传热学-第一章-绪论lujinli

传热学

HeatTransfer2015.9LearningObjectives学生必须理解所论主题的有关术语的含义及其与物理原理之间的内在联系学生必须能确切地描述涉及传热过程或系统中的输运现象学生应能利用必需的输入数据计算传热速率和/或材料的温度学生应能构建实际过程和系统的贴切的模型，并通过分析得出所论过程或系统性能的结论ReferenceBooksContents绪论/IntroductionCHAPTER

1导热/Conduction稳态热传导CHAPTER

2非稳态热传导CHAPTER

3热传导问题的数值解法CHAPTER

4对流/Convective对流传热的理论基础CHAPTER

5单相对流传热的实验关联式CHAPTER

6相变对流传热CHAPTER

7辐射/Radiation热辐射基本定律和辐射特性CHAPTER

8辐射传热的计算CHAPTER

9换热器/HeatExchangersCHAPTER

10平时成绩(Grade):30%讨论(Discussion)出勤(Present)作业(Homework)期末考试(Final):70%出勤率不足三分之一，不准考试(Disallowtotakepartinexamifratioofturningoutislowerthan30%)ExamineFiguresAnimationConductionthroughasolidorastationaryfluidConvectionfromasurfacetoamovingfluidNetradiationheatexchangebetweentwosurfaces何谓传热？（What）如何传热？（How）重要性何在？（Why）Chapter1Introduction传热是因存在温差而发生的热能的转移（TemperatureDifference）Fields传统工业能源动力冶金化工交通建筑机械食品轻工纺织医药TheFieldsofTraditionalIndustry高新技术航空航天核能微电子材料生物医学环境工程新能源工业工程TheFieldsofHighandNewTechnologyInterdiscipline涉及工业、农业、林业等领域涌现交叉分支学科相变与多相流传热（超）低温传热微尺度传热生物传热1.传热学（HeatTransfer）

(1)研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法

(2)热量传递过程的推动力：温差（TemperatureDifference）

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

Summarization2.传热学与工程热力学的关系(heattransferandengineeringthermodynamic)(1)热力学+传热学=热科学(ThermalScience)

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。热力学：传热学：钢锭1000℃传热学与热力学的区别(2)以热力学第一定律和第二定律为基础，即始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则始终守恒（energyorheatbalance）效率？（火积）（

Efficiency

）（

Quantity）（

Rate）油100℃Q？

τ？3传热学应用实例(Examples)

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(inlife)：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？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？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？特别是在下列技术领域大量存在传热问题(fields)动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…(3)几个特殊领域中的具体应用(application)航空航天(space)：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；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3传热学应用实例(Examples)微电子(micro-electronics)：电子芯片冷却生物医学(biomedicine)：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存军事(military)：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存制冷(refrigeneration)：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵新能源(newenergy)：太阳能；燃料电池3传热学应用实例(Examples)强化传热enhancedheattransfer削弱传热weakenheattransfer温度控制temperaturecontrol4传热过程的分类(Type)按温度与时间关系稳态传热SteadyState非稳态传热UnsteadyState（Transient）

1导热（热传导）(Conduction)定义(Definition)：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(Property)：可以在固体、液体、气体中发生导热的特点(Characteristic)：a必须有温差；b物体直接接触；c依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。热量传递的三种基本方式(Mode)导热的基本定律/速率方程(Law/RateEquations)：

1822年，法国数学家Fourier:

上式称为Fourier定律，是一个一维稳态导热，可以对传热进行定量计算。其中：qx：heatflux，单位时间通过单位面积的热量；A：area，垂直于导热方向的截面积[m2]；：heatrate，单位时间传递的热量，qxA[W]；：thermalconductivity，热物性参数[W/(m·K)]。

一维稳态平板内导热t1t2Temperaturegradient一维稳态导热及其导热热阻如图所示，稳态q=const，于是积分Fourier定律有：导热系数(Conductivity)——thermophysicalproperty

表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。导热热阻的图示导热热阻的图示

导热热阻单位导热热阻例题1-1一块厚度δ=50mm的平板，两侧表面分别维持在试求下列条件下的热流密度。材料为铜，λ=375w/(mK);材料为钢，λ=36.4

w/(mK);材料为铬砖，λ=2.32

w/(mK)；材料为铬藻土砖，λ=0.242

w/(mK)。例题1-1(Example)解析已知：壁厚、热导率、两侧温度、稳态条件求：热流密度示意图：假设：稳态、一维导热、热导率常数分析：由于传热模式为导热，热流密度可通过傅立叶定律确定：Solution铬砖：硅藻土砖：铜：钢：Solution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。对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的对流(平流)不同，具有如下特点：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；也必须有温差壁面处会形成速度梯度很大的边界层对流换热的分类无相变：强迫对流和自然对流(forcedandnatural)有相变：沸腾换热和凝结换热(boilingandcondensation)2对流（热对流）(heatconvection)热量传递的三种基本方式(Mode)对流换热中边界层的示意图对流传热模式是借分子随机运动和边界层中流体的整体运动维持的。对流传热过程ConvectionHeatTransferCoefficient对流换热的能量传输速率方程——牛顿冷却公式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Newton’slawofcooling——当流体与壁面温度相差1℃时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量影响h因素：表面几何形状、流体的运动特征及流体众多热力学性质和输运性质（Convectionheattransfercoefficient）对流换热系数(表面传热系数)——对流研究对象TypicalvaluesoftheconvectionheattransfercoefficientProcessh/Wm2·KFreeconvectionGases2-25Liquids50-1000ForcedConvectionGases25-250Liquids100-20,000ConvectionwithphasechangeBoilingorcondensation2500-100,000Thermalresistanceforconvection对流换热热阻：定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量

特点：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；可以在真空中传播（最有效）；伴随能量形式的转变；具有强烈的方向性；辐射能与温度和波长均有关；发射辐射取决于温度的4次方3热辐射(Thermalradiation)热量传递的三种基本方式(Mode)生活中的例子：当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；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；太阳能传递到地面冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0℃以上，但地面却可能结冰。辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。辐射换热的特点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

辐射换热的研究方法：假设一种黑体，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的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强黑体辐射的控制方程两黑体表面间的辐射换热，

，真实物体则为：

Stefan-BoltzmannlawStefan-Boltzmannconstant两黑体表面间的辐射换热

一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583mm，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传热系数h=3.42W/(m2K),

保温层外表面的发射率问：（1）此管道的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。量为：例题1-2(Example)解析已知：具有给定直径、发射率和表面温度的蒸汽管处于墙体和空气温度固定的房间中求：传热方式和散热量示意图：假设：稳态、管子与房间之间的辐射换热是一个小表面与包围他的大面积腔体之间的辐射换热分析（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，当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热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：量为：例题1-2(Example)说明：计算结果表明，对于表面温度上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。传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射传热过程和传热系数(Process)Overallheattransferprocess一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻上面传热过程中传递的热量为：传热系数，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。

传热系数overallheattransfercoefficient单位热阻或面积热阻a

k越大，传热越好。若要增大k，可增大c

h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要内容注意：b

非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法传热问题的分析方法(Analysis)目的：得到解决涉及传热过程的工程问题的训练已知：简明写出已知条件求：简明地写出必须求解的是哪些量示意图：画出物理系统的示意图，并标明各种传热过程假定：列出全部适当的简化假定物性参数：汇集随后计算所需的物理参数值分析：用合适的守恒定律分析，代入所需的能量传输速率方程说明：对结果进行讨论一个工业炉的炉墙由0.15m厚的耐火砖筑成，耐火砖的热导率为1.7W/m·K，在稳态运行时测得炉墙内外表面温度分别为1400K和1150K，求通过一侧面积为0.5m×1.2m的炉墙的热损速率。解析已知：壁厚、面积、热导率和表面温度，稳态条件求：炉墙热损示意图：

例题1-3(Example)量为：λ

=1.7W/m·KT1=1400KT2=1150KL=0.15mqxxxL炉墙面积AH=0.5mW=1.2mQ假定：1、稳态；2、通过炉墙的一维导热；3、热导率为常数

分析：由于通过炉墙的传热模式为导热，热流密度可由傅立叶定律确定则通过给定面积的热损为说明：注意热流方向及热流密度与传热速率之间的区别。例题1-3(Example)18世纪30年代工业化革命促进了传热学的发展导热（Heatconduction）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.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/M.Jakob传热学的发展史(Development)

对流换热（Convectionheattransfer）不可压缩流动方程（M.Navier,1823年)流体流动Navier-Stokes基本方程(G.G.Stokes,1845年）雷诺数(O.Reynolds,1880年）自然对流的理论解（L.Lorentz,1881年）管内换热的理论解（L.Graetz,1885年；W.Nusselt,1916年）凝结换热理论解（W.Nusselt,1916年）强制对流与自然对流无量纲数的原则关系（W.Nusselt,1909年/1915年）流体边界层概念（L.Prandtl,1904年）热边界层概念（E.Pohlhausen,1921年）湍流计算模型（L.Prandtl,1925年；Th.VonKarman,1939年；R.C.Martinelli,1947年）

热辐射及辐射换