传热学-第一章ppt

1、 传 热 学 航空科学与工程学院航空科学与工程学院 林贵平林贵o), 18611699898010-82317533(o), 新主楼新主楼C C座座812812参 考 书 教材教材: 传热学传热学 杨世铭、陶文铨编著，第四版杨世铭、陶文铨编著，第四版传热学传热学 戴锅生，第二版戴锅生，第二版Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Mills Heat Transfer , by J.P.Holman Fundamentals of Heat Transfer, by F. P. Incropera, D.P. DeWit

2、tA heat transfer textbook, John H. LienHard, MIT 传热学教材。传热学教材。 考核方式 期末考试（笔试）：60%实验（实验操作与实验报告）：20%小论文（分组讨论、给出问题的解决方案并展示）：10%作业与出勤：10%将各项成绩成绩乘以相应百分比，给出最终成绩（将各项成绩成绩乘以相应百分比，给出最终成绩（100分）。分）。本章主要内容本章主要内容: :v 传热学的研究对象及其应用传热学的研究对象及其应用v 三种基本的传热方式及基本定律三种基本的传热方式及基本定律v 传热过程和传热系数传热过程和传热系数第一章第一章 绪绪 论论1.1.传热学的研究内容传

3、热学的研究内容1-1 传热学的研究内容及应用传热学的研究内容及应用传热学：研究由传热学：研究由温差温差引起的热量传递规律的科学引起的热量传递规律的科学 热量传递过程的推动力：温差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研究内容：热量传递的研究内容：热量传递的机理、规律、物体物体温度的变化 自然界及工程领域中到处都存在温差自然界及工程领域中到处都存在温差 传热很普遍传热很普遍 自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍 (1) (1) 日日常生活中的例子：常生活中的例子：用铝制水壶烧开水时，尽管炉火很旺，用

4、铝制水壶烧开水时，尽管炉火很旺， 但水壶安然无恙；可一旦壶内的水烧干后，但水壶安然无恙；可一旦壶内的水烧干后， 水壶很快被烧坏。为什么？水壶很快被烧坏。为什么？1-1 传热学的研究内容及应用传热学的研究内容及应用2.2.传热学的应用实例传热学的应用实例夏夏天人在同样温度（如天人在同样温度（如2828度）的水和空气中的感觉不一样。为度）的水和空气中的感觉不一样。为什么？什么？北方寒冷地区，建筑房屋都是北方寒冷地区，建筑房屋都是 双层玻璃，以利于保温。如何双层玻璃，以利于保温。如何 解释其道理？越厚越好？解释其道理？越厚越好？如何减小套管温度计的测温误差？如何减小套管温度计的测温误差？1-1 传热

5、学的研究内容及应用传热学的研究内容及应用(2) (2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题特别是在下列技术领域大量存在传热问题1-1 传热学的研究内容及应用传热学的研究内容及应用动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（空航天、微机电系统（MEMSMEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术学与生物技术双曲线冷却塔结构示意图 建筑保温结构1-1 传热学的研究内容及应用传热学的研究内容及应用(3) (3) 航空航天航空航天领域中的具体应用领域中的具体应用发动

6、机高温叶片气冷却发动机高温叶片气冷却超高音速飞行器（超高音速飞行器（Ma=10Ma=10）热控）热控空调制冷原理空调制冷原理1-1 传热学的研究内容及应用传热学的研究内容及应用空间飞行器重返大气层热控空间飞行器重返大气层热控卫星与空间站热控制卫星与空间站热控制1-1 传热学的研究内容及应用传热学的研究内容及应用飞机环境控制系统飞机环境控制系统压力压力温度温度湿度湿度空气品质空气品质舱外环境情况怎样舱外环境情况怎样? ?舱内情况如何建立舱内情况如何建立? ?工程上如何解决工程上如何解决? ?飞机防除冰系统飞机防除冰系统3.3.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，可分为稳态和非稳态

7、两大类。1-1 传热学的研究内容及应用传热学的研究内容及应用（1 1）稳态传热）稳态传热: : 温度场各点温度不随时间变化温度场各点温度不随时间变化t1t001234（2 2）非稳态传热）非稳态传热: : 温度场各点温度随时间发生变化温度场各点温度随时间发生变化1-1 传热学的研究内容及应用传热学的研究内容及应用以热机起动为例：平壁初始温度为t0；左侧表面温度突升为t1并保持不变，右侧表面仍与温度为t0的空气接触。接下来平板将经历一个非稳态传热过程。4.4.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) (1) 热力学热力学 + + 传热学传热学 = = 热科学热科学(Thermal

8、Science)(Thermal Science) 系统从一个平衡系统从一个平衡态到另一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递态的过程中传递热量的多少。热量的多少。 关心的是热量关心的是热量传递的过程，传递的过程，即热量传递的即热量传递的速率。速率。热力学：传热学：tm)(),(fzyxt水，M220oC铁块, M1300oC 传热学与热力学的区别（2 2） 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础：传热学以热力学第一定律和第二定律为基础：1-1 传热学的研究内容及应用传热学的研究内容及应用 热量热量 始终从高温热源向低温热源传递；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，则如果没有能

9、量形式的转化，则 始终是守恒的。始终是守恒的。传热学中的连续介质假设5.5.连续介质假设：连续介质假设： 连续介质假设在什么情况下成立？物体中的温度、密度、速度、压力等物理参物体中的温度、密度、速度、压力等物理参数都是空间的数都是空间的连续函数连续函数。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1.1.导热（热传导）导热（热传导）(Heat Conduction)(Heat Conduction)热量传递的三种基本方式：热量传递的三种基本方式：导热导热( (热传导热传导) )、对流、对流( (热对流热对流) )和热辐射和热辐射。(1)(1)定义：定义：温度不同的物体各部分或温

10、度不同的两物体温度不同的物体各部分或温度不同的两物体直接接触时，时，依靠依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而产生的热量传递而产生的热量传递现象。现象。(2)(2)物质的属性：物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生(3)(3)导热的特点：导热的特点： a a 必须有必须有温差； b b 物体直接接触；物体直接接触； c c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量； d d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。1-2 1-2 热量传递的三种基本方式热量传递

11、的三种基本方式(4)(4)导热基本定律：导热基本定律： Fourier定律 一维稳态导热： 一维稳态平板导热一维稳态平板导热其中：其中：Q Q ：热流量，单位时间传递的热量：热流量，单位时间传递的热量WW；q q ：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A A ：垂直于导热方向的截面积：垂直于导热方向的截面积 ； ：导热系数（热导率）：导热系数（热导率） 。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(5)(5)导热系数导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。20、1个大气压下：1-2 1-2 热量传

12、递的三种基本方式热量传递的三种基本方式(6)(6)一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻Q1wt2wtA 导热热阻图示即：即：如右图所示，稳态如右图所示，稳态 q=constq=const，于是积分于是积分FourierFourier定律有：定律有：总热流量：总热流量：rAR 导热热阻面积导热热阻热阻的概念: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Q1wt2wtA 导热热阻的图示例 1一块厚度一块厚度=50 =50 mm mm 的平板，的平板， 两侧表面分别维持在两侧表面分别维持在.100,30021CtCtowow试求下列条件下的热流密度。试求下列条件下的热流密

13、度。材料为铜，=375 w/(mK );材料为钢， =36.4 w/(mK );材料为铬砖， =2.32 w/(mK )；材料为铬藻土砖， =0.242 w/(mK )。解：由一维稳态导热公式有：解：由一维稳态导热公式有：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2321mW1028. 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，铜与硅藻土砖由计算可见，铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别导热系数的巨大差别，导致，导致在相同条在相同条件下通过铜板的导热量比

14、通过硅藻土砖的导热量大三个数量级件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。因此，。因此，铜是热的良导体，硅藻土砖则有隔热作用。铜是热的良导体，硅藻土砖则有隔热作用。2621mW105 . 105. 0100300375wwttq铜：铜：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq钢：钢：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)(1)定义：定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于流体中（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。而把热量由一处传递到另一处的现象。2.2.热对

15、流热对流(Heat Convection)(Heat Convection)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 热对流实例：对流层冷暖气流的运动火焰从下加热汤锅(2)(2)对流传热：对流传热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程。流体流过一个物体表面时的热量传递过程。 与单纯的热对流不同，对流传热具有如下特点：与单纯的热对流不同，对流传热具有如下特点： a a 导热与热对流同时存在导热与热对流同时存在的复杂热传递过程的复杂热传递过程 b b 必须有必须有直接接触直接接触（流体与壁面）和（流体与壁面）和宏观运动宏观运动；也；也 必须有必须有温差温差 c c 壁面处会形成

16、壁面处会形成速度梯度很大的边界层速度梯度很大的边界层 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 对流传热实例：管内流动传热管外流动传热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(3)(3)对流传热的基本计算公式：牛顿冷却定律对流传热的基本计算公式：牛顿冷却定律Convection heattransfer coefficienth表面传热系数 热流量W，单位时间传递的热量q2mW热流密度K)(mW2A2m 与流体接触的壁面面积wt C 固体壁表面温度t 流体温度 C 流体与壁面温度相差流体与壁面温度相差1 1度时、每单位壁面面积上、单位时度时、每单位壁面面

17、积上、单位时间内所传递的热量。间内所传递的热量。影响影响h h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等。因素：流速、流体物性、壁面形状大小等。(4)(4)对流传热系数对流传热系数( (表面传热系数表面传热系数) )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1-2 1-2 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式(5)(5)对流传热的分类对流传热的分类 按流体运动的起因分为：强迫对流和自然对流。按流体运动的起因分为：强迫对流和自然对流。干燥箱中的强迫对流暖气片中的自然对流 按有无相变分为：有相变对流（沸腾、蒸发传热和凝结传热）和按有无相变分为：有相变对流（沸腾、蒸发传热和凝结传

18、热）和单相对流。单相对流。对流传热其他分类形式将在第五章中详述。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 对流传热系数 对流传热过程 对流传热系数 自然对流 空气2-25液体50-100强制对流空气25-250液体50-20000沸腾或凝结传热 2500-1000001-2 1-2 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式1-2 1-2 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式hhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrh(5)(5)对对流传热热阻：流传热热阻： (1)(1) 定义：定义：由由热运动产生的，以产生的，以电磁波形式传递能量的

19、现象。形式传递能量的现象。3 3 热辐射热辐射(Thermal Radiation)(Thermal Radiation)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(2) (2) 特点：特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K， 就会不停地向周围空间发出热辐射；就会不停地向周围空间发出热辐射；b b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；f f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4 4次方。次

20、方。 不同的箭头颜色代表不同的热辐射量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 热辐射实例：热辐射实例：当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热； 锅炉炉膛内的火焰辐射航天器在接近绝对零度的外太空飞行时，向宇宙空间的辐射散热量非常大。 (5) (5) 辐射传热的特点：辐射传热的特点：a a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在 真空中就可以传递能量b 在辐射传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

21、结果是热量由高温传到低温。(4) (4) 辐射传热：辐射传热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同， 就像对流和对流传热一样。就像对流和对流传热一样。 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(6)(6)辐射传热的研究方法：辐射传热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律（忽略其他因素），将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。黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程：Stefan-Boltzmann Stefan-Boltzmann 定律定律 ，4

22、TA4Tq，4TA真实物体则为：真实物体则为： 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(7)(7)黑体的定义：黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。)(424121TTq42T1T2T两黑体表面间的辐射传热41T1-2 1-2 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式(9)(9)两黑体表面间的辐射传热：两黑体表面间的辐射传热：)(4241TTA例 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 ，此时空气与管道外表面间的自然对流传热的表面传热系

23、数 h=3.42 W /(m2 K)， 保温层外表面的发射率 。CtCtfw23,489 . 0问：（1） 此管道的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。量为：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lq解：解：（1）此管道的散热有辐射传热和自然对流传热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为 。)(,fwclttdhthdq)/(5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW近似地取管道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散热量为：)(4241,TTdqrl)/(7 .274)27323

24、()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表面温度为几十摄氏度的一类表面的散热问题，自然对流散热量与辐射散热量具有相同的数量级自然对流散热量与辐射散热量具有相同的数量级，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量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三种传热方式总结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传热方式导热对流辐射定义微观粒子运动而引起的热量传递流动的流体与固体壁面之间的传热以热辐射的形式进行的热量交换基本定律傅立叶定律牛顿冷却定律SB定律

25、特点导热系数是一个物性参数对流传热系数不是物性参数，与流动及其它因素有关不需要传热介质，是真空中唯一的热量传递方式需解决的问题确定温度分布确定对流传热系数确定角系数；实际辐射表面的发射和吸收1-3 1-3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数1. 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传热。两流体间通过固体壁面进行的传热。2. 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 传热过程实例：传热过程实例：1-3 1-3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数 传热过程实例：传热过程实例：电子芯片的散热一维稳态传热过程右侧对流传热热阻右侧对流传热

26、热阻111AhRh固体的导热热阻固体的导热热阻AR3. 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忽略热辐射传热，则忽略热辐射传热，则111AhRh左侧对流传热热阻左侧对流传热热阻1-3 1-3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数2121212111)()(AhAAhttRRRttffhhfftAkttAkff)(21传热系数传热系数 ，是表征，是表征传热过程强烈程度的标尺，的标尺，不是物性参数，与过程有关。，与过程有关。KmW2用用含有传热系数的式子来表达传热量：的式子来表达传热量：上述传热过程中传递的热量为：上述传热过程中传递的热量为：21211111hhrrrhhk

27、单位热阻或面积热阻单位热阻或面积热阻于是，传热系数可表达为：于是，传热系数可表达为：1-3 1-3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数a k k 越大，传热越好。若要增大越大，传热越好。若要增大 k k，可增大，可增大或减小21 , ,hhc h h1 1、h h2 2的计算方法及增加的计算方法及增加k k值的措施是本课程的重要值的措施是本课程的重要 内容内容注意：b非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法1-3 1-3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数1-4 传热学发展简史1818世纪世纪3030年代的工业革命促进了传热学的发展年代的

28、工业革命促进了传热学的发展v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,1798B.T.Rumford,1798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,1799H.Davy,1799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.Biot,1804J.B.Biot,1804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

29、.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/M.Jakob G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/M.Jakob 不可压缩流动方程不可压缩流动方程 （M.Navier,1823M.Navier,1823年年) ) 流体流动流体流动Navier-StokesNavier-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.Lorentz, 1881L.Lorentz

30、, 1881年）年） 管内传热的理论解（管内传热的理论解（L.Graetz, 1885L.Graetz, 1885年；年；W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年） 凝结传热理论解凝结传热理论解 （W.Nusselt, 1916W.Nusselt, 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/1915/1915年）年） 流体边界层概念流体边界层概念 （L.Prandtl, 1904L.Prandtl, 1904年）年） 热边界层概念热边界层概念 （E.Pohlh

31、ausen, 1921E.Pohlhausen, 1921年）年） 湍流计算模型湍流计算模型 （L.Prandtl,1925L.Prandtl,1925年；年；Th.Von Karman, 1939Th.Von Karman, 1939年；年；R.C. R.C. Martinelli, 1947Martinelli, 1947年）年）1-4 传热学发展简史v对流传热对流传热 （Convective heat transferConvective heat transfer）热辐射及辐射传热热辐射及辐射传热(Thermal radiation)(Thermal radiation) 黑体辐射光谱

32、能量分布的实验数据黑体辐射光谱能量分布的实验数据(O.Lummer,1889(O.Lummer,1889年）年） 黑体辐射能量和温度的关系黑体辐射能量和温度的关系(J.Stefan and L.Botzmann,1889(J.Stefan and L.Botzmann,1889年）年） 黑体辐射光谱能量分布的公式黑体辐射光谱能量分布的公式 维恩公式（维恩公式（18961896年）年）/Rayleigh-Jeans/Rayleigh-Jeans公式公式 能量子假说能量子假说 （M. Planck,1900M. Planck,1900年）年）/ /光量子理论光量子理论（A.Einstein,1905A.Einstein,1905年）年） 物体的发射率与吸收比的关系（物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff,1859G.Kirchhoff,1859年年/1860/1860年）年） 物体间辐射传热的计算方法物体间辐射传热的计算方法 （波略克，（波略克，19351935年；年；H.C.Hotel, H.C.Hotel, 19541954年；年；A.K.Oppenheim,1