北科大高等传热传质课件01传热学的研究内容与研究方法

高等传热传质

教材：

《传热传质分析》[美]E.R.G.埃克特参考书：《动量热量质量传递》《传热学》

《HeatTransfer》

基础知识1

传热学的研究内容与研究方法1.1传热学的研究内容:

传热学主要研究的传递规律、控制及优化传递过程的方法。

热量传递的途径、速率按照希望的方式进行获得最高的传递效率

1.2传热学的应用领域:

一切热能利用过程都离不开传热，热能利用率和传热过程密切相关。

传热学的应用非常广泛：在能源、电力、冶金、动力机械、石油化工、低温工程、环境与建筑等工业领域以及在许多高科技领域都发挥着极其重要的作用，如：电子信息工程、航空航天、医学和生命科学等。1.3传热学课程的学习目的：

掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分析计算和实验研究方法，为今后研究、处理、解决实际的传热工程问题奠定必要的技术理论基础。1.4传热学的主要研究方法:理论分析数值模拟实验研究类比法

2.1热能（内能internalenergy）

热能即热力学能、内能，是六种基本能量形式之一，定义为物质系统由其内部状态所决定的能量。宏观静止的物体，其内部的微观粒子仍在不停地运动着，这种运动叫做热运动，物体因热运动而具有的能量就是内能。化学热力学中把化学能也包括在内能中。2传热学基本概念

据统计，目前通过热能形式被利用的能源在我国占总能源利用的90％以上，世界其它各国平均也超过85％。内能的组成内动能温度的函数热能是人类获得能量的主要形式内禀能量

一般可不考虑内位能温度和密度的函数能量的利用过程本质上是能量的传递与转换过程。

氢、酒精等二次能源

燃料电池

电能

机械能

辐射能热能风能、水能、海洋能

机械

机械能直接利用发电机

煤、石油、天然气

热能热机直接利用核能核反应

太阳能光合作用生物质能燃烧食物利用集热器光电池90％燃烧能量的传递与转换闭口系能量方程

W

Q一般式

Q=dU+W

Q=U+W

q=du+w

q=u+w单位工质适用条件：1）任何工质2)任何过程Energybalanceforclosedsystem3

热量传递的基本方式热量传递有三种基本方式:热传导

(heatconduction)；热对流

(heatconvection)；热辐射

(thermalradiation)。3.1

热传导（简称导热）：

在物体内部或相互接触的物体表面之间，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。

纯导热现象可以发生在固体内部，也可以发生在静止的液体和气体之中。大平壁的一维稳态导热

0xt

tw2

tw1

特点：平壁两表面维持均匀恒定不变的温度，平壁各处温度不随时间改变；

壁内温度只沿垂直于壁面的方向变化；

热量只沿着垂直于壁面的方向传递。热流量：单位时间传过的热量

:材料的导热系数，表明材料的导热能力，W/(m·K)。W热流密度

q:单位面积内通过的热流量导热热阻称为平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为K/W

。

tw1

tw2

热阻网络3.2

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的热量传递现象。

特点：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。对流换热

：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共同作用的结果。牛顿冷却公式:

=Ah(tw–tf)

q=h(tw–tf)

tw

tf

h称为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/(m2

K)。对流换热热阻：

=Ah(tw–tf)

称为对流换热热阻，单位为W/K。对流换热热阻网络：表面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、紊流）；（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）。

表1一些表面传热系数的数值范围

对流换热类型表面传热系数

hW/(m2

K)

气体自然对流换热2～25

液体自然对流换热50～1000

气体强迫对流换热25～250

液体强迫对流换热50～25000

液体沸腾2500～100000

蒸气凝结2000～1000003.3

热辐射

辐射：指物体受某种因素的激发而向外发射辐射能的现象解释辐射现象的两种理论

：电磁理论与量子理论电磁波的数学描述：

c

—

某介质中的光速,

m/s

为真空中的光速;

n为介质的折射率。

—

波长,常用

m为单位,1

m=10-6m。

—

频率,单位

1/s。电磁波的波谱：

射线：

<5×10-5

mX射线：5×10-7<

<5×10-2

m紫外线：4×10-3<

<0.38

m可见光：0.38<

<0.76

m红外线：

0.76<

<103

m

无线电波：

>103

m微波：

103<

<106

m

微波炉就是利用微波加热食物，因微波可穿透塑料、玻璃和陶瓷制品，但会被食物中水分子吸收，产生内热源，使食品均匀加热。热辐射

由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象。

理论上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在0.1

m至100

m之间,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段。热辐射的主要特点：

（1）所有温度大于0K的物体都具有发射热辐射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。

（2）所有实际物体都具有吸收热辐射的能力，

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。发射热辐射时：内热能辐射能；

辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。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。

注意：（1）热传导、热对流和热辐射三种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那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。

4

传热过程

传热过程是指热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。传热过程由三个相互串联的环节组成:高温流体低温流体固体壁

（1）热量从高温流体以对流换热（或对流换热＋辐射换热）的方式传给壁面；

（2）热量从一侧壁面以导热的方式传递到另一侧壁面；

（3）热量从低温流体侧壁面以对流换热（或对流换热＋辐射换热）的方式传给低温流体。通过平壁的稳态传热过程假设：tf1、tf2、h1、h2不随时间变化；

为常数。

（1）左侧的对流换热（2）平壁的导热

tw2

tw1

0xt

h1

tf1

h2

tf2

（3）右侧的对流换热在稳态情况下，以上三式的热流量相同，可得

式中，Rk称为传热热阻。

tw1

tw2

tf1

tf2

传热热阻网络：

传热系数

将传热热流量的计算公式写成

式中

k称为传热系数，单位为W/(m2·K)，t为传热温差。通过单位面积平壁的热流密度为

利用