传热学第一章绪论

1、主讲教师：徐主讲教师：徐 颖颖TelTel：1800459186818004591868传热学传热学Heat transfer1-1 1-1 传热学的研究内容及其在科技和传热学的研究内容及其在科技和工程中的应用工程中的应用1 1、传热学的概念、传热学的概念 是一门研究由温差引起的热量传递规律的科学。 热量传递在自然界和生产技术领域普遍存在。高温物体低温物体物体的高温部分物体的低温部分工程热力学与传热学的区别热力学 传热学1-1 1-1 传热学的研究内容及其在科技和传热学的研究内容及其在科技和工程中的应用工程中的应用系统从一个平衡态到另一个平衡态过程 中传递热量的多少 关心的是热量传递的过程，即

2、热量传递的速率 一、传热学的应用 1. 传热学在生活中的应用 2. 传热学在科学技术中的应用1-1 1-1 传热学的研究内容及其在科技和传热学的研究内容及其在科技和工程中的应用工程中的应用传热学在生活中的应用夏天吹风扇传热学在生活中的应用 暖瓶和保温杯保温严寒地区采用双层玻璃传热学在生活中的应用水壶的提把上要安装橡胶传热学在生活中的应用塑料大棚传热学在生活中的应用石油化工领域：反应釜、蒸汽吞吐井、稠油热采、油气集输传热学在科技与工程中的应用建筑领域：空心砖、地板辐射采暖传热学在科技与工程中的应用哥伦比亚航天飞机事故哥伦比亚航天飞机事故哥伦比亚航天飞机事故哥伦比亚航天飞机事故微电子领域传热学在科

3、技与工程中的应用生物医学：生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存；冷冻保存；军军 事：事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存；飞机、坦克；激光武器；弹药贮存；制制 冷：冷：跨临界二氧化碳汽车空调跨临界二氧化碳汽车空调/ /热泵，高温水源热热泵，高温水源热泵；泵；新能源：新能源：太阳能；燃料电池太阳能；燃料电池传热学在科技与工程中的应用传热解决的问题传热解决的问题p强化传热（吹风扇等）p削弱传热（宇航服、双层玻璃等）p温度控制（航天飞机、芯片风扇等）1-1 1-1 传热学的研究内容及其在科技和传热学的研究内容及其在科技和工程中的应用工程中的应用 热

4、量传递过热量传递过程程1-1 1-1 传热学的研究内容及其在科技和传热学的研究内容及其在科技和工程中的应用工程中的应用稳态非稳态传热学课程的重要性传热学课程的重要性油气储运专业主干课程。油气储运专业主干课程。传热学与流体力学、工程热力学并称能源动力类专传热学与流体力学、工程热力学并称能源动力类专业的三大支柱。业的三大支柱。传热学在该专业领域的应用传热学在该专业领域的应用（1 1）热量以什么方式传递？）热量以什么方式传递？（2 2）散热量为多少？）散热量为多少？（3 3）如何降低热量损失？）如何降低热量损失？传热学课程的重要性传热学课程的重要性学习目的：学习目的：传热学课程传热学课程组成考核方法

5、：百分制热传导（导热）（ Heat conduction ）热对流（对流） （ Heat convection ）热辐射（辐射）（ 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 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一、热传导（导热）一、热传导（导热） 1 1 、概念、概念 定义：定义：物体各部分之间物体各部分之间不发生相对位不发生相对位移移时，依靠分子、原子及自由电子等时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子微观粒子的热运动的热运动而产生的而产生的热量传递热量传递称热传导。称热传导。 如：固体与固体之间及固体内部的热量传如

6、：固体与固体之间及固体内部的热量传递。递。 导热的特点导热的特点: :p必须有温差；p物体直接接触；p不发生宏观的相对位移；p没有能量形式之间的转化。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 冬天温度相同的铁和木头，为什么摸起来感觉不同？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 2 2 、导热的基本定律、导热的基本定律 1 1 ）傅立叶定律（）傅立叶定律（ 1822 1822 年，法国物理学家）年，法国物理学家） 1768-1830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 2 2 、导热的基本定律、导热的基本定律 如图如图 1-1 1-1 所示的

7、两个表所示的两个表面分别维持均匀恒定温面分别维持均匀恒定温度的平板，是个一维导度的平板，是个一维导热问题。对于热问题。对于x x方向上任方向上任意一个厚度为意一个厚度为 的微的微元层来说，根据傅里叶元层来说，根据傅里叶定律，单位时间内通过定律，单位时间内通过该层的导热热量与当地该层的导热热量与当地的温度变化率的温度变化率 及平板及平板面积面积A A成正比，即成正比，即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 dxdxdtdxdtA式中：式中： 单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，W。 热导率热导率，又称，又称导热系数。导热系数

8、。导热系数导热系数 表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数。表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数。 单位：单位： W/(mK )W/(mK )。 不同材料的导热系数值不同。不同材料的导热系数值不同。 同一种材料导热系数值与温度等因素有关。同一种材料导热系数值与温度等因素有关。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 （1-1） （ 1 1 ）当温度）当温度 t t 沿沿 x x 方向增加时，方向增加时， 而而 ，说明此时热量沿说明此时热量沿 x x 减小的方向传递；减小的方向传递； （ 2 2 ）反之，当）反之，当 0 0 0 ，说明热量沿，说明热量沿 x x 增增加

9、的方向传递。加的方向传递。 （1 1） （2 2） 负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。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 dxdtdxdt3 3 ）热流密度（面积热流量）热流密度（面积热流量） 单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为记为 q q ，单位，单位 W/W/。 说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式（说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式（ 1-1-1 1 ）、（）、（ 1-2 1-2 ）是一维稳态导热时傅立叶定律的）是一维稳态导热时傅立叶定律的数学表达式。数学表

10、达式。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dxdtAq-（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传导热传导 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 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 1 1 、基本概念、基本概念 1) 1) 热对流：热对流：是指由于是指由于流体的宏观运动流体的宏观运动，从而使流体，从而使流体各部分之间发生相对位移，各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混冷热流体相互掺混所引所引起的起的热量传递热量传递过程。过程。 对流对流仅发生在流体中仅发生在流体中，对流的，对流的同时必伴随有同时必伴随有导热导热现象

11、。现象。 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流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流传热。过程，称为对流传热。 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热对流 2 2 、对流传热的分类、对流传热的分类 （1 1）根据对流传热时）根据对流传热时是否发生相变是否发生相变分：有相分：有相变的对流传热和无相变的对流传热。变的对流传热和无相变的对流传热。 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热对流 （2 2）根据引起）根据引起流动的原因流动的原因分：分：自然对流自然对流和和强制对流强制对流。 1 1）自然对流：）自然对流：由于流体冷热各部分的密度

12、不同而由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动。引起流体的流动。 2 2 ）强制对流：）强制对流：流体的流动是由于水泵、风机或流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的。其他压差作用所造成的。 （1 1） （2 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热对流 对流传热的特点：对流传热的特点： （1 1）必须有流体的宏观运动，必须存在温差）必须有流体的宏观运动，必须存在温差 （2 2）对流传热既有对流，又有导热）对流传热既有对流，又有导热 （对流传热不是基本的热量传递方式对流传热不是基本的热量传递方式） （3 3）流体与壁面必须直接接触）流体与壁面必须直接接触 （4 4

13、）没有能量形式之间的转化）没有能量形式之间的转化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热对流 夏天在同样温度的水和空气中的感觉不一样？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热对流 对流传热的基本规律对流传热的基本规律 如果把温差（亦称温压）记为如果把温差（亦称温压）记为 ，并约定永远取，并约定永远取正值，则正值，则牛顿冷却公式牛顿冷却公式可表示为可表示为t thq tAh （1-5）（1-6） 其中其中 h h 比例系数（表面传热系）比例系数（表面传热系）, , 。 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热对流 2W/ mKh是否是物性参数？是否是物性参数？

14、 不是！不是！ 流体的物性（流体的物性（、cp） 流体流体 流速流速 h 流体种类流体种类 换热表面形状换热表面形状 物体物体 大小大小 位置位置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热对流 自然对流 气体 液体强制对流 气体 液体相变对流传热 沸腾或凝结对流传热的表面传热系数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热对流 一般地，一般地，就介质而言：就介质而言：水的对流传热比空气强水的对流传热比空气强烈；烈； 就换热方式而言：就换热方式而言：有相变的强于无相变的；强有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。制对流强于自然对流。 对流传热研究的基本任务：对流传热研究的基

15、本任务：用理论分析或实验用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面换热系数的关系式。的方法推出各种场合下表面换热系数的关系式。 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热对流 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热对流 1 1、基本概念、基本概念 1 1 ）辐射和热辐射）辐射和热辐射 物体通过物体通过电磁波电磁波来传递能量的方式称为来传递能量的方式称为辐射辐射。因因热的原因热的原因而发出而发出辐射能辐射能的现象称为的现象称为热辐射热辐射。 2 2 ）辐射传热）辐射传热 辐射辐射与与吸收吸收过程的综合作用造成了以过程的综合作用造成了以辐射方辐射方式式进行的物体间的热量传递称

16、进行的物体间的热量传递称辐射传热辐射传热。 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热辐射 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热辐射。同时又不断的吸收其他物体发出的热辐射。 说明说明：辐射传热是一个动态过程，当物体与周：辐射传热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于围环境温度处于热平衡时热平衡时，辐射换热量为零，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。 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热辐射 热辐射

17、特点：热辐射特点：导热、对流只在有物质存在的条件下，才能实导热、对流只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射现，而热辐射不需中间介质不需中间介质。 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，而且伴随有而且伴随有能量形式的转化能量形式的转化。 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热辐射 辐射传热是一种辐射传热是一种双向热流双向热流同时存在的传热过同时存在的传热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且

18、低温物体向高温物体辐射热能。且低温物体向高温物体辐射热能。辐射传热不需要中间介质，在真空中即可进行，辐射传热不需要中间介质，在真空中即可进行，而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又称其为非接触性传热。称其为非接触性传热。 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热辐射 热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。象。 物体的辐射能力物体的辐射能力与其温度性质与其温度性质有关。这是有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。热辐射区别于导热，对流的基本特点。 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

19、热辐射 冬夏室内温度相同，为什么冬天穿毛衣，夏天穿T恤？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热辐射 2 2 、热辐射的基本规律：、热辐射的基本规律： 所谓绝对所谓绝对黑体黑体：能吸收投入到其表面上的所有：能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体。热辐射能量的物体。 黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的。大的。黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于斯忒黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于斯忒藩藩玻耳兹曼定律，即玻耳兹曼定律，即 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热辐射 2 2 、热辐射的基本规律：、热辐射的基本规律：

20、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热辐射 4TA（1-7）其中其中 T T 黑体的热力学温度，黑体的热力学温度，K； 斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼常数（黑体玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为辐射常数），其值为5.675.67* *1010-8-8 ； A辐射表面积辐射表面积 m m2 2 。 2 2 、热辐射的基本规律：、热辐射的基本规律： 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热辐射 实际物体辐射热流量根据实际物体辐射热流量根据斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律求得：求得： 物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射传热量，传热量，W；

21、物体的物体的发射率（黑度），发射率（黑度），其值总小于其值总小于1 1，它与物体的种类及表面状态有关。它与物体的种类及表面状态有关。4TA（ 1-8 ）2 2 、热辐射的基本规律：、热辐射的基本规律： 要计算辐射传热量，必须考虑投到物体要计算辐射传热量，必须考虑投到物体上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，详上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，详见第八章。见第八章。 物体物体( , , )( , , )包容在一个很大的表面包容在一个很大的表面 温度为温度为 的空腔内，物体与空腔表面间的辐的空腔内，物体与空腔表面间的辐射传热量射传热量 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热辐射

22、)(424111TTA（ 1-9 ）1A1T12T小结导热傅里叶定律傅里叶定律(需介质、微观粒子热运动、存在温差，直接接触、无位移)对流传热牛顿冷却定律牛顿冷却定律（需介质，存在位移、温差、无能量形式转化）（需介质，存在位移、温差、无能量形式转化）热辐射斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律（存在能量形式转化、辐射能力与物体温度有关）（存在能量形式转化、辐射能力与物体温度有关）1-21-2热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式dxdtA4TAtAh 思考题：p书23页复习题-5p书24页复习题-6p书24页习题1-4p暖气的传热过程？p埋地管道输送热油时的传热过程？1-21-2热量传递的三

23、种基本方式热量传递的三种基本方式1-31-3传热过程和传热系数传热过程和传热系数一、传热过程一、传热过程 1 1 、概念、概念 热量由壁面一侧的流体通过壁面传到热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。另一侧流体中去的过程称传热过程。 传热过程一般包括串联着的传热过程一般包括串联着的三个环节三个环节组成，即：组成，即： 热流体热流体 壁面高温侧；（对流传热）壁面高温侧；（对流传热） 壁面高温侧壁面高温侧 壁面低温侧；（导热）壁面低温侧；（导热） 壁面低温侧壁面低温侧 冷流体。（对流传热）冷流体。（对流传热） 若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。若是稳态过程则通过串联环

24、节的热流量相同。 1-31-3传热过程和传热系数传热过程和传热系数 针对稳态的传热过程，即针对稳态的传热过程，即 Q=const Q=const 如图如图 1- 3 1- 3 ，其，其传热环节有三种情况传热环节有三种情况，则其热流量的表，则其热流量的表达式如下：达式如下： 22221111fwwwwfttAhttAttAh （a）（b）（c）1-31-3传热过程和传热系数传热过程和传热系数将式（将式（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）改写成温差的形式：）改写成温差的形式：22221111/AhttAttAhttfwwwwf （d）（e）（f）1-31-3传热过程和传热系数传热过程和传热系数212111)(hhttAff（1-10）也可以表示成也可以表示成: : 式中式中 称为称为传热系数传