202240共九十九页坦克(tnk)与周围环境的换热模拟7/24/202241共九十九页厨房内部气体(qt)传热流动模拟12347/24/202242共九十九页牛与周围(zhuwi)空气传热流动模拟7/24/202243共九十九页办公室空气传热(chun r)流动模拟7/24/202244共九十九页电动机温度(wnd)模拟7/24/202245共九十九页汽车(qch)内环境模拟7/24/

10、202246共九十九页7/24/202247共九十九页在国际上已出现了许多大型的商用软件， 比较著名的有英国(yn u)CHAM公司的PHOENICS，美国FLUENT公司的FLUENT,英国AEA Technology的CFX,美国Flow Science公司的FLOW-3D,英国Computatioal Dynamics公司的STAR-CD等。7/24/202248共九十九页 其实质是根据两种物理现象间在数学描写上的相似性从而得出问题(wnt)的解的方法。如导热部分的热电模拟，就是利用热现象和电现象之间的相似；热质比拟，就是利用传热与传质现象之间的相似等等。比拟(bn)解法7/24/202

11、249共九十九页4 传热学分类(fn li)依据物体温度与时间的依变关系:稳态传热过程(guchng),又称为定常过程;非稳态传热过程,又称为非定常过程。依据求解问题时采用的空间坐标数目:一维传热问题;二维传热问题;三维传热问题。7/24/202250共九十九页1-2 热量(rling)传递的基本方式热量传递(chund)有三种基本方式热传导 (thermal conduction)对流 (thermal convection)热辐射 (thermal radiation)7/24/202251共九十九页1、热传导热传导（简称(jinchng)导热） 在物体内部或相互接触的物体表面(biomi

12、n)之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。 导热现象发生在固体内部，也可发生在静止的液体和气体之中。 本书不讨论导热的微观机理，只讨论热量传递的宏观规律。7/24/202252共九十九页最简单的导热(dor)现象：大平壁的一维稳态导热(dor) 0 xt tw2 tw1 特点(tdin)：1.平壁两表面维持均匀恒定不变温度； 2.平壁温度只沿垂直于壁面的方向发生变化； 3.平壁温度不随时间改变； 4.热量只沿着垂直于壁面的方向传递。热流量：单位时间传导的热量,W: 材料的热导率（导热系数）：表明材料的导热能力，W/(mK)。7/24/202253共九十九页(5)

13、 导热系数 表征(bio zhn)材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。7/24/202254共九十九页热流(rli)密度 q:单位时间通过(tnggu)单位面积的热流量称为平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为K/W 。热阻网络tw1 tw2 7/24/202255共九十九页例题 1 一块(y kui)厚度=50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在试求下列条件下的热流(rli)密度。材料为铜，=375 w/(mK );材料为钢， =36.4 w/(mK );材料为铬砖， =2.32 w/(mK )；材料为铬藻土砖， =0.242 w/(mK )。解：根据一维稳态导热

14、公式有：7/24/202256共九十九页铬砖： 硅藻土砖：讨论：由计算可见， 由于铜与硅藻土砖导热系数(xsh)的巨大差别， 导致在相同的条件下通过铜板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铜：钢：7/24/202257共九十九页思考题：用传热学的理论(lln)解析以下现象7/24/202258共九十九页冬天(dngtin)的被子晒过后保暖性更好，为什么？ 空气是热的不良导体（或导热系数小），所以被子具有良好的保暖性。由于(yuy)被子长时间使用后变得密实，即空气层厚度减少，而晒过后变得更加篷松，有利于保温。另一方面，使用过后的被子含

15、水率增大，导致导热系数增大，而晒过后减少了含水率，有利于保温。思考题：用传热学的理论解析以下现象7/24/202259共九十九页预习(yx)思考题1、人在25度的空气(kngq)中和25度的水中感觉是否一样？2、室内20度时，夏天和冬天的感觉是否一样？7/24/202260共九十九页2 对流(duli)热对流:由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位移而产生(chnshng)的热量传递现象。 热对流只发生在流体之中，并伴随有微观粒子热运动而产生的导热。7/24/202261共九十九页常见(chn jin)对流换热设备壳管式换热器蒸汽锅炉水循环系统(xnhun xtng)冷凝器连续肋片管束环肋片

16、管束采暖散热器7/24/202262共九十九页对流(duli)换热: 流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式(fngsh)共同作用的结果。牛顿冷却公式: = Ah(tw tf) q = h(tw tf) 7/24/202263共九十九页 h 称为(chn wi)对流换热的表面传热系数（习惯称为对流换热系数），单位为W/(m2K)。 h 表面传热系数 热流量W，单位时间传递的热量q 热流密度A 与流体接触的壁面面积 固体壁表面温度 流体温度7/24/202264共九十九页tw tf对流(duli)换热热阻： = Ah(tw tf) 称为(chn wi)对流换热

17、热阻，单位为 K/W。对流换热热阻网络： = Ah(tw tf) 7/24/202265共九十九页表面(biomin)传热系数的影响因素： h 的大小反映对流换热的强弱，与以下因素(yn s)有关： （1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比热容等）；（2）流体流动的形态（层流、湍流）；（3）流动的成因（自然对流或受迫对流）；（4）物体表面的形状、尺寸；（5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。7/24/202266共九十九页 表1-1 一些表面(biomin)传热系数的数值范围 对流换热类型表面传热系数 h /W /( m2K) 空气自然对流换热110 水自然对流换热1001 000 空气强迫对

18、流换热10100 水强迫对流换热10015 000 水沸腾250035 000 水蒸气凝结500025 0007/24/202267共九十九页对流换热的分类 1）根据对流换热时是否(sh fu)发生相变分：有相变的对流换热和无相变的对流换热。 2）根据引起流动的原因分：自然对流和强制对流。 7/24/202268共九十九页对流换热情况(qngkung)分类7/24/202269共九十九页1 ）自然对流： 由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动(lidng)。 如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。 2 ）强制对流： 流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的。 3 ）沸腾换热及凝结

19、换热： 液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对流沸腾）。 7/24/202270共九十九页夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉(gnju)不一样。为什么？人和空气以及人和水之间的热量传递主要是对流换热， 对流换热的计算公式是牛顿冷却公示： = Ah(tw tf) 人的身体(shnt)温度基本恒定，对于同样温度的水和空气来说，水的自然对流换热系数大于空气的自然对流换热系数，因此，在水中，人感觉身体(shnt)热量散失的快些。思考题：7/24/202271共九十九页(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式(xngsh)传递能量的现象(2) 特

20、点：a 任何(rnh)物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。 (3) 生活中的例子： a 当你靠近火的时候，会感到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比没有窗帘时 要舒服； c 太阳能传递到地面3 热辐射 7/24/202272共九十九页热辐射的主要(zhyo)特点： （1）所有温度大于0 K的物体都具有(jyu)发射热辐射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。发射热辐射时：内热能 辐射能 ； （2）所有实际物体都具

21、有吸收热辐射的能力，物体吸收热辐射时：辐射能 内热能 ； （3）热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播； （4）物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。 高温物体低温物体热辐射是热量传递的基本方式之一 。7/24/202273共九十九页辐射(fsh)换热：以热辐射的方式(fngsh)进行的热量交换。辐射换热的主要影响因素：（1）物体本身的温度、表面辐射特性； （2）物体的大小、几何形状及相对位置。 7/24/202274共九十九页所谓绝对黑体：把吸收率等于(dngy) 1 的物体称黑体，是一种假想的理想物体。 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热量服从于斯忒藩玻耳兹曼定律

22、。 黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于斯忒藩玻耳兹曼定律，即 热辐射的基本规律：7/24/202275共九十九页（1-7）其中 T 黑体的热力学温度 K ； 斯忒潘玻耳兹曼常数(chngsh)（黑体辐射常数(chngsh)），其值为 ； A辐射表面积 m2 。 7/24/202276共九十九页 实际物体辐射热流量根据斯忒潘玻耳兹曼定律求得： 其中 物体自身向外辐射的热流量，而不是(b shi)辐射换热量； 物体的发射率（黑度），其值总小于1，它与物体的种类及表面状态有关。（ 1-8 ）7/24/202277共九十九页 要计算辐射换热量，必须考虑投到物体上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，详

23、见第六章。 物体包容在一个(y )很大的表面温度为空的腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量 （ 1-9 ）7/24/202278共九十九页注意(zh y)：（1）热传导、热对流和热辐射三种(sn zhn)热量传递基本方式往往不是单独出现的； （2）分析传热问题时首先应该弄清楚有哪些传热方式在起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算。 （3）如果某一种传热方式与其他传热方式相比作用非常小，往往可以忽略。 7/24/202279共九十九页墙内外的换热过程如图示。 夏天(xitin)的室内温度低于室外温度，使内墙温度高于室内空气温度。 冬天的室内温度高于室外温度，使墙温度低于室内空气温度。 由于

24、人体与内墙间存在辐射换热，冬天的换热量高于夏天。故夏天穿单衣感到舒适，而冬天需要穿毛衣才不觉得冷。 解释以下(yxi)传热现象：人体为恒温体。若房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？为什么？7/24/202280共九十九页讨论题：房间供暖装置有哪些，主要利用(lyng)了哪些传热方式?供暖装置主要有北方用的暖气，南方烧天然气，还有空调、电炉。通常说来在传热学领域主要研究暖气、空调。暖气的传热方式主要有（从管内到管外）暖气与管壁(un b)的对流换热、管内壁与管外壁的导热、管与房间空气的对流换热、以及管与墙壁的辐射换热。家用空调换热器铝翅片既有

25、导热又有和空气进行对流换热. 7/24/202281共九十九页讨论题:热水瓶中的热水向环境的散热包括哪些传热基本方式?1 瓶中热水与瓶内壁:对流换热2 瓶内壁与瓶外壁:导热(dor)3 瓶外壁与空气:对流换热4 瓶与墙:辐射换热7/24/202282共九十九页1-3 传热(chun r)过程和传热(chun r)系数 一、传热过程 1 、概念 热量由壁面一侧的流体(lit)通过壁面传到另一侧流体(lit)中去的过程称传热过程。 7/24/202283共九十九页2 、传热过程的组成 传热过程一般包括串联着的三个环节组成，即： 热流体 壁面高温侧； 壁面高温侧 壁面低温(dwn)侧； 壁面低温侧

26、冷流体。 若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。 7/24/202284共九十九页7/24/202285共九十九页3 、传热过程(guchng)的计算 （a）（b）（c） 针对稳态的传热过程， 其传热环节有三种情况(qngkung)，则其热流量的表达式如下： 7/24/202286共九十九页将式（a）、（b）、（c）改写(gixi)成温差的形式：（d）（e）（f）7/24/202287共九十九页三式相加，整理(zhngl)可得:也可以(ky)表示成: 式中， 称为传热系数，单位为 。 （1-10）（1-11）7/24/202288共九十九页二、传热系数 1 、概念 是指用来表征传热过程(gu

27、chng)强烈程度的指标。数值上等于冷热流体间温差 ， 传热面积 时热流量的值。 K 值越大，则传热过程越强，反之，则弱。其大小受较多的因素的影响： 参与传热过程的两种流体的种类； 传热过程是否有相变7/24/202289共九十九页 说明：若流体与壁面间有辐射换热现象，上述(shngsh)计算未考虑之。要计算辐射换热，则：表面传热系数应取复合换热表面传热系数，包含由辐射换热折算出来的表面传热系数在内。传热系数的表达式为: （1-13）7/24/202290共九十九页 传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于组成(z chn)传热过程诸环节的 、 及 之和的倒数。如果对式（1-13）取倒数

28、，还可理解得更深刻些。此时或 （1-15）（1-14）7/24/202291共九十九页此式与欧姆定律 比较， 具有电阻之功能。 由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的热阻组成(z chn)。 串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环节热阻之和。7/24/202292共九十九页本章(bn zhn)小结：(1) 导热 Fourier 定律：(2) 对流换热 Newton 冷却(lngqu)公式：(3) 热辐射 Stenfan-Boltzmann 定律： (4) 传热过程7/24/202293共九十九页在生产实践和科学研究中遇到传热(chun r)问题的两种类型:一是力求增强(zngqing)热量的传递二是力求消弱热量的传递了解热量传递的规律，掌握传热的分析和计算方法，解决上述两种问题传热学这门课程的任务:7/24/202294共九十九页思考题:1、试从传热学角度分析(fnx)，在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖和空心砖哪种好？答：在其他条件相同时，实心砖材料如红砖(hn zhun)的导热系数约为0