传热学-第一章

1、 传传 热热 学学 （Heat Transfer）主主 讲：于讲：于 庆庆 波波电电 话：话 83672216办公室：冶办公室：冶253E-mail：1.为什么上大学？为了实现父母的期望为了面子，别人都考，我也考为了就业，可以找到一份好工作2.大学到底培养什么的人？学习能力 表达能力思维能力 沟通能力观察能力 心理能力 3.上大学真的“无用”吗？本科生找不到工作本科生就业的工资还不如一个“瓦匠”高大学里学的东西都没用，到单位才能学“本事”4.怎么看待找工作时用人单位的一些“不公正”？学的好，不如父母好女生不好找工作 刻苦学习，认真读书，往大了说是为了祖国的发展而奋斗，

2、往小了说是为了改善个人或家庭的生存状况而拼搏。无论是为了祖国还是为了个人，恳请大家珍惜时光、静下心来认真学习。课程特点：实践性很强的一门科学，常称为工程传热学专业基础课，联系基础课与专业课的纽带与桥梁，与工程热力学、流体力学并称为能源动力类专业的三大支柱课，是本专业学生安身立命的一门课程能量守恒定律(热力学第一定律)是贯穿全书的主线要 求： 认真记笔记，仔细体会所学内容 (最好)课前预习、课后(必须)复习，按时完成作业 平时欢迎随时提问，考试后谢绝拜访成 绩： 平时成绩(随堂测验)5+期中考试35+期末考试60学问三境界： 昨夜西风凋碧树，独上高楼，望断天涯路 衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴

3、众里寻她千百度，暮然回首，那人却在灯火阑珊处第一章 绪 论 (1) 定义：传热学是研究由温差引起的热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、传热量与温差之间的关系、传热量的计算和测试方法。 (2) 热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源 有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力1.1 传热学的研究内容及其应用1. 传热学（传热学（Heat Transfer）2. 传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系(1) 热力学 + 传热学 = 热科学(Thermal Science) 系统从系统从一个平衡态一个平衡态到到另另一个平衡态一个平衡态的

4、过程的过程中传递热量的多少。中传递热量的多少。 关心的是热量传关心的是热量传递的递的过程过程，即热，即热量传递的量传递的速率速率。热力学 传热学tp)(),(fzyxt(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则 始终是守恒的水，水，M220oC铁块铁块, M1600oC传热学与热力学的区别传热学与热力学的区别 Ttptk(x,y,z,)3. 传热学应用实例传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍(1) 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和冬天 都保持25度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣

5、服能否一样？为什么？中央电视台科技博览报道：72的铁和600的木材，用手摸上去的感觉是一样的，为什么？电影TITANC中。为什么Jack在水中冻死了，而Rose在木板上却获救了？室温下呈黑色的铁棒在炉中加热时，颜色逐渐呈暗红、红、橙黄色，为什么？用纸可以烧开水，这种说法对吗？玻璃杯里的水是无色的，而游泳池里的水却是蓝色的为什么？大电流电线外所包的绝缘层，是否不利于电线散热？(2) 工程技术领域存在大量的传热问题能源动力火电厂冷却水塔300MW水-氢冷却发电机组 能源动力是传热学应用的最主要领域！核裂变发电石油化工 换热器广泛应用于化工厂的冷却塔、洗涤塔等场合，一般占化工厂设备投资的40%化工厂

6、内的热交换装置炼油厂内的热力管道石油开采装置制冷空调在制冷空调中大量地使用了散热片和换热器来达到热交换的目的分体式空调中央空调机组航空航天嫦娥1号卫星神州飞船再入大气层中国大飞机想象图卫星内部要求温度均匀，飞船表面要有良好的绝热我国自行研制的“运十”大飞机“运十运十”简介：简介：1970年立项，年立项，1978年完成飞机设计，年完成飞机设计，1980年年9月月26日日进行首次试飞。进行首次试飞。空机重量空机重量: 58.12吨吨; 最大起飞重量最大起飞重量:110吨；吨； 最大商载重量最大商载重量:25吨；吨； 最大巡航速度：最大巡航速度：974公里公里/小时；小时； 航程航程: 最大商载最大

7、商载21.47吨时航程吨时航程3150公里公里 5吨商载时航程可达吨商载时航程可达8300公里公里乘员：混合级乘员：混合级124人人(最大载客最大载客180人人)电子器件计算机主板CPU芯片芯片内空气流动换热示意图CPU散热器集成电路显微图医药领域人体头部温度示意 传热学广泛应用于激光手术、肿瘤高温治疗、低温外科、移植器官冷冻贮存、疾病热诊断等技术中外界冷空外界冷空气气20暖和潮湿呼出暖和潮湿呼出的气体的气体3537天气环境温室效应温室效应 大气层中的二氧化碳可以使太阳发射的短波长可见光穿过大气层到达地表，但却能阻挡地表发出的长波长的红外光穿出大气层向空间辐射，从而使地表聚集的能量越来越多，造

8、成地球温度升高。 环境科学家估计，如果全球的温度上升56，则南北极地区的冰雪将全部融化，地球上的绝大部分陆地将被淹没建筑环境空心砖实心砖用计算机软件绘出的室外环境仿真 建筑上,利用空气导热系数小的特点,制成的空心砖具有良好的保温效果(1) 强化传热 在一定条件下增加传递的热量 (2) 削弱传热 在一定的温差下使热量的传递减到最小，也称为热绝缘(3) 温度控制 为使设备能安全经济地运行，对关键部位的温度进行控制5. 传热过程的分类传热过程的分类按温度与时间的依变关系热传递过 程稳态传热过程：物体中各点的温度不随时间变化 (也称为定常过程)非稳态传热过程：物体中各点的温度随时间变化 (也称为非定常

9、过程)4. 传热问题的分类传热问题的分类1-2 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）热传导（导热）(heat conduction)(1) 定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象(2) 物质的属性：可以发生在固体、液体、气体中热传递热传递导热导热(热传导热传导)对流对流(热对流热对流)热辐射热辐射。(4) 导热的特点： 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；(3) 导热机理：气 体分子不规则热运动时相互碰撞导电固体自由电子在晶格间的运动非导电固体晶格的振动，即原子、

10、分子在平衡位置附近的振动液 体类似于气体；类似于非导电固体(5) 导热的基本定律： 1822年，法国数学家Fourier: W ddxtA2mW ddxtAq上式称为Fourier定律，描述的是一个一维稳态导热。其中：热流量，单位时间通过某一给定面积的的热量，wq：热流密度，单位时间通过单位面积的热流量，w/m2A：垂直于导热方向的截面积，m2：导热系数(热导率)，w/( m K)或w/( m )图1-2 一维稳态平板内的导热t0 x dxdtq tw1tw2(7) 一维稳态导热及其导热热阻 如图所示 对于稳态导热 q = const，于是积分Fourier定律有：210 dd21wwtttt

11、qtxqww(6) 导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料的种类和温度关。 金属非金属固体液体气体通过一维平板的导热 rtttqww21RtAttww21rAR 导热热阻单位导热热阻通过一维平板的导热RUI 欧姆定律Q1wt2wtA导热热阻的图示解：根据一维稳态导热公式有：例题1 一块厚度=50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在tw1=300，tw2=100。试求下列条件下的热流密度。 (1) 材料为铜，=375 w/(mK ); (2) 材料为钢， =36.4 w/(mK ); (3) 材料为铬砖， =2.32 w/(mK )； (4) 材料为硅藻土砖， =0.242 w

12、/(mK )。通过一维平板的导热21wwttq2321mW1028. 905. 010030032. 2wwttq铬砖：铬砖： 2221mW1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土砖：硅藻土砖：讨论讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土别，导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大砖的导热量大3 3个数量级。因而，铜是热的良导体，而硅藻个数量级。因而，铜是热的良导体，而硅藻土砖则起到一定的隔热作用土砖则起到一定的隔热作用2621mW105 . 10

13、5. 0100300375wwttq铜：铜：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq钢：钢：(1)定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，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。2 热对流（对流）热对流（对流）(heat convection)(2)对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的对流不同，特点如下： 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 壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3) 对流换热的分类 无相变：强制对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热W )(t

14、thAw2mW )( fwtthAqconvection heattransfer coefficient(4) 对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式h 表面传热系数K)(mW22mA 与流体接触的壁面面积 Cwt 固体壁表面温度t 流体温度 C定义：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)(ttAhwK)(mW2影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等hhrthtqRthAt 1 )(1(5) 对流换热系数(表面传热系数)hhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrhThermal resistance for convection(

15、6) 对流换热热阻： (1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象3 热辐射热辐射(Thermal radiation)a. 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b. 可以在真空中传播；c. 伴随能量形式的转变；d. 具有强烈的方向性；e. 辐射能与温度和波长均有关；f.发射辐射取决于温度的4次方。 (2) 特点：a. 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b. 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；c. 太阳能传递到地面d. 秋季落在地上的树叶，贴近地面的一面结霜(3) 生活中的例子：(5) 辐射换热的特点a. 不需要冷热物体的

16、直接接触；即：不需要介质的存在，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物体热力学能电磁波能物体热力学能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(4) 辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。 (6) 辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律(7) 黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所

17、有热辐射(包括所有方向和所有波长)的物体，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强 (8) 黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律 4TA4Tq，4TA真实物体则为： 发射率(或者黑度)(424121TTq42T1T2T两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热41T(9) 两黑体表面间的辐射换热)(424121TTA例题2 一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为tw=48，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=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率=0.9。求： (1) 此管道的

18、散热必须考虑哪些热量传递方式； (2) 计算每米长度管道的总散热量。解：此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。把管道每米长度上的散热量记为ql)(,fwclttdhthdq)/( 5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW近似地取周围物体的表面温度为室内空气温度， 于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：)(4241,TTdqrl)/(7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW讨论讨论：计算结果表明，对于表面温度为几十摄氏度以上的：计算结果表明，对于表面温度为几十摄氏度以上的一类表面的散热问题，自然对流

19、散热量与辐射具有相同的一类表面的散热问题，自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。数量级，必须同时予以考虑。当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热例题3 一宇航员在太空模拟舱内工作(检测仪器仪表的工作性能)，该模拟舱外表面积为3m2，外表面温度为0，表面发射率为0.05。模拟舱位于表面温度为-100的人工环境的大壳体内。此时模拟舱内的温度保持恒定，试确定模拟舱表面的散热量。这份能量都是由宇航员身上散失的吗？解：模拟舱外表面与大壳的内表面进行辐射换热，换热量为 这些能量(1)宇航员身体的散热 (2)仪器仪表工作时散出的热量 w99. 6)273100()2730(1067.

20、 505. 03)(4484241TTAQ1-3 传热过程和传热系数1. 传热过程的定义：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热2 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射(1)(1)热流体到壁面高温侧的传热热流体到壁面高温侧的传热辐射对流辐射对流(2)(2)壁面高温侧到壁面低温侧的传热壁面高温侧到壁面低温侧的传热导热导热(3)(3)壁面低温侧到冷流体的传热壁面低温侧到冷流体的传热 对流辐射对流辐射 墙壁的散热3. 一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻111AhRh固体的导热

21、热阻右侧对流换热热阻111AhRhAR 上面传热过程中传递的热量为：2121212111)()(AhAAhttRRRttffhhff(1-10)tAkttAkff)(21 传热系数传热系数w/m2K，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。21211111hhrrrhhk单位热阻或面积热阻k 越大，传热越好。若要增大 k，可增大h1、h2或减小非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要内容例题3 对一台氟利昂冷凝器的传热过程做初步测算得出以下数据：管内水的对流传热表面传热系数h1=8700w/m2K，管外氟利昂蒸汽凝结换热表

22、面传热系数h2=1800w/m2K，换热管子壁厚=1.5mm。管子材料是导热系数=383w/mK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手？解：将圆管按厚度等于管子壁厚的平板来看待 水侧换热面积热阻 管壁导热面积热阻 氟利昂蒸汽凝结面积热阻 冷凝器的总传热系数w/Km 1015.rK/wm 1092. 3383105 . 12632rw/Km 1056. 51800112423hrK w/m148012321rrrk三个环节的总热阻K/wm 10749. 61056. 51092. 31015. 124464321rrrr各环节占总热阻

23、份额%03.1710749. 61015. 1441rr%58. 010749. 61092. 3462rr%39.8210749. 61056. 5443rr故：欲增强冷凝器的传热，应设法减小氟利昂侧的热阻1-4 传热学发展简史18世纪30年代工业化革命促进了传热学的发展导热（Heat conduction）钻炮筒大量发热的实验（B. T. Rumford, 1798年）两块冰摩擦生热化为水的实验（H. Davy, 1799年）导热热量和温差及壁厚的关系（J. B. Biot, 1804年）Fourier 导热定律 (J. B. J. Fourier , 1822 年）G. F. B. Ri

24、emann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M. Jakob 对流换热对流换热(Convection heat transfer)不可压缩流动方程 （M.Navier,1823年)流体流动Navier-Stokes基本方程 (G.G.Stokes,1845年）雷诺数(O.Reynolds,1880年）自然对流的理论解（L.Lorentz, 1881年）管内换热的理论解（L.Graetz, 1885年；W.Nusselt,1916年）凝结换热理论解 （W.Nusselt, 1916年）强 制 对 流 与 自 然 对 流 无 量 纲 数 的 原 则 关 系 （W.Nus

25、selt,1909年/1915年）流体边界层概念 （L.Prandtl, 1904年）热边界层概念 （E.Pohlhausen, 1921年）湍流计算模型 （L.Prandtl,1925年；Th.Von Karman, 1939年；R.C. Martinelli, 1947年） 热辐射及辐射换热热辐射及辐射换热(Thermal radiation)黑体辐射光谱能量分布的实验数据(O.Lummer,1889年）黑 体 辐 射 能 量 和 温 度 的 关 系 ( J . S t e f a n a n d L.Botzmann,1889年）黑体辐射光谱能量分布的公式p维恩公式（1896年）/Ray

26、leigh-Jeans公式p能量子假说 （M. Planck,1900年）p光量子理论（A.Einstein,1905年）物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff,1859年/1860年）物体间辐射换热的计算方法 （波略克，1935年H.C.Hotel, 1954年；A.K.Oppenheim,1956年)数值传热学数值传热学 （1970年）年） 本章小结：本章小结：(1) 导热 Fourier 定律：(2) 对流换热 Newton 冷却公式：(3) 热辐射 Stenfan-Boltzmann 定律： (4) 传热过程xtAddtAh4TA21211111hhrrrhhk作业作业1-

27、1，1-4，1-5，1-6，1-9，1-13，1-14，1-171-20，1-24，1-26，1-27，1-28，1-31，1-40思考题思考题1. 热量传递的基本方式及传热机理。热量传递的基本方式及传热机理。2. 一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义。一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义。3. 牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。4. 黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其中各物理量的黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其中各物理量的定义。定义。5. 传热过程及传热系数的定义及物理意义。传热过程及传热系数的定义及物理意义。6. 热阻的概念热阻的概念. 对流热阻对流热阻, 导热