传热学-第1章绪论

1、欢迎参加传热学课程学习,2020年6月16日,HeatTransfer,wangchh,第1章绪论Introduction,1.1概述初识传热现象1.2传热的三种方式与规律1.3传热过程和传热系数1.4传热学的研究方法和发展简史,研究由温差引起的热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规则、计算和测试方法。,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,传热过程的分类,按温度与时间的依变关系，可分为稳态过程和非稳态过程两大类。,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。,稳态导热非稳态导热稳态温度场非稳态温度场,传热的三种基本方式与规律(Threebasicwaysofheattransferandtheirlaws),1.2传热方式与规律,传导(Heatconduction)对流(Convection;Convectiveheattransfer)辐射(Radiation;Radiationheattransfer),返回,HeatTrans

3、fer,我们的任务掌握这三种传热方式的特点及其传热规律，包括两个方面内容：（1）它们在什么情况下发生？（2）传递了多少热量？,热传导与Fourier定律FouriersLawofHeatConduction,热传导机理,HeatTransfer,热传导发生的范畴,物体各部分之间不发生相对位移时（宏观上静止），依靠分子、原子及电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。,回答了我们热传导在什么情况下发生！,回答了我们传导在什么地方发生！,可以在固体、液体、气体中发生，三者的导热机理是不同的。发生在固体、静止流体内部。举例说明,声子和电子,声子/分子运动,分子热运动,热传导与Fourier定律Four

4、iersLawofHeatConduction,热传导的特点,HeatTransfer,热传导Fourier定律,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。,Theheatflux,q(W/m2),isproportionaltothemagnitudeofthetemperaturegradientandoppositetoitssign.JosephFourier,1822,回答了我们热传导发生的关键要素,回答了我们传导了多少热量！,1.热传导与Fourier定律,HeatTransfer,tw1,tw2,

5、q,Hotwall,Coldwall,热流是矢量（大小+方向），负号表示热流与温度增加的方向相反，即导热是沿着温度降低的方向进行！单位时间内通过某一给定面积的传热量（Heattransferrate）为：,理解Fourier定律,式中(采用国际标准制单位SI)：q热流(Heatflux,W/m2)k热导率或导热系数(Thermalconductivity,W/mK)t温度(Temperature,K)x坐标(Coordinate,m),上述热传导Fourier定律仅适用于最简单的一维情况，但它是整个传热学的基础，应该熟练掌握！复杂的二维、三维Fourier定律将在以后的章节中介绍，这虽然是传热

6、学的重点与难点，但由于它通常要借用计算机进行求解，目前对于我们仅做一般了解。,掌握每个物理量所代表的含义与单位，及应用的场合。,1.热传导与Fourier定律,HeatTransfer,tw1,tw2,q,Hotwall,Coldwall,如何计算导热？,t,x,温度变化过程,第一，查阅材料的导热系数(k)，见附录或参考手册；第二，计算温度梯度(dt/dx)。对于单一介质(k一定)，温度梯度可表示为（如左图）：,x1,x2,Next,文字表述：在热传导现象中，单位时间内通过给定截面的热流量，正比于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。,（1）当温度t沿x方

7、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。,导热系数,HeatTransfer,导热系数k是表征材料导热性能优劣的一种物性参数，不同材料的导热系数不同。通常来说，固体液体气体。如：,固体金属：铜398；铝240；铝合金107建筑材料：红砖0.49；混凝土0.79液体：水0.6气体：空气0.026,另外，材料的导热系数往往与温度有关。,详见教材传热学附录214,返回,单位：W/(mK),热流与温度变化之间的关系及Fourier定律的简易计算,HeatTransfer,q,Hotwall,Coldwall,q,Coldwall,Hotwall,q

8、与x方向相同,q与x方向相反,可以清楚地看到热总是沿着温度降低的方向进行传导！根据这种热流与温度变化之间的对应关系，我们通常采用一种简易计算方法：,热流的大小：，而热流的方向由问题直接给出。,温度变化过程,温度变化过程,1.热传导与Fourier定律,HeatTransfer,解首先，根据内外墙的温度确定热流的方向（300100）；然后，根据热流方向，判断中间分界面的温度范围；（100t300）；其次，在两层墙体内分别应用Fourier定律；,例2,两块厚度分别为50、10mm，材料分别为砖、混凝土组成的双层墙面，内外墙温度分别为300、100。求中间分界面温度与热流。,50,Cold,Hot

9、,300,100,10,红砖,混凝土,红砖：,混凝土：,最后，根据能量守恒原则得：,注意，检查上述温度分布曲线的正确性！,一块厚度=50mm的平板，两侧表面分别维持在,材料为铜，=375w/(mK);材料为钢，=36.4w/(mK);材料为铬砖，=2.32w/(mK)；材料为铬藻土砖，=0.242w/(mK)。,解：,试求下列条件下的热流密度。,例3,铬砖：,硅藻土砖：,讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。因而，铜是热的良导体，而硅藻土砖则起到一定的隔热作用,铜：,钢：,1.热传导与Fourier定律,He

10、atTransfer,例4,Acopperslab(k=372W/mK)is3mmthick.Itisprotectedfromcorrosionbya2-mm-thicklayersofstainlesssteel(k=17W/mK)onbothsides.Thetemperatureis400ononesideofthiscompositewalland100ontheother.Findthetemperaturedistributioninthecopperslabandtheheatconductionthroughthewall.摘自美国麻省理工学院（MIT）HeatTransfe

11、rTextbook,30,400,100,20,copper,Stainlesssteel,Stainlesssteel,20,2.对流换热与牛顿冷却定律NewtonsLawofCooling,对流机理,HeatTransfer,对流传热的特点,由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。由于流体流动（movingfluid）所导致的传热。,当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，它与单纯的热对流不同，具有如下特点：a）导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；b）必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差；c）壁面处会形成速度和温度梯度很

12、大的边界层,2.对流换热与牛顿冷却定律NewtonsLawofCooling,HeatTransfer,对流传热方式,自然对流（NaturalConvection）强迫对流（ForcedConvection）混合对流（MixedConvection）,Next,2.对流换热与牛顿冷却定律,对流换热Newton冷却定律,HeatTransfer,所有的对流换热都涉及热（冷）固体壁面与周围流体之间的热交换。传热量的大小就由Newton冷却定律计算，如下：,式中(采用国际标准制单位SI)：q热流(Heatflux,W/m2)h表面传热系数(Convectiveheattransfercoeffici

13、ent,W/m2K)t温度差(Temperature,K),注意：（1）热流是矢量，大小由上式确定，方向则由物理问题本身确定；（2）公式单位的一致性。,如果固体表面面积为A，则对流换热量为：,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。表征对流传热过程强弱的物理量,影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等,（Convectionheattransfercoefficient）,对流传热系数(表面传热系数),强调：表面传热系数与导热系数的区别单位上的区别W/(mK)W/(m2K)表面传热系数不是一个物性参数，它不仅取决于流体物性、传热表面的形状、大小与布置，而且还与流

14、速有密切关系，与流体力学紧密联系。,解设外墙表面的温度为得tw2。首先，墙体内的导热过程根据Fourier定律得：,2.对流换热与牛顿冷却定律,例6,HeatTransfer,如果测得墙体内表面温度为tw1=15，室外冷空气温度为tair=0，墙体厚度为20cm。已知墙体的导热系数为0.5W/m2K，空气与墙体表面之间的自然对流传热系数为h=5W/m2K，求房间外墙表面的温度与热流大小。,其次，墙体外表面与室外空气之间的自然对流换热根据Newton冷却定律得：,最后，根据能量守恒原理得,解,2.对流换热与牛顿冷却定律,例7,HeatTransfer,如果测得室内外空气的温度分别为15、0，墙体

15、厚度为20cm。已知墙体的导热系数为0.5W/mK，空气与墙体内表面对流传热系数为h=5W/m2K，空气与墙体外表面对流传热系数为h=4W/m2K，求房间内外墙表面的温度及热流大小。,空气（0）,tw1,tw2,式中：,tair2,tair1,h2,k,h1,求得：,(1)辐射的定义：物体通过电磁波来传递能量的方式。,3热辐射(Thermalradiation),(2)热辐射的定义：因热的原因而发出辐射能的现象。,a当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b冬天，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；c太阳能传递到地面d冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0以上，地面却结冰。,有实际意义0

16、.38100m主要0.7620m,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）它不仅产生能量的转移，还伴随有能量形式的转换；d）具有强烈的方向性；e）辐射能与温度和波长均有关；f）发射辐射取决于温度的4次方。,（3）热辐射的特点,其中，与热传导和热对流的主要区别是判断：任何热量传递只有在有物质存在的条件下才能实现,b、c,X,（5）辐射传热的特点,a）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

17、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。,物体间靠热辐射进行的热量传递过程，辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递。它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流传热一样。,（4）辐射传热的定义,辐射传热的研究方法假设一种物质，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该物质进行比较和修正，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,，,a）黑体是一种理想的物体，实际中不存在b）从某

18、种意义上说，黑体是一种研究手段,黑体辐射定律（Stefan-Boltzmann定律、四次方定律）,其中T黑体的热力学温度K；斯忒潘玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为；A辐射表面积m2。Q物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射传热量,文字描述：黑体在单位时间内发出的热辐射热量正比于其温度的四次方和热辐射面积。,（9）两黑体表面间的辐射传热,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。,一切实际物体的热辐射能力都小于同温度下的黑体，故实际物体辐射热流量为：,对于两个相距很近的黑体表面，由一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上。,（10）一种简单的实际辐射传热情形,表面

19、积为A1、表面温度为T1、发射率为的物体包容在一个很大的表面温度为T2的空腔内，物体与空腔表面间的辐射传热量,A1A2,房间散热器热电偶测温,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。,图见下页,例题8,一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：

20、（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热流量。,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热流量记为,近似地取室内物体和墙壁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传热量为：,讨论：计算结果表明，对于表面温度为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,则总散热量,1.3传热过程和传热系数(Heattransferprocessandcoefficient),（1）传热过程的定义：热量由壁面一

21、侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称为传热过程（两流体间通过固体壁面进行的传热）,（2）传热过程包含的传热方式：,导热、热对流、热辐射,1传热过程及传热方程式,三个环节：a）热流体壁面高温侧b）壁面高温侧壁面低温侧c）壁面低温侧冷流体,特指,（3）一维稳态传热过程中的热量传递传热方程式,传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下：,抓住一条重要的规则：稳态传热过程中，如果没有热损失，则热量传递的方向上，热流量始终保持不变。,将三式改写成温差的形式：,三式相加，整理可得:,一维稳态平板传热过程中的传热方程式,也可以表示成,式中，称为传热系数，单位为,则通过单位面积平壁的热流密度为,2传热系

22、数,传热系数的表达式为:,数值上等于冷热流体间温差,传热面积时热流量的值。,表征传热过程强烈程度的指标:值越大，则传热过程越强，反之，则越弱。,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。如果对表达式取倒数，还可理解得更深刻些。此时,以上例题传热问题、对流问题或二者耦合问题（coupledproblemorconjugateconvectionandconductionproblem）分析表明传热过程主要取决于最外端两层的温度差（t）。同时还与传导过程导热系数与导热层厚度（k,）、对流过程对流换热系数（h）有关，即：,HeatTransfer,空气（0）,上式可进一步写成如下形式：,它与电学中的欧姆定律类似：,电势（电压差）,电阻,电流,热势（温度差）,热阻,热流,3传热热阻,HeatTransfer,传热过程规律：,电路串联规律：,通常根据导热与对流的定义，我们定义总传热系数如下：,3传热热阻,3传热热阻,欧姆定律,左侧对流换热热阻,壁面的导热热阻,右侧对流换热热阻,忽略热辐射换热，则,称为热阻分析法,导热热阻的图示,导热热阻,面积热阻,Thermalresistanceforconvection,对流传热热阻,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：在一个串联的热量传递过