传热学-第1章-绪论

1、传热学传热学第第 1 章章 绪论绪论第第1 1章章 绪论绪论内容要求内容要求v传热学的研究内容；传热学的研究内容；v热量传递的三种基本方式；热量传递的三种基本方式；v传热过程和传热系数；传热过程和传热系数；v传热学的发展简史；传热学的发展简史；v传热学的研究方法。传热学的研究方法。 1. 传热学传热学（heat transfer） 是研究由温差引起的热量传递规律的科学。是研究由温差引起的热量传递规律的科学。 1.1 传热学的研究内容及其在科学传热学的研究内容及其在科学 技术和工程中的应用技术和工程中的应用 1.1.1 传热学的研究内容传热学的研究内容 1.1.2 传热学研究中的连续介质假设传热

2、学研究中的连续介质假设 假设所研究的物体中的温度、密度、速度、假设所研究的物体中的温度、密度、速度、 压力等物理参数都是空间的连续函数。压力等物理参数都是空间的连续函数。说明说明气体：要求被研究物体的几何尺寸气体：要求被研究物体的几何尺寸 远大于分子间的平均自由程。远大于分子间的平均自由程。 1.1.3 传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系 最根本的区别：最根本的区别： 工程热力学研究处于平衡状态的系统；工程热力学研究处于平衡状态的系统； 传热学研究有温差存在时的热量传递规律。传热学研究有温差存在时的热量传递规律。 相互联系：相互联系： 工程热力学的第一，第二定律是进行传热研究工程

3、热力学的第一，第二定律是进行传热研究 的基础。的基础。水桶内灼热钢棒的水桶内灼热钢棒的冷却过程冷却过程 研究平衡体系。计算钢棒在冷却研究平衡体系。计算钢棒在冷却 过程中散失的热量。过程中散失的热量。 钢棒和水组成的系统最终的平衡温度。钢棒和水组成的系统最终的平衡温度。 热力学：热力学： 传热学：传热学： 需要多长时间才能达到平衡状态，即热传播需要多长时间才能达到平衡状态，即热传播 的速率。的速率。 达到平衡状态前某一时刻钢棒的温度是多少？达到平衡状态前某一时刻钢棒的温度是多少？ 即钢棒和水的温度随时间的变化规律。即钢棒和水的温度随时间的变化规律。举例举例 1.1.4 传热学在科学技术各个领域中

4、的应用传热学在科学技术各个领域中的应用 可归纳为三种类型的问题：可归纳为三种类型的问题：（1）强化传热；在一定条件下增加所传递的热量。）强化传热；在一定条件下增加所传递的热量。（2）削弱传热：在一定温差下使热量传递减到最小。）削弱传热：在一定温差下使热量传递减到最小。（3）温度控制）温度控制例如：室内暖气片的散热，电器设备的散热等。例如：室内暖气片的散热，电器设备的散热等。例如：暖水瓶等。例如：暖水瓶等。 1.2 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式 热量传递的三种基本方式：热量传递的三种基本方式： 热传导热传导（conduction） 热对流热对流（convection） 热辐射热辐

5、射（radiation） 1. 定义：定义： 物体的各部分之间不发生相对位移时，依靠物体的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 产生的热量传递过程。产生的热量传递过程。 无论固体，液体和气体，只要有温度差，无论固体，液体和气体，只要有温度差， 在接触时就会发生导热现象。在接触时就会发生导热现象。 单纯的导热，只能发生在密实的固体中。单纯的导热，只能发生在密实的固体中。说明说明 1.2.1 热传导热传导（conduction） 2. 一维稳态导热的傅里叶定律一维稳态导热的傅里叶定律 （Fouriers law of o

6、ne-dimensional steady state heat-conduction） 考察两个表面均维持均匀温度的大平板导热考察两个表面均维持均匀温度的大平板导热一维稳态导热的傅里叶定律：一维稳态导热的傅里叶定律： 22121/mWttxdtdAqWttAxdtdAwwww一维稳态导热一维稳态导热法国数学法国数学物理学家物理学家Joseph .Fourier（1768-1830） 热流量热流量（heat transfer-rate） 单位单位时间通过给定面积传递的热量。时间通过给定面积传递的热量。W, kW式中：式中： 导热系数导热系数（the thermal conductivity）

7、反映了材料的导热能力。反映了材料的导热能力。 W/(m.K) 2/ mWAqWxdtdAq 热流密度热流密度（heat flux） 单位时间通过单位面积传递的热量。单位时间通过单位面积传递的热量。W/m2dt/dx 热流方向上的温度梯度。热流方向上的温度梯度。 负号的含义负号的含义温度梯度的温度梯度的方向？方向？热量传递热量传递的方向？的方向？ 1. 热对流和对流换热热对流和对流换热 热对流热对流 是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分 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。热量传递过程

8、。 对流换热对流换热（convection heat transfer） 流体流过另一个物体表面时，流体流过另一个物体表面时， 流体与物体表面之间发生的流体与物体表面之间发生的 对流和导热联合起作用对流和导热联合起作用的热量的热量 传递现象。传递现象。 平壁表面的平壁表面的传热机理传热机理 1.2.2 热对流热对流（convection） 2. 牛顿冷却公式牛顿冷却公式（Newtons law of cooling）2/)()(mWthtthqWtthAfwfw式中：式中：h 对流换热的表面传热系数对流换热的表面传热系数 。W/m2.K （the convection heat transfe

9、r coefficient） t 壁面及流体间的总温差。壁面及流体间的总温差。A 换热表面积。换热表面积。英国数学家，科学家，哲学家牛顿英国数学家，科学家，哲学家牛顿Isaac Newton（1642年年-1727年）年） 3. 对流换热系数对流换热系数 （1）其大小反映了对流换热的强弱。其大小反映了对流换热的强弱。 流体的物性：导热系数流体的物性：导热系数, 粘度粘度, 密度密度, 比热容等。比热容等。 流动的成因：自然对流流动的成因：自然对流, 强制对流。强制对流。 流动的形态：层流流动的形态：层流, 紊流。紊流。 换热表面的形状、大小和布置。换热表面的形状、大小和布置。 换热时流体有无相

10、变：沸腾换热换热时流体有无相变：沸腾换热, 凝结换热。凝结换热。（3）影响因素：）影响因素：（2）研究对流换热的主要目的之一）研究对流换热的主要目的之一 就是确定不同换热条件下的表面传热系数的就是确定不同换热条件下的表面传热系数的 具体表达式。具体表达式。室内暖气片周围气体的自然对流室内暖气片周围气体的自然对流 自然对流换热自然对流换热地面热气体的上升地面热气体的上升 强迫对流换热强迫对流换热汽车发动机冷却汽车发动机冷却室内外冷热空气的交换室内外冷热空气的交换 物体表面的形状、大小和布置物体表面的形状、大小和布置加热热水沸腾加热热水沸腾冷凝器内过热蒸汽的冷凝冷凝器内过热蒸汽的冷凝 有相变的换热

11、（沸腾换热有相变的换热（沸腾换热, 凝结换热）凝结换热）管内流动管内流动外部绕流外部绕流 几种对流传热过程表面传热系数的大致数值范围几种对流传热过程表面传热系数的大致数值范围换热过程换热过程介质介质表面传热系数表面传热系数 h W/mh W/m2 2.K .K 自然对流自然对流空气空气1-10水水200-1000强制对流强制对流气体气体20-100高压水蒸气高压水蒸气500-35000水水1000-1500水的相变换热水的相变换热沸腾沸腾2500-35000蒸汽凝结蒸汽凝结5000-25000 热辐射：物体由于受热向外发射辐射能的现象。热辐射：物体由于受热向外发射辐射能的现象。 1. 热辐射的

12、有关概念热辐射的有关概念 1.2.3 热辐射热辐射（radiation ） 辐射：是指物体受到某种因素的激发而向外发射辐射：是指物体受到某种因素的激发而向外发射 辐射能的现象。辐射能的现象。 受热，电子碰撞，受热，电子碰撞， 光照，化学反应等。光照，化学反应等。 辐射换热辐射换热（radiation heat transfer） 物体物体间以辐射方式进行的包含间以辐射方式进行的包含 辐射与吸收过程综合结果的热量辐射与吸收过程综合结果的热量 传递过程。传递过程。（2）所有温度大于）所有温度大于 0K 的实际物体都具有发射的实际物体都具有发射 热辐射的能力。热辐射的能力。（3）热辐射过程中不仅有能

13、量的传递，）热辐射过程中不仅有能量的传递， 而且有能量形式的转化。而且有能量形式的转化。（1）可以不依靠中间媒介，在真空中传播。）可以不依靠中间媒介，在真空中传播。热力学能热力学能热力学能热力学能辐射能辐射能 热辐射的特点热辐射的特点 2. 辐射的基本计算公式辐射的基本计算公式 黑体辐射的斯忒藩黑体辐射的斯忒藩 - 波耳兹曼定律；波耳兹曼定律；4TA 式中式中: 黑体辐射常数，黑体辐射常数，)/(1067. 5428KmW 实际物体辐射热流量；实际物体辐射热流量；4TA 式中式中: 物体的发射率（黑度）。物体的发射率（黑度）。 实际的传热过程实际的传热过程热热水水对流换热对流换热导热导热对流换

14、热对流换热辐射换热辐射换热内内壁壁外外壁壁周围周围环境环境 暖气片的散热过程：暖气片的散热过程： 蒸汽动力装置中冷凝器的放热过程：蒸汽动力装置中冷凝器的放热过程：凝结换热凝结换热导热导热对流换热对流换热蒸蒸汽汽冷却冷却水水管子管子内壁内壁管子管子外壁外壁 1.3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数 传热过程传热过程（overall heat transfer process） 热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递 到另一侧流体中的过程。到另一侧流体中的过程。 传热过程的三个环节：传热过程的三个环节： 热量以对流换热的方式从高温流体传给壁面，热量以对

15、流换热的方式从高温流体传给壁面， 有时还有辐射换热；有时还有辐射换热； 热量以导热方式由高温流体壁面传给热量以导热方式由高温流体壁面传给 低温流体壁面；低温流体壁面； 热量以对流换热方式从低温流体壁面传给热量以对流换热方式从低温流体壁面传给 低温流体，有时还有与周围环境的辐射换热。低温流体，有时还有与周围环境的辐射换热。 考察：冷热流体通过大平壁的热量传递过程考察：冷热流体通过大平壁的热量传递过程 已知：一块已知：一块大平壁大平壁, 导热系数导热系数 =常数，厚度常数，厚度 ， 平壁左侧流体平壁左侧流体 tf1, 表面传热系数表面传热系数 h1, 平壁右侧流体平壁右侧流体 tf2 ,表面传热系

16、数表面传热系数 h2, 且且tf1 tf2 . 设平壁两侧流体温度和表面传热系数不随时间变化设平壁两侧流体温度和表面传热系数不随时间变化。 分析分析： （1）传热过程传热过程 ； （2）通过平壁传递的热量。通过平壁传递的热量。 1.3.1 传热方程式传热方程式1111111111)(hwfwfwfRtthAtttthA高温侧：高温侧：通过平壁：通过平壁：RttAttttAwwwwww212121低温侧：低温侧：2222222221)(hfwfwfwRtthAtttthA2121212111)(11hhttAhAAhAttffff 稳态传热：稳态传热：)/()11/(1221KmWhhk 传热系

17、数：传热系数：或表示为；或表示为；)(21ffttkA说明说明传热系数是表征传热过程强烈程度的标尺。传热系数是表征传热过程强烈程度的标尺。WKRRRRhhk/21 传热热阻：传热热阻： 1.3.2 传热热阻传热热阻（overall thermal resistance）kffhhffffRttRRRtthAAhAtt212121212111t f1t w2tw1t f2R h1R h2R 模拟热路：模拟热路： 1.4 传热学的发展简史和研究方法传热学的发展简史和研究方法 1.4.1 传热学发展简史传热学发展简史 1.4.2 传热学的研究方法传热学的研究方法 1.理论分析：理论分析： 应用数学分析理论，求解在给定条件下的微分应用数学分析理论，求解在给定条件下的微分 方程，确定物体中各点的速度、温度等函数。方程，确定物体中各点的速度、温度等函数。 2.实验测定：实验测定： 在相似原理指导下进行实验研究。在相似原理指导下进行实验研究。 3. 数值模拟：数值模拟： 传热问题数值计算。传热问题数值计算。在有空调的房间内，夏天和冬天的室温在有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在均控制在20，夏天只需穿衬衫，但冬天，夏天只需穿衬衫，但冬天穿衬衫会感到冷，这是为什么？穿衬衫会感到冷，这是为什么？例题例题1. 压缩空气在中间冷却器的管外流过，压