传热学-第一章 绪论PPT

韩风双手机号：15168138546688152Email: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、计算和测试方法教材及参考书《传热学》杨世铭陶文铨编著考核方法闭卷考试70%平时成绩30%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§1-0概述一、什么是传热学1、传热学是研究热量传递规律的学科。热量传递的机理、规律、计算和测试方法热量传递过程的推动力：温差1)物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传向低温部分；2)物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体传向低温物体。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。有温差就会有传热工程热力学：热能的性质、热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律（EngineeringThermodynamics）传热学：热量Q传递过程的规律（HeatTransfer)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）

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。二、传热学的重要性自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍传热学在日常生活、生产技术领域中的应用十分广泛。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？不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？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；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）（Heatconduction）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3、导热机理气体：导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能从高温传到低温处。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的振动来实现的。液体的导热机理：存在两种不同的观点第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。

说明：只研究导热现象的宏观规律。

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）Fourier’sLawΦ：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,

[W/m2]HeatfluxA：垂直于导热方向的截面积[m2]λ:热导率（导热系数）[W/(m·ºC)]ThermalconductivityΔt=tw1−tw2

：平壁两侧壁温之差[ºC]δ:平壁的厚度[m]；（1-1）1）当温度t沿x方向增加时，＞０而q＜０，说明此时热量沿x减小的方向传递；2）反之，当<0时，q>0，说明热量沿x增加的方向传递。（1-1）[W][W/(m·ºC)]（1-3）λ的物理意义：具有单位温度差（1ºC）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λ表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位：W/(m·ºC)或

W/(m·K)

。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。λ金属>λ非金属固体>λ液体>λ气体λ纯铜=398W/(m·ºC)λ水=0.6

W/(m·ºC）

λ空气=0.026W/(m·ºC)（20ºC）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Thermalresistanceforconduction导热热阻Rλ：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λ1=398W/(m·K)）、黄铜（热导率λ2=109W/(m·K)）和碳钢（热导率λ3=40W/(m·K)）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/m2§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二、对流（HeatConvection）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（Boundarylayer）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<牛顿冷却公式>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/(m2·ºC)

。

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/(m2·ºC)

。

（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，而且与流体的流速有关。（1-7）（1-8）[W][W/(m2·ºC)]

h的物理意义：单位温差(1ºC)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：[ºC/W]

[m2·ºC/W]

Thermalresistanceforconvection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=4W/(m2·K)。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)=3m2×4W/(m2·K)×(50-20)K=360W=0.36kW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（Thermalradiation）

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：