华中科大学工程传热学精编版

1、 2021-7-272 2021-7-273 传热学概述传热学概述 热量传递的基本方式热量传递的基本方式 传热过程与传热系数传热过程与传热系数 2021-7-274 1 传热学的概念传热学的概念 研究热量传递规律的一门科学研究热量传递规律的一门科学 具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算 和测试方法和测试方法 热热？ 热量热量？ 热能热能？ Hot、Heat、Thermal energy 2021-7-275 钻木取火钻木取火 太阳太阳 电热器电热器 地热地热 2021-7-276 2021-7-277 2 传热学的基本任务传热学的基本任务 求解温度分

2、布求解温度分布 计算热量传递的速率计算热量传递的速率 热力学热力学 + 传热学传热学=热科学热科学(Thermal Science) 系统从一个平系统从一个平 衡态到另一个衡态到另一个 平衡态的过程平衡态的过程 中传递热量的中传递热量的 多少。多少。 关心的是热关心的是热 量传递的过量传递的过 程，即热量程，即热量 传递的速率。传递的速率。 水，水，M2 20oC 铁块铁块, M1 300oC 热力学：热力学：tm , Q 传热学传热学)( );,( fQzyxft 2021-7-278 大规模太阳能热气流综合发电大规模太阳能热气流综合发电 2021-7-279 热力学研究：热力学循环和能量转

3、换效率热力学研究：热力学循环和能量转换效率 1 2 3 4 4 3a 3b 3a 3b 透平能透平能 量损失量损失 烟囱能烟囱能 量损失量损失 透平温降透平温降 （压降）（压降） 烟囱温降烟囱温降 （压降）（压降） 动能损失动能损失 太阳能烟囱电站空气循环温熵图太阳能烟囱电站空气循环温熵图 T S 1 太阳能太阳能 热气流能热气流能 机械能机械能 电电 能能 2021-7-2710 传热学研究：系统内的温度、压力和速度场传热学研究：系统内的温度、压力和速度场 2021-7-2711 3 传热学应用举例传热学应用举例 自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍传热很普遍

4、日常生活中的例子：日常生活中的例子： 为什么水壶的提把要包上橡胶？为什么水壶的提把要包上橡胶？ 2021-7-2712 特别是在下列技术领域大量存在传热问题：特别是在下列技术领域大量存在传热问题： 动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、 微电子、核能、航空航天、微机电系统微电子、核能、航空航天、微机电系统 （MEMSMEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科）、新材料、军事科学与技术、生命科 学与生物技术学与生物技术 2021-7-2713 资料图片：资料图片： 和平号残骸划过大气层和平号残骸划过大气层 小知识：小知识： 飞船的返回与着陆飞船的返回

5、与着陆 Apollo 11 lift off 2021-7-2714 1. 坦克与周围环境的换热模拟坦克与周围环境的换热模拟 2021-7-2715 2. 厨房内部气体传热流动模拟厨房内部气体传热流动模拟 12 3 4 2021-7-2716 2021-7-2717 2021-7-2718 4 传热过程分类传热过程分类 依据物体温度与时间的依变关系，可将传热依据物体温度与时间的依变关系，可将传热 过程分为过程分为稳态稳态传热过程和传热过程和非稳态非稳态传热过程。传热过程。 若物体中各点温度不随时间改变，则对应的若物体中各点温度不随时间改变，则对应的 传热过程为传热过程为稳态稳态热传递过程；若物

6、体中各点热传递过程；若物体中各点 温度随时间改变，则对应的传热过程为温度随时间改变，则对应的传热过程为非稳非稳 态态热传递过程。热传递过程。 稳态过程和非稳态过程又称为稳态过程和非稳态过程又称为定常过程定常过程和和非非 定常过程定常过程。 例如：昼夜温差变化、座位椅子温度感觉例如：昼夜温差变化、座位椅子温度感觉 2021-7-2719 热量传递基本方式：热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射热传导、热对流、热辐射 2021-7-2720 2021-7-2721 1 热传导（导热）热传导（导热） 2021-7-2722 气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果气体：气体分子不规则运动时相互碰撞

7、的结果 导电固体：自由电子运动与晶格结构振动导电固体：自由电子运动与晶格结构振动 非导电固体：晶格结构振动非导电固体：晶格结构振动 液体：兼有气体和固体导热的机理液体：兼有气体和固体导热的机理 2021-7-2723 C 1822年，法国数学家年，法国数学家Fourier： t q A dtt AA dx t Fouriers Law Heat flux Thermal conductivity t1 t2 2021-7-2724 x t q 2 m/W 当温度当温度t沿沿x方向增加时，方向增加时，dt/dx0，q0，说明，说明 热量沿热量沿x减小的方向传递；反之，减小的方向传递；反之，dt/

8、dx0， q0，说明热量沿，说明热量沿x增加的方向传递。增加的方向传递。 负号表示热量传递的方向与温度升高的方向负号表示热量传递的方向与温度升高的方向 相反。相反。 2021-7-2725 t q A 称为材料的热导率，又称导热系数，单位是称为材料的热导率，又称导热系数，单位是W/(m K)； 导热系数的导热系数的物理意义物理意义：其数值大小反映材料的导热能力：其数值大小反映材料的导热能力, 热导率越大，材料的导热能力就越强。热导率越大，材料的导热能力就越强。 导热系数与材料及温度等因素有关。金属是良导热体，热导热系数与材料及温度等因素有关。金属是良导热体，热 导率最大，液体次之，气体最小。导

9、率最大，液体次之，气体最小。 金属非金属固体液体气体 ; )(398CmW 纯铜 ; )(6 . 0CmW 水 ）（ 空气 CCmW 20 )(026. 0 2021-7-2726 电学的欧姆定律电学的欧姆定律 ： I(电流电流)=U(电压电压) /R (电阻电阻) /() t A 温 压 热 流 量 热 阻 大平板稳态导热，由于是一维问题，且大平板稳态导热，由于是一维问题，且 和和q为为 常量；傅立叶定律为：常量；傅立叶定律为： t A 稳态情况下流过大平板的导热量与平板的截面积稳态情况下流过大平板的导热量与平板的截面积 和两侧的温差成正比，与平板的厚度成反比。和两侧的温差成正比，与平板的厚

10、度成反比。 这里引入这里引入热阻热阻的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。 各种转移过程有一个共同规律，就是：各种转移过程有一个共同规律，就是： 过程的动力 过程中的转移量 过程的阻力 R A Thermal resistance for conduction r 2021-7-2727 2 热对流热对流 若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各 部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量 传递现象称为传递现象称为热对流。热对流。 这时

11、，除了有因流体各部分间宏观相对位移而引起的热这时，除了有因流体各部分间宏观相对位移而引起的热 对流外，流体分子的热运动还会产生导热过程。故对流外，流体分子的热运动还会产生导热过程。故热对流热对流 和和热传导热传导总是总是同时存在同时存在的。的。 在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的是流体流过在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的是流体流过 一个温度不同的物体表面时引起的热量传递，这种情况称一个温度不同的物体表面时引起的热量传递，这种情况称 为为对流换热。对流换热。 2021-7-2728 对流换热的特点对流换热的特点： 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程。导热与热对流同时存在的复杂热传递过

12、程。 必须有直接接触必须有直接接触(流体与壁面流体与壁面)和宏观运动；也必须有温和宏观运动；也必须有温 差。差。 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处 会形成速度梯度很大的边界层会形成速度梯度很大的边界层 2021-7-2729 ： tAhthq或 w t 2 W (mC) f t 1701年，英国科学家牛顿提出当物体受到流体冷却时，年，英国科学家牛顿提出当物体受到流体冷却时， 表面温度对时间的变化率与流体和物体表面间的温差表面温度对时间的变化率与流体和物体表面间的温差 t成正成正 比。在此基础上，人们后来总结出了计算对流换热的基本公

13、比。在此基础上，人们后来总结出了计算对流换热的基本公 式，称为牛顿冷却公式，形式如下：式，称为牛顿冷却公式，形式如下： 2 m 2 W m t流体和物体表面的温差，约定永远为正，单位为流体和物体表面的温差，约定永远为正，单位为K或或。 2021-7-2730 )/(1Ah t 1 R hA 式式(1-4)只是给出了只是给出了表面传热系数表面传热系数的定义式，并没有指出的定义式，并没有指出 其具体的计算方法。影响表面传热系数的因素很多，包括其具体的计算方法。影响表面传热系数的因素很多，包括流流 体的物性体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）、（导热系数、粘度、密度、比热容等）、流动的形流动的

14、形 态态（层流、紊流）、（层流、紊流）、流动的成因流动的成因（自然对流或强制对流）、（自然对流或强制对流）、 物体表面的形状、尺寸，换热时流体有无相变物体表面的形状、尺寸，换热时流体有无相变（沸腾或凝结）（沸腾或凝结） 等。研究对流换热的基本任务就是用理论分析或实验方法得等。研究对流换热的基本任务就是用理论分析或实验方法得 出不同情况下表面传热系数的计算关系式。表出不同情况下表面传热系数的计算关系式。表1-1列举了一列举了一 些对流换热过程的些对流换热过程的h值的大致范围。由表值的大致范围。由表1-1可知，水的对流可知，水的对流 换热表面传热系数比空气的大，强制对流的比自然对流的大，换热表面传

15、热系数比空气的大，强制对流的比自然对流的大， 有相变的比无相变的大。有相变的比无相变的大。 Thermal resistance for convection 1 r h 2021-7-2731 研究对流换热研究对流换热 的基本任务就是用的基本任务就是用 理论分析或实验方理论分析或实验方 法得出不同情况下法得出不同情况下 表面传热系数的计表面传热系数的计 算关系式。算关系式。 Typical values of h ProcessH(W/m2 - C) Free Convection Gases Liquids Forced Convection Gases Liquids Liquid me

16、tals Phase change Boiling liquids Condensation 5 - 30 20 - 1000 20 - 300 50 - 20,000 5,000 - 50,000 2,000 - 100,000 5,000 - 100,000 2021-7-2732 2021-7-2733 一切温度高于一切温度高于0K的物体都会以电磁波的方式发射具有一的物体都会以电磁波的方式发射具有一 定能量的微观粒子，即光子，这样的过程称为定能量的微观粒子，即光子，这样的过程称为辐射辐射，光子所，光子所 具有的能量称为具有的能量称为辐射能辐射能。 辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式。物

17、体会因不辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式。物体会因不 同的原因发出辐射能。由于热的原因而发出辐射能的现象称同的原因发出辐射能。由于热的原因而发出辐射能的现象称 为为热辐射热辐射，这时辐射能是由物体的内能转化而来，物体的温，这时辐射能是由物体的内能转化而来，物体的温 度越高，辐射能力越强。度越高，辐射能力越强。 3 热辐射热辐射 2021-7-2734 a)不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，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在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能物

18、体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能 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；总的效果是热由高温物体物体辐射给高温物体的能量；总的效果是热由高温物体 传到低温物体传到低温物体 Radiation heat transfer 2021-7-2735 物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射 与吸收本领也大不一样。为此，定义一种理想物体

19、与吸收本领也大不一样。为此，定义一种理想物体绝对黑体绝对黑体。 绝对黑体（简称绝对黑体（简称黑体黑体）是理想化的能吸收投入到其表面上所有）是理想化的能吸收投入到其表面上所有 热辐射能的物体。这种物体的吸收本领和辐射本领在同温度的热辐射能的物体。这种物体的吸收本领和辐射本领在同温度的 物体中最大。物体中最大。 黑体单位面积在单位时间内发出的热辐射能由黑体单位面积在单位时间内发出的热辐射能由斯蒂藩斯蒂藩-玻耳玻耳 兹曼定律兹曼定律计算：计算： K 黑体表面的绝对温度（热力学温度）黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数 4 bb ET 824 5.67 10 W/(

20、mK ) b T b 黑体是否可以说成是黑（颜）色的物体？黑体是否可以说成是黑（颜）色的物体？ 2021-7-2736 一切实际物体辐射能力都小于同温度下的黑体一切实际物体辐射能力都小于同温度下的黑体 4 W b ET 实际物体表面的实际物体表面的发射率发射率（黑度黑度），），01；与物体；与物体 的种类、表面状况和温度有关的种类、表面状况和温度有关 两个表面间的辐射传热量的计算较为复杂，需要考虑各两个表面间的辐射传热量的计算较为复杂，需要考虑各 表面辐射的热量和吸收的热量的总和。但有两种情况计算却表面辐射的热量和吸收的热量的总和。但有两种情况计算却 很简单：很简单： 当一个面积为当一个面积为

21、A1，发射率为，发射率为 1，温度为，温度为T1的表面被另一个的表面被另一个 温度为温度为T2的大得多的表面包围时，两表面间的辐射热流量：的大得多的表面包围时，两表面间的辐射热流量： 44 1112 () b ATT Emissivity 1 2 2021-7-2737 T1 T2 A 两无限大平行黑体平板间辐射两无限大平行黑体平板间辐射 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 44 12 () b ATT 当当T1=T

22、2时，也就是物体和周围环境处于热平衡时，辐射换热时，也就是物体和周围环境处于热平衡时，辐射换热 量等于零。但此时是动态平衡，辐射和吸收仍在不断进行。量等于零。但此时是动态平衡，辐射和吸收仍在不断进行。 此时物体的温度保持不变。此时物体的温度保持不变。 2021-7-2738 1 传热过程传热过程 传热过程由传热过程由三个相互串联三个相互串联的的热量传递环节热量传递环节组成组成: a) 热量以对流换热的方式从高温流体传给固体壁面；热量以对流换热的方式从高温流体传给固体壁面； b) 热量以导热的方式从高温流体侧壁面传递到低温流体热量以导热的方式从高温流体侧壁面传递到低温流体 侧壁面；侧壁面； c)

23、 热量以对流换热的方式从低温流体侧壁面传给低温流热量以对流换热的方式从低温流体侧壁面传给低温流 体。体。 注意：在第一和第三个环节中有时还须考虑壁面与流体及周围注意：在第一和第三个环节中有时还须考虑壁面与流体及周围 环境之间的辐射换热。环境之间的辐射换热。 2021-7-2739 2 传热系数的计算传热系数的计算 从热流体从热流体tf1到壁面高温侧到壁面高温侧tw1的换热：的换热： 111 () fw Ah tt 111 () fw ttAh 从壁面高温侧从壁面高温侧tw1到低温侧到低温侧tw2的换热：的换热： 12 ()/ ww Att 12 () ww ttA 222 () wf Ah t

24、t 222 () wf ttAh 从壁面低温侧从壁面低温侧t tw2 w2到冷流体 到冷流体t tf2 f2的换热： 的换热： f1f2 12 t - t 111 t AhAAhAk 上面三式中的热流量上面三式中的热流量 相等，联立可解得式：相等，联立可解得式： 2021-7-2740 12 111 AkAhAAh 12 1 11 k hh k称为称为传热系数传热系数或或总传热系数总传热系数，单位为，单位为 W/(m2 K)；当壁面为平壁时，其计算式；当壁面为平壁时，其计算式 如下：如下： 1 Ak 传热过程的总热阻，由各环节的热阻串联而成，传热过程的总热阻，由各环节的热阻串联而成， 它们分别

25、为各环节热阻。它们分别为各环节热阻。 h 1 单位面积热阻，单位面积热阻，m2 K/ W。和 上式同样适用于各环节的热量传递面积不相等的情形，如通过上式同样适用于各环节的热量传递面积不相等的情形，如通过 圆筒壁的传热，这时通过壁面的导热热阻的计算须相应改变。圆筒壁的传热，这时通过壁面的导热热阻的计算须相应改变。 The overall heat transfer coefficient 2021-7-2741 例题例题1-1 有三块分别由纯铜、碳钢和硅藻土砖制成的大平板，有三块分别由纯铜、碳钢和硅藻土砖制成的大平板， 它 们 的 厚 度 都 为它 们 的 厚 度 都 为 = 5 0 m m ，

26、 两 侧 表 面 的 温 差 都 维 持 为， 两 侧 表 面 的 温 差 都 维 持 为 tw1tw2=100不变，试求通过每块平板的导热热流密度。纯铜、不变，试求通过每块平板的导热热流密度。纯铜、 碳钢和硅藻土砖的导热系数分别为碳钢和硅藻土砖的导热系数分别为 1=398W/(mK)， ， 2=40W/(mK)， 3=0.242 W/(mK)。 5 w1w2 22 100 K 40/()0.8 10 W 0.05m tt qw m k 解解 这是通过大平壁的一维稳态导热问题，根据式这是通过大平壁的一维稳态导热问题，根据式(1-2)， 5 w1w2 11 100 K 398 /()7.96 1

27、0 W 0.05m tt qw m k 2 w1w2 33 100 K =0.242 /()4.84 10 W 0.05m tt qw m k 对于对于纯铜板纯铜板 对于对于碳钢板碳钢板 对于对于硅藻土砖硅藻土砖 2021-7-2742 例题例题1-2 一室内暖气片的散热面积为一室内暖气片的散热面积为A=2.5m2，表面温度为，表面温度为tw= 50，和温度为，和温度为20的室内空气之间自然对流换热的表面传热的室内空气之间自然对流换热的表面传热 系数为系数为h=5.5W/(m2K)。试计算该暖气片的对流散热量。若暖。试计算该暖气片的对流散热量。若暖 气片的表面发射率为气片的表面发射率为 1 =

28、 0.8，室内墙壁温度为，室内墙壁温度为20。试计算该。试计算该 暖气片和室内墙壁的辐射传热量。暖气片和室内墙壁的辐射传热量。 解解 暖气片和室内空气之间是稳态对流换热，根据式暖气片和室内空气之间是稳态对流换热，根据式(1-4) = Ah(tw tf) = 2.5 m25.5 W/(m2K)(50-20)K = 412.5 W 故该暖气片的对流散热量为故该暖气片的对流散热量为412.5 W。 由于墙壁面积比暖气片大得多，由式由于墙壁面积比暖气片大得多，由式(1-8)，两者间的，两者间的辐射辐射 传热量传热量为：为： 44844 1112 ()0.8 2.5 5.67 10 (323293 )3

29、98.5 W b ATT 可见，此暖气片室内的对流散热量和辐射散热量大致相当。可见，此暖气片室内的对流散热量和辐射散热量大致相当。 2021-7-2743 例题例题1-3 有一氟里昂冷凝器，管内有冷却水流过，对流表面传热有一氟里昂冷凝器，管内有冷却水流过，对流表面传热 系数为系数为h1=8800W/(m2 K)，管外是氟里昂凝结，表面传热系数为，管外是氟里昂凝结，表面传热系数为 h 2=1800W/(m 2 K)，管壁厚为 ，管壁厚为 =1.5mm，导热系数为，导热系数为 = 380W/(m K)，试计算三个环节的热阻和总传热系数，欲增强传，试计算三个环节的热阻和总传热系数，欲增强传 热应从哪

30、个环节入手。（假设管壁可作为平壁处理）。热应从哪个环节入手。（假设管壁可作为平壁处理）。 3 62 1.5 10 3.95 10 mK/W 380 解解 三个环节的面积热阻为：三个环节的面积热阻为： 42 1 11 1.14 10K/W 8800 m h 42 2 11 5.56 10mK/W 1800h 水侧换热热阻：水侧换热热阻： 管壁导热热阻：管壁导热热阻： 蒸汽凝结热阻：蒸汽凝结热阻： 总传热系数：总传热系数： 2 464 12 11 1484 W/(mK) 11 1.14 103.95 105.56 10 k hh 三个环节的热阻比例为三个环节的热阻比例为16.9%、0.6%、82.

31、5%。故。故蒸汽侧的热阻蒸汽侧的热阻 占主要部分，应从这一环节入手增强换热。占主要部分，应从这一环节入手增强换热。 2021-7-2744 例题例题1-4 一房屋的外墙为混凝土，其厚度为一房屋的外墙为混凝土，其厚度为 =200mm ，混凝土的，混凝土的 热导率为热导率为 =1.5W/(m K) ，冬季室外空气温度为，冬季室外空气温度为tf2=- -10, 有风天有风天 和墙壁之间的表面传热系数为和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2 K)，室内空气温度为，室内空气温度为 tf1=25 , 和墙壁之间的表面传热系数为和墙壁之间的表面传热系数为h1=5W/(m2 K)。假设墙壁。假设墙壁

32、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积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度tw1和和tw2。 解解 这是一个稳态传热过程，冷热流体由混凝土墙壁隔开。根据这是一个稳态传热过程，冷热流体由混凝土墙壁隔开。根据 式式(1-9)，通过墙壁的热流密度即单位面积墙壁的散热损失为，通过墙壁的热流密度即单位面积墙壁的散热损失为 122 12 25( 10) 100/ 1110.151 51.520 ff tt qW m hh 111 222 fw wf qhtt qhtt 根据牛顿冷却公式根据牛顿冷却公式(1-4)，对于内外墙面与空气之间的对流换热，对于内外墙面与空气之间的对流换热 2021-7-2745 于是可求得于是可求得 11 1 w2f 2 2 11 251005 C 5 11 101005 C 20 wf ttq h ttq h 分析本例中三个传热环节的热阻可以发现，由于自然对流分析本例中三个传热环节的热阻可以发现，由于自然对流 表面传热系数小，热阻大，总的传热温差表面传热系数小，热阻大，总的传热温差(25 (-10) = 35 C) 中，中， 室内自然对流的所占温差最大，为室内自然对流的所占温差最大，为20