绪论2007012.ppt

1、传 热 学,（Heat Transfer）,教材: 传热学 杨世铭、陶文铨编著，第四版,考核方法：平时成绩20% （作业、出勤等) 期末考试: 80%,第一章 绪 论,1.1 概 述 (Introduction) 传热学是研究热量传递过程规律的一门科学。具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法。,热量传递过程的驱动力是温差,一类是着眼于传热速率（rate of heat transfer）的大小及其控制 ：增强传热（如加热与冷却）或消弱传热（保温）。,传热问题归纳起来分为两大方面：,另一类是着眼于温度分布及其控制: （distribution of temperature and i

2、ts control）,二、传热学应用实例,日常生活中的例子:空调、取暖器、烧水、盛有热水的杯子放在冷水中冷却。,工业上传热例子：（1）冶金工程和金属材料工程中的金属熔化、凝固过程的传热问题,铸造、焊接过程中的熔化和凝固传热问题 .(2) 无机非材料工程中的陶瓷、玻璃等制造工程中传热问题 .(3)高分子材料工程中的塑料成型过程中传热问题 .,其他领域：原子能、导弹、人造卫星、宇宙飞船、生物医学。,1.2 传热的基本方式 （Principal mode of heat transfer）,热传导（导热）heat conduction 热对流 convection heat transfer 热辐

3、射 radiation heat transfer,(1) 定义：导热是指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体之间直接接触，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。,(2）物质的属性：气体、液体、金属固体、非金属固体,一、导热（热传导） Conduction,气体:导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞结果。 金属中，依靠自由电子的迁移传递热量。 非金属。依靠晶格的热振动波传递热量. 液体，不十分清楚，估计类似非金属。,(3）导热的特点：,a 有温差；,b 物体直接接触；,c 微观粒子(分子、原子及自由电子等)热运动；,d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。,(4）

4、导热的基本定律,两壁面温度为tw1, tw2的平板导热. 对于x方向上任意一个厚度dx的微元层，根据傅立叶定律，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的面积A成正比，,负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反,平壁导热过程热流量的基本公式,：热流量（heat flux），单位时间通过某一给定面积的热量， W q: 热流密度或热流通量，单位时间通过单位面积的热流量，W/ m2 A: 壁面积，m2 : 壁厚，m t:两壁面温差（ttw1tw2， oC） :导热系数或导热率，W/ mK.,(5) 导热系数,不同材料，值不同。,同一材料，值与温度有关。气体：t，液体：t， 金属最高，t

5、， 非金属（建材，隔热保温材料）t,(6）导热热阻（thermal resistance）,电流I电位差U / 电阻R 热流量温度差t / 热阻Rt,平壁导热热阻 Rt/A K/ W Rt， Rt 1/A,二、对流（ convection heat transfer ）,定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间， 依靠流体的运动，把热量由一处传递到另一处的现象。,对流过程中，有质量m（kg/m2,s）的流体（液体和气体）由温度t1的地方流到t2处，对流传递的热量:,q = m Cp(t1 - t2) W/ m2,Cp: 比热(heat capacity at constant exter

6、nal pressure),(2) 对流换热: 流体与固体壁面直接接触时换热,分类: 自然对流 natural convection 强迫对流 forced convection 相变换热 phase transformation,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 壁面处会形成速度梯度很大的边界层,(3）对流换热基本公式,牛顿公式： h(tw - tf)A = htA (W) q = h(tw - tf) = ht W/m2,：热流量W，单位时间传递的热量，W q: 单位时间通过单位面积的热流量，W/m2 tw :

7、 壁面温度 oC tf: 流体温度oC ttwtf 液体加热 ttftw液体冷却 h：表面换热系数（convection heat transfer coefficient）,W/ m2,K.,换热系数意义：1 m2壁面上，当流体同壁之间的温度差为 1oC时，单位时间内所传递的热量。h大小反映对流换热过 程的强弱。,影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等,（4）对流换热热阻 t/Rt = t/(1/hA) W Rt = 1/ hA K/ W,三、热辐射 (Thermal radiation),(1) 定义：热辐射是依靠物体对外发射电磁波来传递热量。,辐射换热过程: 辐射和吸收,(2）热辐射

8、特点,是一种动态的传递过程。,若两物体间的温度相相互辐射的能量相等，即辐射换热量为零，但它们间的辐射和吸收仍再不断地进行。,不需介质，且在真空中最有效。,在热量传递过程中，伴有能量形式的转换。 内能辐射能内能,(3）热辐射基本公式,斯蒂芬玻尔兹曼定律（Stefan- Boltzmans Law） 计算黑体在单位时间内发出的热辐射热量, AbT4 W,b:黑体辐射系数（black body radiation heat transfer coefficient）， 5.67x10-8 W/m2 ,K4 T: 绝对温度，K A：表面积， m2,实际物体热辐射热流量计算, AbT4 W,：黑度（物体

9、的发射率）1,它与物体的种类及表面有关，,两黑体表面间的辐射换热,四、实际传热过程,热由室内空气以对流换热和物体间的辐射换热方式传给墙内表面。 由墙内表面以固体导热方式传导墙外表面 由墙外表面以空气对流换热和物体间的辐射换热方式把热传给室外环境。,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：,例2.一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，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

10、热的表面传热系数h=3.42 W /(m2 K), 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。,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量记为,1.3 基本概念(Basic concepts),一、温度场 (temperature field),温度场:某一瞬时空间（或物体内）所有各点的温度分布的总称，它是一个标量。,t = f (x, y, z,)，,三维非稳态（Transientstate），,三维稳态（Steady-state）,，,二维或一维稳态,，,，,二、等温面和等温线 （isotherms plane/ line）,等温面：同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面。,等温线: 不同的等温面与同一平面相交的交线。,特点： 1. 温度不同的等温面不会相交 2. 等温面上不会有热流（即热量传递）,三温度梯度（temperature gradient）,温度梯度：沿等温面（线）法线方向上的温度变化率，记gradt。它是一个向量（vector），正向朝着温度增加的方向。, t, 分别为三条温度依次升高的等温线，,法线方向单位矢量,温度在法线方向的导数,热流沿着与温度梯度相反的方向流动,温度梯度在空间直角坐标系中的三个分量等于其相应的偏导数,i, j. k