传热学-杨开敏：1

1、传 热 学 Heat Transfer,Tel. Email:,第一章绪 论,1-1 为什么要学习传热学？ 1-2 传热学研究方法 1-3 如何学习传热学？ 1-4 热量传递的三种基本方式() 1-5 传热过程与传热系数(),Introduction,1-1 为什么要学习传热学？,生活现象思考,研究由温差引起的热量传递规律的科学。 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,传热学定义,热量从高温物体传递到低温物体,学习传热学的重要性,自然界温差无处不在，无时不有； 传热学是能源动力、建筑环境与设备、化工、机械、电子、土木等学科的主干技术基础课； 传热学与流体力学、工程热

2、力学并称能源动力、建筑环境与设备类专业的三大支柱。,传热学的应用领域广泛,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、军事科学与技术、生命科学与生物技术,传统工业：,能源动力,传统工业：,石油化工,传统工业：,制冷空调,高新技术：,航空航天,高新技术：,电子器件,节能环保：,建筑环境,日常生活：,1-2 传热学研究方法,分析解法 数值解法 实验解法 比拟解法,分析解法,进行合理的物理假设,建立所研究物理问题的数学描写,用理论推导的方法获得问题的解析解,数值解法,进行合理的物理假设,建立所研究物理问题的数学描写,进行区域的离散和方程的离

3、散,进行计算机编程计算获得结果,实验解法,实验解法常常需要付出较多的人力、物力和财力。另外，对于丰硕许多复杂影响因素的物理现象，要找出众多变量之间的关系，实验的次数必然十分庞大。为大大减少实验次数，必须在相似原理的指导下进行实验。使个别实验得出的结果上升到代表整个相似组的地位。,比拟解法,实质：根据两种物理现象间在数学描写上的相似性从而得出问题解的方法。,举例；导热部分的热电比拟，就是利用热现象和电现象之间的类似；热质比拟，就是利用传热与传质现象之间的类似。,1-3 如何学习传热学？,课程特点,实践性很强的一门科学，常称工程传热学 是一门专业基础课，联系基础课和专业课的纽带 能量守恒定律是贯穿

4、全书的主线 先修课程：高等数学、大学物理、工程热力学、流体力学等,学习方法要点,重视对基础概念和基本理论的理解 加强工程实践训练，理论和实际相结合 学会传热学分析和解决实际问题的思路和方法 培养四方面的能力： 综合分析问题的能力 工程分析问题的能力 灵活应用经验公式和计算图表的能力 实验技能 课外自学和课堂讲授相结合 及时复习和小结,1-4 热量传递的三种基本方式(),导热Heat Conduction； 对流Convection； 热辐射Thermal Radiation,一、 热传导(导热),1、定义与特征： 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生

5、的热量传递过程 导热:物质固有的本质，无论气体、液体、固体都有导热的本领；,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,导热的特点：,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。 非导电固体：晶格结构的振动。 液体：很复杂。,2.导热机理,氢(黄色)与氧(蓝色)，当温度升高，分子运动速度增加。,气体导热,导电固体导热,导电固体有相当多的自由电子在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导热中起着主要作用。,非导电固体导热,非导电固体：导热通过晶格结构的振动，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现。,3、基本

6、定律(傅立叶定律),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。,1）导热系数：表征材料导热性能的参数。 2 ）热流量：单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为 ，单位 w。 3 ）热流密度：单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为 q ，单位 w/ 。,当温度t沿x方向增加时，dt/dx0，q0，说明热量沿x减小的方向传递；反之，dt/dx0，q0，说明热量沿x增加的方向传递。,为温度梯度，负号表示热流密度的方向与温 度梯度的方向相反。即热量传递的方向与温度升 高的方向相反。,热导率（导热系数） (Thermal conductivity),

7、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(1m2)、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,一维稳态导热的公式推导,在稳态过程中，垂直于X轴的任一截面上导热量都是相等。,例题1-1 一块厚度=50mm的平板，两侧表面分别维持在tw1=300、 tw2=100 。试求下列条件下通过单位截面积的导热量(1).材料为铜，=374W/(m.K)；(2).材料为钢，=36.3W/(m.K)；(3).材料为铬砖，=2.32W/(m.K)；(4).材料为硅藻土砖，=0.242W/(m.K) 。 解：,这是通过大平壁的一维稳态导热问题，,对于铜

8、：,对于钢 ：,对于铬砖：,对于硅藻土砖：,铜是热的良导体，而硅藻土砖起到一定的隔热作用,二、热对流(convection)与 对流换热(Convection heat transfer),1. 定义与特征 定义：由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。,流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流,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,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 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差。,

9、example,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，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热,流动原因，分为：强迫对流换热和自然对流换热。,流动状态，分为：层流和紊流。,1 ）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。 2 ）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。 3 ）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）。,自然对流,强制对流,3.牛顿冷却公式,h 表面传热系数, 固体壁表面温度,流体温度,表面传热系数（对流换热系数） （Convection heat tr

10、ansfer coefficient）, 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 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、流体物性、有无相变、壁面形状大小等,三、热辐射（Thermal radiation）,辐射物体通过电磁波来传递热量的方式。 热辐射因热的原因而发出辐射能的现象。,辐射影响因素：物体温度、物体的种 类、物体表面状况。,辐射换热：以辐射方式进行的物体间的热量传递。,1.定义,example,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。,无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁

11、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,2.辐射换热区别于导热、对流的特点,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。,3.斯忒藩-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。（Black body）,黑体的辐射能力与吸收能力最强,黑体在单位时间内发出的热辐射热量：, 绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯蒂芬-玻尔兹曼常数，黑体辐射常数 A辐射表面积，m2,实际物体辐射能力：低于同温度黑体, 实际物体表面的发射率（黑度），01；与物体的种类、表面状况和

12、温度有关 （Emissivity）,对于两个相距很近的黑体表面，由于一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上，那么它们之间的辐射换热量为 ：,例题1-2 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tw=48。空气温度tf= 23,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/(m2.K)，保温层外表面的发射率=0.9。 (1)此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式； (2)计算每米长度长度管道的总散热量。,解：(1)管道散热方式：自然对流换热、辐射换热；,自然对流：,辐射换热量：,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

13、辐射散热量具有相同的数量级，必须同时予以考虑。,1-5 传热过程与传热系数(),1.传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程。,传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成,k 为传热系数，W/( m2oC)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差=1 oC、传热面积A1 m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。传热过程越强，传热系数越大，反之则越弱。,为热流体与冷流体间的平均温差；,假设传热过程处于稳态：,屋内热空气的热量通过墙壁传递给屋外冷空气，这个过程就属于传热过程。,若屋内空气温度为tf1，屋外的空气温度为tf2，传热温差= tf1- tf2。若屋内对

14、流换热系数为 ，屋外侧的对流换热系数为 ，墙壁的厚度为 ，墙壁的导热系数为 ，墙壁表面积为A 。,从热流体tf1到tw1：,tw1到tw2：,tw2到冷流体tf2 ：,表示成热阻的形式，有,2.热阻,导热热阻：,Thermal resistance for conduction,对流换热热阻,单位面积传热热阻,k越大，传热越好。若要增大k，可增大,例题1-3 对一台氟里昂冷凝器的传热过程作初步测算得到以下数据：管内水的对流换热表面传热系数h1=8700W/(m2.K),管外氟里昂蒸汽凝结换热传热系数h2=1800W/(m2.K),换热管子壁厚=1.5mm。管子材料为导热系数=383W/(m.K)的铜。试计算三个环节的热阻及冷凝器的总传热系数：欲增强传热应从哪个环节入