传热学1-2 绪论

1、长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering1-3 热量传递的三种基本方式 一、热传导二、热对流三、热辐射 长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering一、导热（热传导）(Conduction)1 、概念 定义：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递。 长江大学机械工程学院School of M

2、echanical Engineering 气体、液体、导电固体与非金属固体的导热机理： （ 1 ）气体：由分子的热运动和相互碰撞产生的能量传递。 一、导热（热传导）(Conduction)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering（ 2 ）导电固体：通过自由电子在晶格之间的运动导热。（ 3 ）非导电固体：通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。 一、导热（热传导）(Conduction)（4）液体：存两种不同观点：一观点类似于气体，认为是分子热运动相互碰撞的结果；一观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波的作用

3、。 说明：只研究导热现象的宏观规律。 长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering2 、导热基本定律傅立叶定律dxdtA 式中是比例系数，称为热导率，又称导热系数，负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。 一、导热（热传导）(Conduction)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering21qwwttA:热流量,单位时间内通过某给定面积的热量W; q:热流密度,单位时间通过单位面积传递的热量W/m2;A:垂直于导热方向的截面积m2；：热导率或导热系数, W/(mK).12wwttA 一、导热（热传导）(Co

4、nduction)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 不同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。金属材料最高，良导电体也是良导热体，液体次之，气体最小。 一、导热（热传导）(Conduction)例1：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？长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering(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)材料为铬藻土砖，=0.242 W/(

5、mK )。例题2: 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：长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering2321mW1028. 905. 010030032. 2wwttq铬砖：2221mW1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土砖：2621mW105 . 105. 0100300375wwttq铜：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq钢：解：由一维稳态导热公式有：长江大学机械工程学院School of Mechanical Eng

6、ineering二、对流（热对流）(Convection)1) 热对流：指由于流体的宏观运动，使流体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。对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随有导热现象。 1、概念2) 对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。 长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering2 、对流换热的分类 二、对流（热对流）(Convection)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering1 ）自然对流： 由于温度差导致流体各部分的密度不同而引起流体的流动。2 ）强

7、制对流： 由于水泵、风机或其他压差作用所造成的流体流动。 3 ）沸腾换热及凝结换热 液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热。二、对流（热对流）(Convection)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering3. 对流换热的基本规律流体被加热流体被冷却()()wffwhA tthA thA tt tw 及tf 分别为壁面温度和流体温度；h表面传热系数，W/(m2K)牛顿冷却公式二、对流（热对流）(Convection)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineeringh的大小与传热过程

8、中的许多因素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小、相对位置，而且与流体的流速有关。 一般地，就介质而言，水的对流换热比空气强烈；就换热方式而言，有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。 二、对流（热对流）(Convection)对流换热研究的基本任务：用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面传热系数的关系式。 长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering自然对流强制对流水相变换热空气水气体高压水蒸气水沸腾蒸汽凝结 1102001000201005003500100015000250035000500025000换热形式介质h/ W/(m

9、2K)表面对流传热系数的数值范围二、对流（热对流）(Convection)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering三、热辐射 (Thermal radiation)1. 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。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。 特点：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. 伴随能量形式的转化；d. 具有强烈的方向性；e. 辐射能与温度和波长均有关；长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 辐射换热是一个动态过程，

10、当物体与周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，只是辐射热与吸收热相等。三、热辐射 (Thermal radiation)2. 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行的物体间的热量传递称辐射换热。 长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 黑体：把吸收率等于 1 的物体称黑体，是一种假想的理想物体。 黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的，且辐射热量服从于斯忒藩玻耳兹曼定律。 3. 热辐射的基本规律玻耳兹曼定律三、热辐射 (Thermal radiation)4bAT 斯忒藩玻耳兹曼定律： 其中

11、: T 黑体的热力学温度 K ； b玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为5.6710-8W/(m2K4) ； A辐射表面积，m2 。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射换热量； 物体的发射率（黑度），其值总小于1，它与物体的种类及表面状态有关。4bAT 实际物体辐射热流量： 三、热辐射 (Thermal radiation)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering要计算辐射换热量，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，详见第八、九章。 仅有两个物体的

12、系统，它们之间的辐射换热热流量为： 4412()sbA TT s系统发射率（黑度）。三、热辐射 (Thermal radiation)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 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，可在真空中传递，且在真空中辐射能的传递最有效。故又称为非接触性传热。 4. 导热、对流、辐射的评述 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。 三、热辐射 (Thermal radiation)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering

13、热辐射现象仍是微观粒子运动的一种宏观表象。物体的辐射能力与其温度有关。 辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不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。三、热辐射 (Thermal radiation)长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering四、表面传热系数既有表面辐射传热又有对流传热的现象统称表面传热。cr4412()rsbATT 物体表面的总热流量：A() ()Ah ()crcrwfwfhhtttt Atthfwrr)(rchhh表面传热系数/复合换热表面传热系数长江大学机械工程学院School of Mechanic

14、al Engineering例1-2：一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583mm，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=3.42W /(m2K), 保温层外表面与外空间的系统发射率s=0.9。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。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering解：（1）管道的散热方式 （2）把管道每米长度上的散热量记为l,c，当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热：,()l cwfd h tdh tt )/(

15、5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 近似取室内物体及墙壁温度为室内空气温度，每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：44,12()l rsdTT )/( 7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering1-4 传热过程（总）传热过程：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。 1.概念热水对流换热对流换热、辐射换热导热管内壁管

16、外壁周围环境管内热水长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering传热过程包括串联着的三个环节组成，即： 热流体 壁面高温侧； 壁面高温侧 壁面低温侧； 壁面低温侧 冷流体。 2.传热过程的组成若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。1-4 传热过程传热过程的剖析长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering3. 传热过程的计算 )()()(22221111cttAhbttAattAhfwwwwf 针对稳态的传热过程，其传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下： 1-4 总传热过程)()(/)(22221111fAh

17、tteAttdAhttfwwwwf长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering1212()11ffA tthh 12()ffAk ttAk t 式中，k 称为传热系数，单位为W/(m2K)。或：1-4 总传热过程k 的表达式: 12111khhkA t意义：用来表征传热过程强烈程度的指标。数值上等于冷热流体间温差t1，传热面积 A=1m2 时热流量的值。k 值越大，传热过程越强，反之，则弱。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于组成传热过程诸环节的1/h1、/及

18、1/h2之和的倒数。12111khh12111khh串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环节热阻之和。1-4 总传热过程长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 说明：若流体与壁面间有辐射换热现象，则表面传热系数应取复合换热表面传热系数，包含由辐射换热折算出来的表面传热系数在内。Ak t1A tk1211hh1-4 总传热过程长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering例3：一房屋的混凝土外墙的厚度为=150mm，混凝土的热导率为=1

19、.5W/(mK)，冬季室外空气温度为tf2=-10，有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(mK)，室内空气温度为tf1=25，和墙壁之间的表面传热系数为h1=5W/(mK)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering解：已知=150mm，=1.5W/(mK)，tf2=-10，h2=20W/(mK)，tf1=25，h1=5W/(mK) 求：q、tw1、tw2长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering根据牛

20、顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，222111fwwftthqtthqChqttfwo551100251111Chqttfwo5201100101222长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering例4：一外径为0.3m，壁厚为5mm的圆管，长为5m，外表面平均温度为80。200的空气在管外横向掠过，表面传热系数为80 (W/m2K）。入口温度为20的水以0.1m/s的平均速度在管内流动。如果过程处于稳态，试确定水的出口温度。水的比定压热容为4184(J/kgK)，密度为980kg/m3。tw=80 水tin=20u=0.1m/s5m2h=8

21、0/()200fWm KtC，3005长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering解：(1)管外空气与管子之间的换热量：WttdlhtthAwfwf45239)80200(53 . 014. 380)()(tw=80 水tin=20u=0.1m/s5m2h=80/()200fWm KtC，3005长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering(2) 过程处于稳态，管外空气所加的热量由管内水带走，因此：)(inoutpcpsttcuAtcmCtcuAtinpcouto7 .212041844)2005. 03 . 0(

22、1 . 0980452392长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering纸制容器煮开水 设用来做容器的纸的耐热温度 为 1 8 0 ， 导 热 系 数 为0.93W/mK。容器中装有水，在容器底下用1100的火焰加热，使水在大气压下沸腾。火焰侧的放热系数为93W/m2K，水侧放热系数为2330W/m2K，纸的厚度为0.2mm。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering1001100长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering解法1：设暴露在火焰之上的纸的表面温度为t，此时火

23、焰传递给纸与纸传递给水的热流密度q相等，故：21100 10010.0002193.10.93233085900/ mqW212111)(qhhttff长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering热流密度又与火焰对纸的放热量相等。?176t 由计算可知，纸的实际温度在它的耐热温度以下，因此也就不怕火焰了。85900) t1100(0 .93q长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering解法2：设纸的火焰侧实际温度已经达到180，此时热流密度为：25m/108556.0)8011100(0 .93qW?与这一热流密度

24、相对应的t值在饱和水的沸腾曲线上读取，大约为15。100twswttto115wtC 即纸的水侧温度为115。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering设纸的厚度为m，于是有：593.0q(180115)0.855610?mm71. 0所用纸的最大厚度可达0.71mm。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering解法2：设纸的火焰侧实际温度已经达到180，此时热流密度为：25m/108556. 0)8011100(0 .93qW?设纸的水侧温度为tw，则tw=136。wq2330(t100)520.8556 10/mW长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering设纸的厚度为m，于是有：ww 2tt180136q=/ 0.9310.48mm所用纸的最大厚度可达0.48mm。520.8556 10/mW长江大学机械工程学院School of