No.02 0928 1 绪论传热学

1、2021-11-171AAAA 2021-11-1721-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式导热对流辐射定义属性特点2021-11-173(1) 概念概念 定义：定义：物体各部分之间物体各部分之间不发生相对位移时（无宏观位不发生相对位移时（无宏观位移）移），依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。而产生的热量传递称导热。 如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。 导热（热传导）导热（热传导）review2021-11-174 从微观角度分析气体、液体、导电固体与非金属固体

2、的导从微观角度分析气体、液体、导电固体与非金属固体的导热机理。热机理。 n 气体中气体中：导热是气体：导热是气体分子不规则热运动分子不规则热运动时相互碰撞的结果，时相互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能从高温传到低温处。从高温传到低温处。 review2021-11-175n 导电固体：导电固体：其中有许多其中有许多自由电子自由电子，它们，它们在晶格之间像在晶格之间像气体分子那样运动气体分子那样运动。自由电子的运动在导电固体的导。自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。热中起主导作用。 n 非导电固体：非

3、导电固体：导热是通过导热是通过晶格结构的振动晶格结构的振动所产生的弹所产生的弹性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近的振性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。动来实现的。review2021-11-176n 液体的导热机理：液体的导热机理：存在两种不同的观点：存在两种不同的观点： 第一种观点第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大； 第二种观点第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原

4、子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。 说明：说明：在传热学中，只研究导热现象的在传热学中，只研究导热现象的宏观宏观规律。规律。 review2021-11-177 1) 导热的基本定律导热的基本定律( Fourier 定律定律)： 1822年，法国数学家年，法国数学家Fourier: W ddxtA2mW ddxtAqt0 x dxdtQ(2) 导热的基本定律：导热的基本定律：说明：说明：热流量热流量 单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为，单位，单位W。 热流密度（面积热

5、流量）热流密度（面积热流量） q 单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为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，单位 W/m2。review2021-11-178 2) 导热系数导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，参数，与材料种类和温度有关与材料种类和温度有关。气体液体非金属固体金属 3) 一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 如图右图所示，稳态如图右图所示，稳态 q = const，于是，于是积分积分Fourier定律有定律有210 dd21wwttttqtxqwwQ1wt2wtA1wt2wtt0 x dx

6、dtQ以上结果在以上结果在2-3 节中会进一步说明。节中会进一步说明。review2021-11-179Q1wt2wtA图图1-3 导热热阻的图示导热热阻的图示 4) 一维稳态导热及其导热热阻，一维稳态导热及其导热热阻， 1wt2wtt0 x dxdtQrAR 导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻rtttqww21RtAttww21w/m2wreview2021-11-17101-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式导热对流辐射定义属性特点2021-11-1711（1）基本概念）基本概念 1) 对流：对流：是指由于流体的是指由于流体的宏观运动宏观运动，从而使流体各部分之，从而使

7、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。程。 对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随有导热现象。对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随有导热现象。 2 对流对流 2) 对流换热对流换热：流体流过一个流体流过一个物体表面物体表面时的热量传递过程，时的热量传递过程，称为对流换热。称为对流换热。 2021-11-1712（2）对流换热的分类）对流换热的分类 1）根据对流换热时）根据对流换热时是否发生相变是否发生相变分：有相变的对流换热和无分：有相变的对流换热和无相变的对流换热。相变的对流换热。 2）根据引起）根据引起流动的原因流

8、动的原因分：自然对流和强制对流。分：自然对流和强制对流。3）根据流动型态分，层流和紊流。）根据流动型态分，层流和紊流。4）根据流动位置分：外部流动和内部流动。）根据流动位置分：外部流动和内部流动。2021-11-17131 ）自然对流：）自然对流： 由于流体冷热各部分的由于流体冷热各部分的密度不同密度不同而引起流体的流动。而引起流体的流动。 如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。 2 ）强制对流：）强制对流： 流体的流动是由于水泵、风机或其他流体的流动是由于水泵、风机或其他压差压差作用所造成的。作用所造成的。 3 ）沸腾换热及凝结换热：）沸腾换热及凝结换热

9、： 液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热，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）。称为沸腾换热及凝结换热（相变对流沸腾）。 定义：定义：2021-11-1714W )(tthAw2mW )( fwtthAq(3) 对流换热的基本计算公式对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式h 表面传热系数表面传热系数 热流量热流量W，单位时间传递的热量，单位时间传递的热量q2mW 热流密度热流密度K)(mW2A2m 与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积wt C 固体壁表面温度固体壁表面温度t 流体温度流体温度 C2021-11-1715

10、 当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量间内所传递的热量)( ttAhwK)(mW2影响影响h因素：因素：流速、流体物性、壁面形状大小等流速、流体物性、壁面形状大小等(4) 对流换热系数对流换热系数(表面传热系数表面传热系数)图16hhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrh(5) 对流换热热阻对流换热热阻 表表1-1 表面对流传热系表面对流传热系数的大致范围数的大致范围 p.82021-11-17161-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式导热对流辐射定义属性特点2021

11、-11-1717(1) 基本概念基本概念 1）辐射和热辐射）辐射和热辐射 物体通过物体通过电磁波电磁波来传递能量的方来传递能量的方式称为辐射。因式称为辐射。因热的原因热的原因而发出辐而发出辐射能的现象称为热辐射。射能的现象称为热辐射。 2）辐射换热）辐射换热 辐射与吸收过程的综合作用造成辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。传递称辐射换热。 热辐射热辐射2021-11-1718(2) 热辐射的研究方法：热辐射的研究方法： 黑体黑体修正（黑度）修正（黑度）实际物体实际物体黑体的定义黑体的辐射控制方程Stefan-Boltzmann

12、 定律 4TA4Tq4TAStefan（1835-1893）Boltzmann（1844-1906）修正的Stefan-Boltzmann 定律发射率或黑度，介于01之间；黑体辐射常数, 5.6710-8 W/(m2K4)2021-11-1719(4) 辐射换热的特点辐射换热的特点n 不需要中间介质不需要中间介质,可以在真空中传播；可以在真空中传播；n 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n 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；高无论温度高低，物体都在不停地相互发射

13、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的结果是热由高温传到低温n 自然界中的物体自然界中的物体(T 0K)都在不停的向空间发出热辐射，同时又不断的都在不停的向空间发出热辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的辐射热。吸收其他物体发出的辐射热。 n 辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不

14、停的进行，只是辐射热与吸收热相等。相等。(3) 辐射换热：辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量交换热量交换，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热类似。 2021-11-1720)(424121TTq 42T1T2T图19 两黑体表面间的辐射换热41T公式（公式（19）只需记忆，因为用我们现在所学的知识还不能推导出来。）只需记忆，因为用我们现在所学的知识还不能推导出来。(5) 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热(参见图参见图19)：)(4241TTA2021-11-1721、冬天，经过在太阳地下晒过的棉被盖起来觉得更暖和，并且拍打以后效果会更好，为什么? 2021-11-1722、人

15、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？2021-11-1723、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？2021-11-1724、试分析暖气片的散热过程，各环节有那些热量传递方式? 2021-11-1725、试分析利用铝壶在煤气灶上烧开水的过程，各环节有那些热量传递方式? 2021-11-1726、利用冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大? 2021-11-1727、试分析保温瓶胆的保温原理（一般瓶胆是镀银的真空玻璃夹层）？那些因素会影响保温效果？从瓶内热水到外部

16、环境存在那些热量传递方式？ 2021-11-17281-3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数一、传热过程一、传热过程 1 、概念、概念 热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧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称传热过程。流体中去的过程称传热过程。 2021-11-17292 、传热过程的组成、传热过程的组成 传热过程一般包括串联着的传热过程一般包括串联着的三个环节三个环节组成，即：组成，即： 热流体热流体 壁面高温侧；壁面高温侧； 壁面高温侧壁面高温侧 壁面低温侧；壁面低温侧； 壁面低温侧壁面低温侧 冷流体。冷流体。 若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。若是稳态过程则

17、通过串联环节的热流量相同。 2021-11-17303 、传热过程的计算、传热过程的计算 22221111fwwwwfttAhttAttAh （a）（b）（c） 针对稳态的传热过程，即针对稳态的传热过程，即 =const 如图如图 1- 3 ，其，其传热环节有三种情况传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下：则其热流量的表达式如下： 2021-11-1731将式（将式（a）、（）、（b）、（）、（c）改写成温差的形式：）改写成温差的形式：22221111/AhttAttAhttfwwwwf （d）（e）（f）2021-11-1732三式相加，整理可得三式相加，整理可得:也可以表示成也可以表示

18、成: 式中，式中， 称为称为传热系数传热系数，单位为，单位为 。 k2W/ mK212111)(hhttAff（1-10）tAkttAkff)(21（1-11）2021-11-1733二、传热系数二、传热系数 1 、概念、概念 是指用来表征传热过程强烈程度的指标。是指用来表征传热过程强烈程度的指标。数值上等数值上等于冷热流体间温差于冷热流体间温差 ，传热面积，传热面积 时热流量的值。时热流量的值。 说明：说明：K 值越大，则传热过程越强，反之，则弱。值越大，则传热过程越强，反之，则弱。 K值大小受较多的因素的影响值大小受较多的因素的影响： 参与传热过程的两种流体的种类；参与传热过程的两种流体的

19、种类； 传热过程是否有相变；传热过程是否有相变；1t21mA 2021-11-1734说明：说明：若流体与壁面间有辐射换热现象，上述计算未若流体与壁面间有辐射换热现象，上述计算未考虑之。要计算辐射换热，则：表面传热系数应取复考虑之。要计算辐射换热，则：表面传热系数应取复合换热表面传热系数，包含由辐射换热折算出来的表合换热表面传热系数，包含由辐射换热折算出来的表面传热系数在内。其方法见面传热系数在内。其方法见 8 - 4 节。节。 传热系数的表达式为传热系数的表达式为: 21111hhk（1-12）2021-11-1735传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于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组成传热过程诸环节的 、 及及 之和的之和的倒数。如果对式（倒数。如果对式（1-12）取倒数，还可理解得更深刻些。）取倒数，还可理解得更深刻些。此时此时11/ h/ 21/ h或或 21111hhk （1-13）21111AhAAhAk （1-14）理解：理解：2021-11-1736此式与欧姆定