1传热学 第一章课件.ppt

1、传热学部分,尹水娥,热工理论基础,专业：热能工程,E-mail: ,Office ：7522641,教材,传热学，戴锅生著，第二版,学时,总学时：24，讲课：22，实验：2,参考资料：传热学，杨世铭、陶文铨编著，第四版,传热学重点难点及典型题精解，王秋旺，西安交大出版社,辅导,周四 4:00-5:00pm，一校区教4楼 热能教研室,第一章 绪论,1-1 传热学概述,1-2 热量传递的基本方式 1-3 传热过程与热阻,一、传热与传热学,有温差的物体，热量自发地 由高温物体传给低温物体,没有温差的地方没有热量 传递,传热：是物质在温差作用下所发生的热量传递。 传热学：研究由温差引起的热量传递规律的

2、科学。,二、传热学的普遍性 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,l l l,冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来为什么 感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果更加明显？ 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？ 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？,在下列技术领域大量存在传热问题,动力、化工、制冷、建筑、环境、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、

3、军事科学与技术、生 命科 学与生物技术,燃煤电厂的基本流程,锅 炉 工 作 原 理,三、传热学与工程热力学的关系,相同点：,传热学以热力学第一定律和第二定律为基础,热力学第一定律,热力学第二定律,热量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。,热量能自发的从高温物体传递到低温物体,Q = mc p (t1 t2 ),单位：J,不同点 a. 工程热力学：热能与机械能及其他形式能量之间 相互转换的规律。不考虑热量传递过程的时间。 研究系统从一个平衡态到 另 一个平衡态过程中 热量传递的多少,dQ d, =,b. 传热学：热量 传递过程的规律，时间是重

4、要 参数 。关心的是温度随 时间的 变化和单位 时间所传 递的热量热流量。,单位：W,t = f ( x , y , z , );,Q = f ( ),水，M2 20oC,传热学与工程热力学研究的问题不同 铁块, M1 300oC 热 力学： tm , Q 传热学：过程的速率,传热学研究内容 热量传递的机理和速率、温度 场的变化,传热学的工程应用,1、 强化传热：即在一定的 条件下， 增加 所传递 的热量。 如热水的 搅拌冷 却,2 、 削弱传热，也称 热绝缘 ：即在一 定的温差 下，使 热量的传递 减到最小。如热 水瓶,3 、温度控 制：为使 一些设备能安全 经济 地 运 行 ，需要对热量传

5、递中的 关键部位进行温 度控 制 。如航 天器返回 地面， 笔记本的 散热,q = = , ,m,四、传热问题的分类和主要计算量, ,稳态传热过程: 传热过程中各处温度不 随时间变化。 非稳态传热过程：传热过程中各 处温度随时间变化。,热流量：,热流密度：, W ,dQ d , =, A,t , W 2,1-2热量传递的基本方式,热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射,一、热传导（导热）,1 、定义和特征, 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 。 导热是物质的属性：只要存在温差，可以在固,体、

6、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：气体分子不规则热 运动时 相互碰撞的结果。,导 电固体：自由电 子运动和晶格结构的震 动。 非 导电固 体：晶格结构的 振动。 液 体：很 复杂。,q = = ,热导率（导热系数） , W ,t , = A, , t W A m 2 ：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 : 平壁的厚度m； A ： 垂直于导热方向的 截面积 m 2 o, :,W (m o C),T1,T2

7、,l ,4 、热量传递方程,热导率 （ 导热系数 ）, =, A t , W ,t , = A,定义：具有单位温度 差（1K）的单位厚度的物体(1m)， 在它的单位面积上 (1m 2)、每 单位时间(1s)的导热量(J) 热导率表示材料导热 能力大小； 物性参数；实验确定 金属 非金属固体 液体 气体 纯铜 = 398 W ( m o C ) ; 水 = 0.6 W ( m oC ) ; 空气 = 0.026 W ( m oC ) （20 o C ）,= 398 50 / 0.01 = 1.99 10 W,= 109 50 / 0.01 = 0.545 10 W,= 40 50 / 0.01

8、= 0.2 10 W,例题 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tw1tw2= 50不变，试求通过每块平板 的导热热流密 度。 这是通过大 平壁的一 维稳态导热问题,6,对：,6,6,tw1 tw 2 tw1 tw 2 tw1 tw 2 ,解于纯铜板 q1 = 1 对于黄铜板 q2 = 2 对于碳钢板 q2 = 3,定 义：流 体各部分 之间发生相对位移时， 冷热,流 体相互 掺混所引起的热量传递过程。,特征：流 体中有温差 热对流必 然 同时

9、 伴 随,着 热传导，自然界 不存在 单一的热 对流,二、热对流,1、 定义和 特征,对流换热的 特点, 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, 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 （流体中各部 分温度不同，必然伴有分 子不规 则热运动而传递的热 量）, 必须有直接接触（流 体与壁面）和宏观运动；也必须有,温差, 对流换热机理与通过紧靠 换热面 上薄膜层的热传导有关,对 流 换 热 ： 流 体与 温 度 不 同 的 固 体 壁 间 接 触 时 的热量交换过程,2.分类,对 流换热 按照不同 的原因 可分为多种类型,是 否相变 ：有相变 的对流 换热和无 相 变的

10、对 流换热 流动原因 ：强迫对 流换热 和自然对 流 换热。 流动状态 ：层流和 紊流。,3.对流换热的计算： 牛顿冷却公 式（1701）, W , = hA(t w t f ),u,tf,tw,A,q = A, W m 2 热流量W，单位时 间传递的热量 2 2 o 2 o o,表面传热系数（对流换 热系数 ）,h = ( A ( t w t f ) W,(m 2 o C),定 义 ： 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 h是表征对流 换热过程强弱的物理量 影 响 h 因 素 ： 流 动 原 因 、 流 动 状 态 、 流 体 物

11、 性 、 有 无相变、壁面 形状大小等,流动原因：强制自然对流,介质：水 空气,相变：有相变无相变,记住一些换热系数的数量级,例 题 ：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/(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 。,1.热辐射定义,物体通过电磁波来传递热

12、量的方式，称为辐射 物体会因 各种原 因发出 辐射能 ，其中由于热的原因,向外发出的 辐射，称 为热 辐射。,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,辐射换热：物体间靠热 辐射进行的 热量传递,三、热辐射与辐射换热,2.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

13、热由高 温传到低温, ,W m,3.计算：斯蒂芬-玻尔兹曼定律 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。 黑 体是一 种理想物体，它 的辐射能力只与温度 有 关，吸收能力最强 黑体向外辐射热流量 计算式(Stefan-Boltzmann),4,2,E b = bT,b,Eb 绝对黑 体辐射力 T 黑体表 面的绝对温度（热力 学温度） K 斯蒂芬 -玻尔兹曼常 数，5.67 10-8 W (m 2 K 4 ), ,W m,实 际物体 向外辐射 热流量 计算式：低 于同 温 度黑体,4,2,E = bT,物体的温度越高、辐射能力越强 实 际 物 体 表 面 的 发 射 率

14、（ 黑 度） ， 01； 与物体的种 类、表面状况和温度有关, = 1 A1 (T 1 T 24 ),一个辐射换热计算的特例 物体表面间辐射换热的计算涉及到物体表面的辐射能 力、吸收能力、表面间的几何关系等多方面的因素， 因此，不同情况下，其计算公式不一样。 特例：一小凸物体被包容在一个很大的空腔内。 该物体与空腔表面的辐射换热量计算式：,4,A 1 A2,W,1-3 传热过程和传热系数,传热过程, ,h1 , tf1,h2 , tf2,2. 传热方程式 = kA(t f 1 - t f 2 ) k 传热系数 ，表示整个传 热过程的强弱，单位 是 W (m 2 K),一、传热过程 1. 定义

15、热量由壁面一侧的流体通 过壁面传到另一侧流体 中的过程称为传热过程。, = kA(t f 1 -tf2 ),A(t f 1 t f 2 ),+ +,3. 通过平壁传热过程的分析 该 传热过程包含串 列着 的三 个环节 ，（1 ）高温 流体侧 的对流 换热； （2） 通 过壁面 的导热 ；（3 ）低温 流体侧 的对流 换热。,h1 , tf1,h2 , tf2, = A h1 ( t f 1 t w 1 ),( t w 1 t w 2 ) , = A , = A h2 ( t w 2 t f 2 ),在 稳态情 况下，由 上面 三个 式子计算的热 流量应 是相等 的。, = 1 1 h1 h2

16、与传热方程式 相 对应， 可以 得到在 该传热过程 中传热系 数的 计算式。, / h1 = A ( t f 1 t w 1 ), / = A ( t w 1 t w 2 ), / h2 = A ( t w 2 t f 2 ),k =,1 1/ h 1 + / + 1 / h 2,I =,+ +,热阻的概念,通过平壁导热的热阻,t 2 t ( A),t 1 =,I R U U R,( A) ( A ),R = t1,t2,对流换热： = hA(tw t f ),(tw t f ) 1/(hA), =,Rh = 1 / ( hA),用热阻的概念分析传热过程,h1 , tf1,h2 , tf2,A

17、(t f 1 t f 2 ) 1 1 h1 h2,( A),tf1,tw2,tw1,tf2,1 ( h1 A ),1 ( h2 A ) =,例题: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,+,+,+,+,1 h2,1 h1,q =,t f 1 tf 2 ,= 100W / m2,1 20W (m2