传热学-第一章 绪论课件

1、韩风双手机号688152Email: hanfengshuang传热学2010年12月毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所2007-2009年德国亚琛工业大学博士联合培养2001-2005年中国石油大学（华东）化学化工学院热科学工程热力学燃烧学制冷与低温热科学：研究热能、热量及热现象的科学热学传热学热学：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

2、却，使其温度降到环境温度以下或很低的温度并保持该温度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、计算和测试方法授课计划 （48学时）第一章 绪论（4学时）第二章导热基本定律及稳态导热（8学时）第三章非稳态导热（6学时）第四章 导热数值解法基础（2学时）第五章单相流体对流换热（8学时）第六章 凝结与沸腾换热（2学时）第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性（4学时）第八章辐射换热计算（6学时）第九章传热过程分析与换热器计算（8学时）成绩权重：考试 70%，作业30。第一章 绪论1-0 传热学概述1-1 热量传递的三种基本方式1-2 传热过程和传热系数工程热力学：热能的性质、热能与机械能

3、及其他形式能量之间相互转换的规律（Engineering Thermodynamics）传热学：热量Q 传递过程的规律（Heat Transfer)传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即：热量Q传递始终是从高温物体向低温物体传递；在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒热力学研究平衡态（稳态）传热学研究过程和非平衡态（非稳态）2、传热学与工程热力学的关系3、 热量传递过程 根据物体温度与时间的关系，热量传递过程可分为两类：稳态传热过程、非稳态传热过程。 1）稳态传热过程（定常过程） 凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程。 2）非稳态传热过程（非定常过程）

4、 凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程均称非稳态传热过程。 各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热过程。 a 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？日常生活中的例子b 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？c 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？d 为什么下雪不冷、化雪冷？为什么水壶的提把要包上橡胶？生产技术领域大量存在传热问题a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却

5、；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机b 微电子： 电子芯片冷却c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵f 新能源：太阳能；燃料电池1-1 热量传递的三种基本方式 1. 加热壶底部，壶顶部也会热？导热3. 当壶中的水烧开时，我们的手在壶附近就能感觉到热 太阳2. 要把一壶水烧开，必须在水的下方加热。水是热的不良导体，不善于热的传导。利用水的对

6、流，使整壶水烧开对流辐射导热举例说明1-1 热量传递的三种基本方式 一、导热（热传导）（Heat conduction）1 、概念 定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。 物质的属性；可以在固体、液体、气体中发生2、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导电固体：其中有许多自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。 非导电固体：导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近

7、的振动来实现的。4 、导热的基本规律 1 ）傅立叶定律（ 1822年，法国数学家Fourier） 如左图所示的两个表面分别维持均匀恒定温度的平板，是个一维导热问题。对于x方向上任意一个厚度为的微元层来说，根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热热量与当地的温度变化率及平板面积A成正比，即（1-2）Fouriers Law：热流量，单位时间传递的热量, Wq：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量, W/m2 Heat fluxA：垂直于导热方向的截面积m2 :热导率（导热系数）W/(mC) Thermal conductivityt = tw1 tw2 ：平壁两侧壁温之差C:平壁的厚度m；（

8、1-1）1 ）当温度 t 沿 x 方向增加时， 而 q ，说明此时热量沿 x 减小的方向传递； 2 ）反之，当 0 ，说明热量沿 x 增加的方向传递。 （1-1）WW /(mC) （1-3）的物理意义：具有单位温度差（1C）的单位厚度的物体(1m)，在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)导热系数表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位： W/(mC)或 W/(mK) 。同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。 金属 非金属固体 液体 气体纯铜=398 W/(mC)水= 0 .6 W

9、/(mC） 空气= 0 .026 W/(mC) （20 C） 注：传热学中热流量的单位是W，而非J； W= J/s 热流量是单位时间传递的热量 J/s=W它体现了传热的速率或快慢传热是一个过程，而非平衡态 这与热力学有区别Thermal resistance for conduction 导热热阻R：与直流电路的欧姆定律I=U/R 相似例题1-1 有三块分别由纯铜（热导率1=398W/(mK)）、黄铜（热导率2=109W/(mK)）和碳钢（热导率3=40W/(mK)）制成的大平板，厚度都为10mm，两侧表面的温差都维持为tw1 tw2 = 50不变，试求通过每块平板的导热热流密度。解： 这是通

10、过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板， W/m2对于黄铜板 对于碳钢板 W/m2W/m21-1 热量传递的三种基本方式 1. 加热水壶底部，水壶顶部也会热？导热3. 太阳2. 要把一壶水烧开，必须在水的下方加热。水是热的不良导体，不善于热的传导。利用水的对流，使整壶水烧开对流辐射导热对流二、对流 （Heat Convection）1 、基本概念 1) 热对流的定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。 对流仅发生在流体中，流体中有温差 对流的同时必伴随有导热现象。自然界不存在单一的热对流。 2) 对流换热：流体流过一个固体表面时的

11、热量传递过程，称为对流换热。流体与固体壁间的换热 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式对流换热实例： 暖气管道2、对流换热的特点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 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层（Boundary layer）3 、对流换热的分类 1）根据对流换热时是否发生相变分：有相变的对流换热和无相变的对流换热。沸腾换热及凝结换热：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）。2）根据引起流动的原因分：自然对流和强制对流。自

12、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。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。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。4 、对流换热的基本规律 流体被加热时： 流体被冷却时：式中， q: 热能密度，W/m2 tw, tf : 分别为壁面温度和流体温度，。 （1-4）（1-5）h 比例系数（表面传热系数）, W/(m2C) 。 如果把温差（亦称温压）记为 ，并约定永远取正值，则牛顿冷却公式可表示为 其中 h 比例系数（表面传热系数） 单位 W/(m2C) 。 （1-6）（1-7）影响表面传热系数h的因素：物体的物性、换热表面的形状、大小相对位置，而且与流体的

13、流速有关。 （1-7）（1-8）WW/(m2C) h 的物理意义：单位温差(1C)作用下单位时间(1s)内通过单位面积(1m2)的热量(J)。 一般地，就介质而言：水的对流换热比空气强烈； 就换热方式而言：有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。 对流换热研究的基本任务： 用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面换热导数的关系式。 表面传热系数的数值范围对流换热热阻：C/W m2C/W Thermal resistance for convection例题1-2 一室内暖气片的散热面积为3m2，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 = 4 W/

14、(m2K)。试问该暖气片相当于多大功率的电暖气?解： 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热， Q= Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相当于功率为0.36kW的电暖气。 辐射1-1 热量传递的三种基本方式 1. 加热水壶底部，水壶顶部也会热？导热3. 太阳2. 要把一壶水烧开，必须在水的下方加热。水是热的不良导体，不善于热的传导。利用水的对流，使整壶水烧开对流辐射导热对流辐射三、热辐射（Thermal radiation） 1、基本概念 1 ）辐射和热辐射 物体转化本身的热力学能通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原

15、因而发出辐射能的现象称为热辐射。注意：凡物体都具有辐射能力物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种类不同、表面状况不同，其辐射能力不同2 ）辐射换热 辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。 辐射换热的特点（1）不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量（2）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（3）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；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;总的结果是热由高温传到低温说明：辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度

16、处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。 3） 导热、对流、辐射的评述 a、 导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效，因此，又称其为非接触性传热。 在辐射时，辐射体内热能 辐射能；在吸收时，辐射能 受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。 b、 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。 c、辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。d、热辐射现象仍是微观粒子

17、性态的一种宏观表象。e、物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。 2 、热辐射的基本规律： 所谓绝对黑体：把吸收率等于 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蒂芬-玻尔兹曼定律。 3.斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）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Ludwig Boltzmann (1844-1906)（1-7）物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射换热量,W； A辐射表面积, m2 ； 斯蒂

18、芬-玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为T 黑体的热力学温度, K ； 斯蒂芬-玻尔兹曼定律实际物体辐射热流量根据斯蒂芬玻耳兹曼定律求得： 其中 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 ）暖气片热水管子内壁管子外壁室内环境对流换热导热对流换热辐射换热冷凝器蒸汽管子外壁管子内壁水凝结换热导热对流换热1-2 传热过程和传热系数 一、传热过程 1 、概念 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。 导热对流辐射对流2 、传热过程的组成 一般包括串联的三个环节： 热流体 壁面高温侧； 壁面高温侧 壁面低温侧； 壁面低温侧 冷流体。 稳态过

19、程通过串联环节的热流量相同。 1233 、传热过程的计算 （a）（b）（c） 针对稳态的传热过程，即 Q=const 如图 1- 3 ，其传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下： 将式（a）、（b）、（c）改写成温差的形式：（d）（e）（f）三式相加，得到整理可得:热流量也可以表示成: 式中，k称为传热系数，单位为 。 （1-10）令（1-11）二、传热系数 1 、概念 是指用来表征传热过程强烈程度的指标。数值上等于冷热流体间温差 ，传热面积 A=1m2 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

20、说明：若流体与壁面间有辐射换热现象，上述计算未考虑之。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。其方法见 8 - 4 节。 传热系数的表达式为: （1-11） k越大，传热越好。若要增大k，可增大h1,h2,或减小（1-11）传热系数的表达式为: 传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于组成传热过程诸环节的 、 及 之和的倒数。如果对式（1-11）取倒数，还可理解得更深刻些。此时或 （1-12）（1-13）此式与欧姆定律 比较， 为传热过程热阻。热阻Rt 由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的热阻组成。 串联热阻叠加原则：在一个串

21、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。例题1-3一房屋的混凝土外墙的厚度为=200mm ，混凝土的热导率为=1.5W/(mK) ，冬季室外空气温度为tf2=-10, 有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2K)，室内空气温度为tf1= 25,和墙壁之间的表面传热系数为h1=5 W/(m2K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。解： 由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为 根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热， 1-3 传热学发展简史18世纪30年代工业化革命促进了传热学的发展导热（Heat conduction）钻炮筒大量发热的实验（B. T. Rumford, 1798年）两块冰摩擦生热化为水的实验（H. Davy, 1799年）导热热量和温差及壁厚的关系（J. B. Biot, 1804年）Fourier 导热定律 (J. B. J. Fourier , 1822 年）G. F. B. Riem