工程传热学第1章-绪论

1、第一章第一章 绪论绪论1-1 1-1 传热学概述传热学概述1-2 1-2 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式1-3 1-3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数1.1 概概 述述1.1.1、传热学研究内容传热学研究内容传热学是研究热量传递规律的学科，研究热量传递传热学是研究热量传递规律的学科，研究热量传递的机理、规律、计算和测试方法。的机理、规律、计算和测试方法。热量传递过程的推动力：温差热量传递过程的推动力：温差 1)物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传向低温部分；部分传向低温部分； 2)物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体

2、之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体传向低温物体。物体传向低温物体。1.1.2、传热学研究中的连续介质假设、传热学研究中的连续介质假设 将假定所研究的物体中的温度、密度、速度、将假定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。v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v传热学在日常生活、生产技术领域中的应用十传热学在日常生活、生产技术领域中的应用十分广泛。分广泛。1.1.3、传热学的应用、传热学的应用v强化传热强化传热v削弱传热削弱传热v温度控制温度控制热量传递中的三类问题热量传递中的三类问题a

3、人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持天都保持22度，那么在冬天与夏天、人在房间里所度，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？穿的衣服能否一样？为什么？b 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？感觉不一样。为什么？c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？保温。如何解释其道理？越厚越好？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？不同材质

4、的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？生产技术领域大量存在传热问题生产技术领域大量存在传热问题a 航空航天：卫星与空间站热控制；空间飞行器航空航天：卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器冷却；重返大气层冷却；超高音速飞行器冷却；b 微电子：微电子： 电子芯片冷却电子芯片冷却c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存器官的冷冻保存d 军军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e 制制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高

5、温水热泵；高温水源热泵源热泵f 新能源：太阳能；燃料电池新能源：太阳能；燃料电池o 很多行业中如何让热量有效地传递成为解决问题的关键 大规模集成电路芯片的散热问题 航天飞机的有效冷却和隔热 材料加工行业的散热问题传热学的研究方法传热学的研究方法实验测定理论分析数值模拟传热学的地位传热学的地位 传热学是本专业必修的传热学是本专业必修的专业课专业课，理论性、，理论性、应用性极强。通过学习能熟练掌握传热应用性极强。通过学习能熟练掌握传热过程的基本规律、实验测试技术及分析过程的基本规律、实验测试技术及分析计算方法，从而达到认识、控制、优化计算方法，从而达到认识、控制、优化传热过程的目的。传热过程的目的

6、。1-11-1热能传递的基本方式热能传递的基本方式 热能传递基本方式：导热（热传导）、热能传递基本方式：导热（热传导）、对流、热辐射对流、热辐射1.2.11.2.1、导热（热传导）、导热（热传导） 1 1 、概念、概念 定义：定义：物体各部分之间不发生相对位物体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移时，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。粒子的热运动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如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。递。 2 2、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

7、、原子及自由电子等微观粒子依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；不发生宏观的相对热运动而传递热量；不发生宏观的相对位移位移 没有能量形式之间的转化没有能量形式之间的转化1.2.21.2.2、热对流、热对流 1 1 、基本概念、基本概念 1) 1) 热对流：热对流：是指由于流体的宏观运动，从而使流体是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所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程。引起的热量传递过程。 热对流仅发生在流体中，流体中有温差热对流仅发生在流体中，流体中有温差 对流的同对流的同时必伴随有导热现象。时必伴随有导热现象。自

8、然界不存在单一的热对流。自然界不存在单一的热对流。2) 2) 对流换热对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。递过程，称为对流换热。 1.2.31.2.3、热辐射、热辐射 1 1、基本概念、基本概念 1 1）辐射和热辐射）辐射和热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。 2 2）辐射换热）辐射换热 辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进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传递称辐射换热。行的物

9、体间的热量传递称辐射换热。2.辐射换热的特点辐射换热的特点不需要物体直接接触。可以在真空中传递，而且不需要物体直接接触。可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。在真空中辐射能的传递最有效。在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。随有能量形式的转化。辐射时：辐射体内热能辐射时：辐射体内热能辐射能；辐射能；吸收时，辐射能吸收时，辐射能受射体内热能。受射体内热能。只要温度大于零就有能量辐射。只要温度大于零就有能量辐射。物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点

10、。区别于导热，对流的基本特点。 自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射，自然界中的物体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，不同时又不断的吸收其他物体发出的辐射热，不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。体向高温物体辐射热能。 说明：辐射换热是一个动态过程，当物体与周说明：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，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，只是辐射但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。热与吸收热相等。3 3

11、 ）导热、对流、辐射的评述）导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。最有效。 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。而且伴随有能量形式的转化。 在辐射时，辐射体内热能在辐射时，辐射体内热能 辐射能；辐射能； 在吸收时，辐射能在吸收时，辐射能 受射体内热能受射体内热能 物体的辐射能力与其温度性质有

12、关。物体的辐射能力与其温度性质有关。综合分析综合分析1-3 1-3 传热学发展简史传热学发展简史1818世纪世纪3030年代工业化革命促进了传热学的发展年代工业化革命促进了传热学的发展 导热（导热（Heat conductionHeat conduction）钻炮筒大量发热的实验（钻炮筒大量发热的实验（B. T. Rumford, B. T. Rumford, 17981798年）年）两块冰摩擦生热化为水的实验（两块冰摩擦生热化为水的实验（H. Davy, H. Davy, 17991799年）年）导热热量和温差及壁厚的关系（导热热量和温差及壁厚的关系（J. B. BiotJ. B. Biot

13、, , 18041804年）年）Fourier Fourier 导热定律导热定律 (J. B. J. Fourier , 1822 (J. B. J. Fourier , 1822 年）年）G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M. JakobJaeger/ M. Jakob 对流换热对流换热 （Convection heat transferConvection heat transfer）不可压缩流动方程不可压缩流动方程 （M.Navier,1823M.Na

14、vier,1823年年) )流体流动流体流动NavierNavier-Stokes-Stokes基本方程基本方程 (G.G.Stokes,1845(G.G.Stokes,1845年）年）雷诺数雷诺数(O.Reynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年）自然对流的理论解（自然对流的理论解（L.LorentzL.Lorentz, 1881, 1881年）年）管内换热的理论解（管内换热的理论解（L.GraetzL.Graetz, 1885, 1885年；年；W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年） 凝结换热理论解凝结换热理论解 （W.NusseltW.Nusselt, 1916, 1916年）年）强制对流与自然对流无量纲数的原则关系强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909W.Nusselt,1909年年/ /19151915年）年）流体边界层概念流体边界层