工程传热学课件

1、2022/10/111传热学Heat Transfer刘志春能源与动力工程学院传热与节能技术研究中心2022/10/101传热学Heat Transfer刘志2022/10/112传热学许国良编著传热学杨世铭 陶文铨 第三版Heat TransferJ.P.Holman 9th edition数值传热学陶文铨 第二版参考书教 材2022/10/102传热学许国良编著传热学杨世铭 2022/10/113考核方式平时作业实验考试成绩个人简介专业：工程热物理研究方向：传热与传质办公室：动力楼412Email: 电话：875426182022/10/103考核方式2022/10/114第一章 绪 论1

2、-1 传热学概述1-2 热量传递的基本方式1-3 传热过程与传热系数2022/10/104第一章 绪 论1-1 传热学概述2022/10/115热科学：研究热能、热量以及热现象的科学热科学传热学工程热力学燃烧学制冷与低温热学2022/10/105热科学：研究热能、热量以及热现象的科学2022/10/116热学：研究自然界中物质与冷热有关的性质及这些性质变化的规律工程热力学：研究能量转换的规律以及热能的性质传热学：研究热量传递规律的一门科学 热量传递的机理、规律、计算和测试方法燃烧学：研究燃烧现象和燃烧机理制冷与低温：用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下

3、或很低的温度并保持该温度2022/10/106热学：研究自然界中物质与冷热有关的性质2022/10/1171-1 传热学概述1 传热学的概念 研究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2022/10/1071-1 传热学概述1 传热学的概念2022/10/118热量来源钻木取火 太阳电热器 地热2022/10/108热量来源钻木取火 2022/10/119热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源 有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力2022/10/109热量传递过程的推动力：温差2022/10/1110Energy

4、 flows from hot objects to cold.There is no energy flow between two objects at the same temperature.2022/10/1010Energy flows from 2022/10/11112 传热学的基本任务 求解温度分布 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2022/10/10112 传热学

5、的基本任务 求解温度分布2022/10/1112大规模太阳能热气流综合发电2022/10/1012大规模太阳能热气流综合发电2022/10/1113热力学研究：热力学循环和能量转换效率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2022/10/1013热力学研究：热力学循环和能量转换效率2022/10/1114传热学研究：系统内的温度、压力和速度场2022/10/1014传热学研究：系统内的温度、压力和速度2022/10/1115传热学以热力学第一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

6、没有能量形式的转化，则热量始终是守恒的。2022/10/1015传热学以热力学第一定律和第二定律为基2022/10/11163 传热学应用举例自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍日常生活中的例子：为什么水壶的提把要包上橡胶？2022/10/10163 传热学应用举例自然界与生产过程到2022/10/1117a 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？2022/10/1017a 人体为恒温体。若房间里气体的温2022/10/1118b 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？2022/10/10

7、18b 夏天人在同样温度（如：25度）2022/10/1119c 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？2022/10/1019c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层2022/10/1120(2) 传热学在科学技术领域重的应用强化传热，即在一定的条件下（如一定的温差、体积重量，或者泵功）增加传递的热量削弱传热，即在一定的温差下使热量的传递减到最小温度控制，为使一些设备安全经济的运行，或者为了得到优质的产品，要对热量传递过程重的物体关键部分的温度进行控制尽管各个科学领域中遇到的传热问题形式多样，大致上可以归纳为以下三类问题2022/10/1020(2) 传热学在科

8、学技术领域重的应用2022/10/1121夏天人体的散热示意图2022/10/1021夏天人体的散热示意图2022/10/1122肿瘤检测与热疗2022/10/1022肿瘤检测与热疗2022/10/1123太阳能集热器家用散热片是传热学的最简单运用2022/10/1023太阳能集热器家用散热片是传热2022/10/1124 封闭腔辐射换热选择性涂层保温层散热肋壁温度场分析有限空间自然对流太阳能集热器传热问题2022/10/1024 封闭腔辐射换热选择性涂层保温层2022/10/1125航天器发射前与回收后2022/10/1025航天器发射前与回收后2022/10/1126芯片集成度的发展趋势F

9、rom Applied Materials Quarterly Report, Apr., 20022022/10/1026芯片集成度的发展趋势From App2022/10/1127芯片能耗的发展趋势2022/10/1027芯片能耗的发展趋势2022/10/1128热流密度与温度的关系2022/10/1028热流密度与温度的关系2022/10/1129电子器件的失效原因2022/10/1029电子器件的失效原因2022/10/1130芯片技术的冷却2022/10/1030芯片技术的冷却2022/10/1131热管在电子器件上的应用2022/10/1031热管在电子器件上的应用2022/10/

10、1132LHP2022/10/1032LHP2022/10/1133CPL系统2022/10/1033CPL系统2022/10/1134（a）无翅片（b）有翅片蒸发器温度场：工质=甲醇; 材料=铜; 热流 q=5 W/cm2 蒸发器温度场：工质=氨; 材料=不锈钢（a） 热流 q=10 W/cm2（b） 热流 q=15 W/cm22022/10/1034（a）无翅片（b）有翅片蒸发器温度场2022/10/1135多孔区液相区蒸汽区冷凝器内的速度分布与汽液界面位置模拟（EOF方法）2022/10/1035多孔区液相区蒸汽区冷凝器内的速度分布2022/10/1136交流稳压电源温度测试系统直流稳压

11、电源2X2 LED封装芯片和微射流系统出水管系统进水管微泵小水箱和风冷散热装置LED的封装以及散热2022/10/1036交流稳压电源温度测试系统直流稳压电源管壳式换热器-1换热器种类繁多，结构各异，其中管壳式换热器应用最广，约占各类换热器总量的70%。管壳式换热器-1换热器种类繁多，结构各异，其中管壳式换热器应管壳式换热器-2管壳式换热器-2各种类型翅片管各种类型翅片管翅片管换热器-1翅片管换热器-1翅片管换热器-2翅片管换热器-2各种金属轧制管各种金属轧制管绕带管及其应用-1绕带管及其应用-1绕带管及其应用-2绕带管及其应用-2各种盘管各种盘管内插入物管内插入物管板式换热器的各种板型板式换

12、热器的各种板型板式换热器-1板式换热器-1板式换热器-2板式换热器-22022/10/11504 传热学分类依据物体温度与时间的依变关系，可将传热过程分为稳态传热过程和非稳态传热过程。若物体中各点温度不随时间改变，则对应的传热过程为稳态热传递过程；若物体中各点温度随时间改变，则对应的传热过程为非稳态热传递过程。稳态过程和非稳态过程又称为定常过程和非定常过程。2022/10/10504 传热学分类依据物体温度与时间的依2022/10/11511-2 热量传递的基本方式热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射2022/10/10511-2 热量传递的基本方式热量传递2022/10/1152热量传递

13、基本方式：热传导、热对流、热辐射2022/10/1052热量传递基本方式：热传导、热对流、热2022/10/11531 热传导（导热）热传导的定义 物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象2022/10/10531 热传导（导热）热传导的定义 2022/10/1154导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量不发生宏观的相对位移2022/10/1054导热的特点2022/10/11552022/10/10552022/10/1156导热

14、机理气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果导电固体：自由电子运动非导电固体：晶格结构振动液体：兼有气体和固体导热的机理2022/10/1056导热机理2022/10/1157导热基本定律傅立叶定律：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量；A：垂直于导热方向的截面积m2；：导热系数（热导率）W/( m K)。1822年，法国数学家Fourier：t1t2l2022/10/1057导热基本定律傅立叶定律：热流量2022/10/1158当温度t沿x方向增加时，dt/dx0，q0，说明热量沿x减小的方向传递；反之，dt/dx0，q2022/10/1159热导率（导

15、热系数）(Thermal conductivity)表征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。2022/10/1059热导率（导热系数）(Thermal 2022/10/1160 热流量与热阻t1t2l大平板稳态导热，由于是一维问题，且 和q为常量，积分傅立叶定律： 2022/10/1060 热流量与热阻t1t2l大平板稳2022/10/1161这里有必要引入热阻的概念。热量传递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：导热热阻单位导热热阻2022/10/1061这里有必要引入热阻的概念。热量传递是2022/10/1162t1t2lQ2022/10/106

16、2t1t2lQ2022/10/11632 热对流若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度t1处流至温度t2处，则此过程传递的热流量为： 热对流与对流换热2022/10/10632 热对流若流体有宏观的运动，且内部2022/10/1164流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流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同的物体表面时引起的热量传递，这种情况称为对流换热。uttwA2022/10/1064流体中有温差 热对流必然同时伴随20

17、22/10/1165当实际流体流过物体表面时，由于粘性作用，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只能依导热的方式进行；离开物体表面，流体有宏观运动，热对流方式将发生作用。所以，对流换热是热对流和导热两种基本传热方式共同作用的结果。对流换热的特点对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热，2022/10/1065当实际流体流过物体表面时，由于粘性作2022/10/1166不是基本传热方式，导热与热对流同时存在的复杂热传递过程必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差对流换热的分类a)根据流动原因，分为：强制对流换热和自然对流换热。b)是否相变，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热2

18、022/10/1066不是基本传热方式，导热与热对流同时存2022/10/11672022/10/10672022/10/1168 对流换热公式牛顿冷却公式uttwA 热流量W，单位时间传递的热量q 热流密度h 表面传热系数A 与流体接触的壁面面积 固体壁表面温度 流体温度Convection heattransfer coefficient2022/10/1068 对流换热公式牛顿冷却公式ut2022/10/1169 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量h是表征对流换热过程强弱的物理量影响h因素：流体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）、流动的形态（层流、

19、紊流）、流动的成因（自然对流或强制对流）、物体表面的形状、尺寸，换热时有无相变（沸腾或凝结）等。2022/10/1069 当流体与壁面温度相差1度时、每2022/10/1170研究对流换热的基本任务就是用理论分析或实验方法得出不同情况下表面传热系数的计算关系式。Typical values of hProcessH(W/m2 - C)Free Convection Gases LiquidsForced Convection Gases Liquids Liquid metalsPhase change Boiling liquids Condensation5 - 3020 - 100020

20、 - 30050 - 20,0005,000 - 50,0002,000 - 100,0005,000 - 100,0002022/10/1070研究对流换热的基本任务就是用理论分析2022/10/1171对流热阻Thermal resistance for convection2022/10/1071对流热阻Thermal resis2022/10/11723 热辐射(Thermal radiation)热辐射的定义与特点定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象特点：a)任何物体，只要温度高于0K，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)辐射

21、能与温度和波长均有关2022/10/10723 热辐射(Thermal radi2022/10/1173辐射换热的定义与特点定义：物体间靠热辐射进行的热量传递特点：a)不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量；b)在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能电磁波能物体热力学能c)无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量2022/10/1073辐射换热的定义与特点2022/10/11742022/10/10742022/10/1175 斯蒂芬-玻尔兹曼定律黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。 或称绝对黑体。（Black body）黑体的辐射能力与吸收能力最强。黑体

22、向外发射的辐射能： 绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯蒂芬-玻尔兹曼常数， 2022/10/1075 斯蒂芬-玻尔兹曼定律黑体：能全2022/10/1176实际物体辐射能力：低于同温度黑体 实际物体表面的发射率（黑度），01；与物体的种类、表面状况和温度有关。 特殊情况下的两表面辐射换热2022/10/1076实际物体辐射能力：低于同温度黑体 2022/10/1177T1T2QA2022/10/1077T1T2QA2022/10/1178例：一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为 ，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面

23、传热系数h=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率问：（1）此管道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。解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为ql2022/10/1078例：一根水平放置的蒸汽管道， 其保温2022/10/1179近似地取管道的表面温度为室内空气温度，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：讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几或几十摄氏度的一类表面的散热问题， 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。当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热2022/1

24、0/1079近似地取管道的表面温度为室内空气温度2022/10/11801-3 传热过程与传热系数1 传热过程热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程。导热对流辐射对流传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成k 为传热系数，W/( m2oC)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差=1 oC、传热面积A1 m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。2022/10/10801-3 传热过程与传热系数1 传热2022/10/11812 传热系数的计算热流体tf1到tw1：tw1到tw2：tw2到冷流体：2022/10/10812 传热系数的计算热流体tf1到tw2022/10/1182单

25、位热阻或面积热阻k越大，传热越好。若要增大k，可增大h，减小。2022/10/1082单位热阻或面积热阻k越大，传热越好。2022/10/1183传热学学习方法、要点重视对基本概念和基本理论的学习, 做到对所研究的物理过程有深刻的理解 学会传热学分析和解决实际问题的思路和方法,培养综合分析问题的能力和创造性的思维能力 加强工程实际训练，理论与实践相结合,培养工程分析能力和灵活应用经验公式、计算图表的能力充分认识自学的重要性, 培养独立地获取知识的能力重视实验技能的锻炼, 培养动手能力注意学习方法, 及时复习与小结2022/10/1083传热学学习方法、要点重视对基本概念2022/10/1184

26、例题1-1 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=50mm，两侧表面的温差都维持为tw1tw2=100不变，试求通过每块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1=398W/(mK)，2=40W/(mK)，3=0.242 W/(mK)。解 这是通过大平壁的一维稳态导热问题，根据式(1-2)，对于纯铜板对于碳钢板 对于硅藻土砖2022/10/1084例题1-1 有三块分别由纯铜、碳钢和2022/10/1185例题1-2 一室内暖气片的散热面积为A=2.5m2，表面温度为tw= 50，和温度为20的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h=5.5W/(m2K)。试计算该暖气片的对流散热量。若暖气片的发射率为 1 = 0.8，室内墙壁温度为20。试计算该暖气片和室内墙壁的辐射传热量。 解 暖气片和室内空气之间是稳态自然对流换热，根据式(1-4)= Ah(tw tf) = 2.5 m25.5 W/(m2K)(50-20)K = 412.5 W 故该暖气片的对流散热量为412.5 W。由于墙壁面积比暖气片大得多，由式(1-8)，两者间的辐射传热量为： 可见，此暖气片室内的对流散热量和辐射散热量大致相当。2022/10/1085例题1-2 一室内暖气片的散热面积为2022/10/1186例题1-3