建筑设备ppt-02-2.2传热学

1、第二章第二章 传热学基本知识传热学基本知识一、一、二、二、 导热基本定律导热基本定律三、三、 传热过程和传热系数传热过程和传热系数日常生活中的例子日常生活中的例子人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持和冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？在房间里所穿的衣服能否一样？夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：2525度）的空气和水中度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？的感觉不一样。为什么？- -2.2.1 2.2.1 绪论绪论传热学研究的问题传热学研究的问题: :热量传递规律热量传递规律热

2、量总是自发地传递方向？热量总是自发地传递方向？热力学第二定律指出：热量总是自发地、不可热力学第二定律指出：热量总是自发地、不可逆地从高温处传向低温处，即凡有温度差的地逆地从高温处传向低温处，即凡有温度差的地方，就会有热量自发地从高温物体传向低温物方，就会有热量自发地从高温物体传向低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分体，或从物体的高温部分传向低温部分房屋与热流的关系房屋与热流的关系 n两类传热过程：两类传热过程：n稳态传热稳态传热/ /定常传热：物体中各点温度不随定常传热：物体中各点温度不随 时间时间而改变。而改变。如各种热力设备在持续不变的工况下运行如各种热力设备在持续不变的工况下运行时的

3、热传递时的热传递n非稳态传热非稳态传热/ /非定常传热非定常传热：物体中各点温度随时间物体中各点温度随时间而改变。而改变。如在启动、停机、变工况时经历的热传递如在启动、停机、变工况时经历的热传递连续体：所研究的对象内各点上的温度、密度、和速度连续体：所研究的对象内各点上的温度、密度、和速度等都是空间坐标的连续函数。等都是空间坐标的连续函数。实际上，只要被研究的物体的几何尺度远大于分子的平实际上，只要被研究的物体的几何尺度远大于分子的平均自由行程，即可认为是连续体均自由行程，即可认为是连续体一维稳定传热一维稳定传热平壁长、宽、高平壁长、宽、高 平壁表面的温度平壁表面的温度 热传递方向热传递方向其

4、传热特征：其传热特征：1 1、通过平壁的热流强度、通过平壁的热流强度q q处处相等处处相等2 2、平壁内任一截面处的温度保持恒定，不随时间变化、平壁内任一截面处的温度保持恒定，不随时间变化 在建工学中，在建工学中，平壁平壁是指平直的墙壁、屋盖、地板、是指平直的墙壁、屋盖、地板、以及曲率半径较大墙。以及曲率半径较大墙。热量传递的基本方式热量传递的基本方式热传导热传导 (Thermal Conduction)热对流热对流 (Convection)热辐射热辐射 (Heat Radiation)2.2.22.2.2 导热基本定律导热基本定律（一）、导热一）、导热1 1、导热的实质：、导热的实质：物体各

5、部位不发生物体各部位不发生相对位移相对位移，不同温度的物，不同温度的物体体直接接触直接接触依靠分子、原子及自由电子等微依靠分子、原子及自由电子等微粒的热运动而产生热量传递粒的热运动而产生热量传递. .2 2、导热现象（物体固有的属性）、导热现象（物体固有的属性）单纯的导热只存在密实的固体中单纯的导热只存在密实的固体中温度较高的固体把热量传递给与之接触的温温度较高的固体把热量传递给与之接触的温度较低的另度较低的另 一个固体一个固体气体的导热：气体的导热：依靠分子热运动时的相互碰撞。依靠分子热运动时的相互碰撞。介电体（非导电体）的导热：介电体（非导电体）的导热：依靠晶格振动，依靠晶格振动，即弹性波

6、。即弹性波。金属的导热：金属的导热：依靠自由电子的迁移。依靠自由电子的迁移。液体的导热：液体的导热：迄今为止对液体导热机理的了迄今为止对液体导热机理的了解仍不算很清楚，一般认为液体的导热机理解仍不算很清楚，一般认为液体的导热机理与介电体类似，即主要依靠弹性波的传递作与介电体类似，即主要依靠弹性波的传递作用。液态金属和电解液是一类特殊的液体，用。液态金属和电解液是一类特殊的液体，它们依靠原于的运动和自力电子迁移来传导它们依靠原于的运动和自力电子迁移来传导热量。热量。导热的特点导热的特点:必须有温差必须有温差物体直接接触物体直接接触;依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而依靠分子、原子及自由电

7、子等微观粒子热运动而传递热量传递热量;不发生宏观的相对位移不发生宏观的相对位移温度场：指某一瞬时物体内各点的温度分布状态。温度是标量，温度场是时间和空间的函数，也是标量场。温度场是各时刻物体中各点温度分布的总称。对于稳态工作条件下的温度场,物体各点的温度不随时间变动,这种温度场称为稳态温度场稳态温度场;而对于变动工作条件下的温度场,温度分布是随时间改变的,这种温度场称为非稳态温度场非稳态温度场。 稳态温度分布的表达式可简化为 t=f(x,y,z)根据温度场表达式，可分析出导热过程是几维、稳根据温度场表达式，可分析出导热过程是几维、稳态或非稳态的现象，温度场是几维的、稳态的或非态或非稳态的现象，

8、温度场是几维的、稳态的或非稳态的。稳态的。例如表示导热过程是二维、稳态的导热现象，温度仅在x、y方向发生变化，但不随时间变化；表示导热过程是一维、非稳态的导热现象，温度仅在r方向随时间发生变化。在特殊情况下,如一个无限大平板的导热,两个各自保持均匀温度的平行平面间,物体的温度仅在一个坐标方向上有变化,这种情况下的温度场称为一维温度一维温度场场。温度场中同一瞬间同一温度各点连成的面称为等温面等温面。在任何一个二维的截面上,等温面表现为等温线。温度场习惯上用等温面图或等温线图来表示,图2-21是用等温线图表示的温度场。物体中的任一条等温线要么形成一个封闭的曲线,要么终止在物体表面上,是不会与另一条

9、等温线相交的。当等温线图上每两条相邻等温线间的温度间隔相等时,等温线的疏密可直观地反映出不同区域导热热流密度的相对大小。导热的基本定律：傅里叶定律 在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量正比于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量的传递方向则与温度升高的方向相反。导热系数：导热系数在数值上等于单位温度降度下，物体内热流密度矢量的模。导热系数是表征物质导热能力强弱的一个物性参数。导热微分方程导热现象的规律已经总结为傅里叶定律。如图所示的是两个表面均维持均匀温度的平板的导热。这是个一维稳态导热问题。对于x 方向上任意一个厚度为dx 的微元来说,根据傅里叶定律,单位时间内通过的传热量与

10、垂直传热方向上的面积A 成正比,即单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量热流量,记为,单位为W。单位时间内通过单位面积的热流量称为热热流密度流密度(或称面积热流量),记为q,单位为W/m2。当物体的温度仅在x 方向发生变化时,按照傅里叶定律,热流密度表示为导热系数是表征材料导热性能优劣的参数,即是一种物性参数,其单位为W/(mK)。导热系数的数值取决于物质的种类和温度等因素。不同材料的导热系数值不同,即使是同一种材料,温度不同,其导热系数值也会有很大差异。金属材料的导热系数最高,是良导热体；液体导热系数介于金属与气体之间, 气体的导热系数最小；非金属固体的导热系数在很大范围内变化,数值高的

11、同液体相近,数值低的则接近或低于干空气的导热系数。常温(20 度)条件下金属的导热系数值:纯铜为399 W/(mK),碳钢(含碳量C 约等于1.5%)为36.7W/(mK);20度时水的导热系数为0.599W/(mK);20度时干空气的导热系数仅为0.0259 W/(mK)。 一般把导热系数小的材料称为保温材料(又称隔热材料或绝热材料)。我国相关标准规定:凡平均温度不高于350度、导热系数不大于0.12W/(mK)的材料称为保温保温材料材料。矿渣棉、玻璃丝棉、硅藻土等都属于这类材料。2.2.2 热对流热对流定义定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由

12、于发生相对的宏观运动而把分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。热量由一处传递到另一处的现象。流体中有温差流体中有温差 热对流必热对流必然同时伴随着热传导然同时伴随着热传导对流换热对流换热 流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程自然对流自然对流强制对流强制对流对流换热可区分为自然对流换热自然对流换热与强制强制对流换热对流换热两大类。自然对流换热是由于冷、热流体各部分的密度不同而引起的,建筑室内散热器表面空气受热向上流动就是典型的自然对流换热例子。当流体流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的,则称为强制对流。如冷油器、

13、冷凝器等管内冷却水的流动都由水泵驱动的,它们都属于强制对流。另外,工程上还常遇到液体在热表面上沸腾及蒸气在冷表面上凝结的对流换热问题,分别简称为沸腾换热及凝结换热,它们是伴随有相变的对流换热。自然对流自然对流强制对流强制对流对流换热的特点对流换热的特点: 既有热对流，也有导热；既有热对流，也有导热； 导热与热对流同时存在复杂的热传递过程；导热与热对流同时存在复杂的热传递过程； 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差。有温差。影响对流换热量的因素？影响对流换热量的因素？), pfwcttu（对流换热的类型及影响因素2-23 对流换热的分

14、类影响对流换热的因素流体流动的起因：强制对流换热是由外部动力源所造成的,自然对流换热是由流体内部的密度差所引起的。两种流动的成因不同,造成流体中的速度场有差别的,所以换热规律是不一样的。流体有无相变：在流体没有相变时,对流换热中的热量交换是由于流体显热的变化而实现的,而在有相变的换热过程中(如沸腾或凝结),流体相变热(潜热)的释放或吸收常常起主要作用,因而换热规律与无相变时不同。流体的流动状态：粘滞流体存在着两种不同的流态层流及湍流。层流时流体微团沿着主流方向作有规律的分层流动,而湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合,因而在其他条件相同时湍流换热的强度要比层流强烈。a 管内强制对流流动与流体横掠

15、圆管的强制对流流动b热表面朝上散热的流动与热表面朝下散热的流动换热表面的几何因素：换热表面的几何因素：管内强制对流流动与流体横掠圆管的强制对流流动是截然不同的。热表面朝上散热的流动与热表面朝下散热的流动就截然不同。流体的物理性质流体的物理性质：单相强制对流换热 (把高速流动排除在外),表面传热系数为), pfwcttu（由此可见 ， 均对对流换热造成影响均对对流换热造成影响 获得对流换热表面传热系数h的表达式的方法：分析法分析法实验法实验法比拟法比拟法数值法数值法对流换热过程的微分方程式（略）对流换热过程的微分方程式（略）1、定义定义：物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射：物体通过电磁波来传

16、递能量的方式称为辐射辐射与吸收：辐射与吸收：n自然界中各个物体都在不停地向空间发出热辐射自然界中各个物体都在不停地向空间发出热辐射n同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射2.2.4 热辐射热辐射2、辐射换热的特点：、辐射换热的特点：n可以在真空这传递可以在真空这传递n传热过程伴随着能量形式的转换传热过程伴随着能量形式的转换n辐射能力与温度有关辐射能力与温度有关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。实际物体辐射热流量的计算可以采用斯忒藩斯忒藩-玻玻耳兹曼定律（四次方定律）耳兹曼定律（四次方定律）的经验修正形式是物体自身向外辐射的

17、热流量,而不是辐射换热量 由于自身温度或热运动的 原因面激发产生的电磁波传播，就称热辐射热辐射。显然，热辐射是电磁波，电磁波的波长范围可从几万分之一微米到数千米，它们的名称和分类如图所示。通常把 0.1100m范围的电磁波称热射线，其中包括可见光线、部分紫外线和红外线具有波动和量子特性。凡波长在0.380.76m 范围的电磁波属于可见光线可见光线;波长小于0.38 m 的电磁波是紫外线、伦琴射线紫外线、伦琴射线等;介于0.761000 m 范围的电磁波称为红外线红外线,红外线又分为近红外与远红外,大体上波长在25 m 以下的红外线称为近红近红外线外线,25 m 以上的称为远红外线远红外线。目前

18、广泛使用的远红外加热技术就是利用远红外元件发射出的以远红外线为主的电磁波对物料进行加热,如微波炉利用的就是远红外线可以穿过塑料、玻璃及陶瓷制品,但却会被像水那样具有极性分子的物体吸收,在物体内部产生内热源,从而使物体比较均匀地得到加热的性质。波长大于1000 m 的电磁波是无线电波无线电波。工程上所遇到的温度范围一般在2000K以下,热辐射的大部分能量位于红外线区段的0.7620 m 范围内,在可见区段内热辐射能量所占的比重不大。显然,当热辐射的波长大于0.76 m 时,人的眼睛将看不见。太阳辐射的主要能量集中在0.22 m 的波长范围内,其中可见光区段占有很大比重。热辐射的本质决定了热辐射过

19、程的三个特点：辐射换热与导热、对流换热不同、它不依赖物体的接触而进行热量传递，而导热和对流换热都必须由冷、热物体直接接触或通过中间介质相接触才能进行。辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当此波能射及另一物体表面而被吸收时，电磁波能又转化为内能。 一切物体只要其温度T 0K，都会不断地发射热射线。当物体间有温差时，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，因此总的结果是高温物体把能量传给低温 物体。即使各个物体的温度相同，辐射换热仍在不断进行，只是每一物体辐射出去的能量，等于吸收的能量，从而处于动平衡的状态。物体的热辐射特性物体的热辐

20、射特性-吸收、反射和透射吸收、反射和透射 当热辐射的能量投射到物体表面上时,和可见光一样,也发生吸收、反射和穿透现象。 其中反射存在漫反射漫反射和镜反射镜反射两种情况。 在物体表面对射线的吸收、反射和透射的过程中，能量平衡关系为：由此可定义吸收率、反射率和透射率：物体吸收率物体吸收率： ；物体反射率物体反射率： ；物体透射率物体透射率 为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：黑体黑体：=1 =0 =0；白体白体：=0 =1 =0；透明体透明体：=0 =0 =1实际中，当辐射能进入固体或液体表面后,在一个极短的距离内就被吸收完了。对于金属导体,这一距离只有1m 的数量级;对于大多数非导电体材料,这

21、一距离亦小于1mm。实用工程材料的厚度一般都大于这个数值,因此可以认为固体和液体不允许热辐射穿透,即=0。辐射能投射到气体上时发生的情况与投射到固体或液体上不同。气体对辐射能几乎没有反射能力,可以认为反射比=0辐射强度：辐射强度：是物体给定辐射方向上，物体在与发射方向垂直的方向上的单位投影面积，在单位时间和单位立体角内所发射全波长的能量，符号为I，单位为W/(m2Sr)辐射力：辐射力：发射物体每单位表面积在单位时间内向半球空间所发射的全波长能量，称为辐射力，符号为E，单位为W/m2。光谱辐射力：光谱辐射力：发射物体每单位表面积在单位时间内向半球空间所发射的在的单位波长范围里的辐射能量，称为辐射

22、力，符号为E，单位为W/m2。黑体辐射的基本定律：黑体辐射的基本定律：普朗克定律普朗克定律斯忒藩斯忒藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律兰贝特定律兰贝特定律2.2.52.2.5传热过程和传热系数传热过程和传热系数综述：综述：导热、对流和热辐射三种热量传递的基本方式，导热、对流和热辐射三种热量传递的基本方式， 在实际问题中，这些方式往往不是单独出现的在实际问题中，这些方式往往不是单独出现的. (一一)、传热过程、传热过程热量由壁面一侧流体通过壁面传到另热量由壁面一侧流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程一侧流体中去的过程传热过程计算公式的推导：传热过程计算公式的推导：从热流体到壁面高温侧的热量传递从热

23、流体到壁面高温侧的热量传递从表面高温侧到表面低温侧的热量传从表面高温侧到表面低温侧的热量传递递从表面低温侧到冷流体的热量传递从表面低温侧到冷流体的热量传递 三式并整理：三式并整理： 设：设： ：212f1f11)tt (F21111ktFk)tt (Fk2f1f2111 R总热阻总热阻 R R 表示维护结构在冬季阻止表示维护结构在冬季阻止来室内的热损失的能力来室内的热损失的能力RK1 表示热量损失的一个度量表示热量损失的一个度量得到得到串联热阻叠加原则与电学中串联电阻叠加原则相对应：串联热阻叠加原则与电学中串联电阻叠加原则相对应：热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，则各串联热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻的和环节的总热阻等于各串联环节热阻的和. 传热过程的热阻等于热流体、冷流体的换热热阻及壁的导热热传热过程的热阻等于热流体、冷流体的换热热阻及壁的导热热阻之和阻之和 .传热系数传热系数tFk)tt (Fk2f1f21111k传热系数传热系数k值，在数值上，它等于冷热流体间温压值，在数值上，它等于冷热流体间温压t 1，传