工程传热学：第一章 绪 论

1、2022/8/101传 热 学2022/8/102工程传热学许国良 王晓墨 邬田华 等编著 （中国电力出版社、华中科技大学出版社）传热学杨世铭 陶文铨 第三版Heat TransferJ.P.Holman 8th edition数值传热学陶文铨 第二版参考书教 材2022/8/103第一章 绪 论1-1 传热学概述1-2 热量传递的基本方式1-3 传热过程与传热系数2022/8/1041-1 传热学概述1 传热学的概念 研究热量传递规律的一门科学 具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法热？ 热量？ 热能？Hot、Heat、Thermal energy2022/8/105钻木取火 太

2、阳电热器 地热现实生活和生产中存在大量的传热问题2022/8/106 热量传递所依据的基本定律 能量守恒定律：能量有各种形式；各种形式的能量之间可以相互转化；能量的总数是守恒的。 能量贬值原理：热量可以自发地从高温热源传给低温热源，但不能无代价地从低温热源传给高温热源;可见有温差必有传热，温差是热量传递的驱动力；能量在传递的过程中，伴随着能量品质的下降。 传热学以能量守恒定律(热力学第一定律)和能量贬值原理(热力学第二定律)为基础，再结合一些实验规律，以此来研究热量传递的速率，不但要计算传递了多少热量，还要计算在多长时间内传递了这些热量。 2022/8/1072 传热学的基本任务 求解温度分布

3、 计算热量传递的速率 热力学 + 传热学=热科学(Thermal Science) 系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。 关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。水，M220oC铁块, M1300oC热力学：tm , Q 传热学2022/8/108大规模太阳能热气流综合发电2022/8/109热力学研究：热力学循环和能量转换效率1234透平能量损失烟囱能量损失透平温降（压降）烟囱温降（压降）动能损失太阳能烟囱电站空气循环温熵图TS太阳能热气流能机械能电 能2022/8/1010传热学研究：系统内的温度、压力和速度场2022/8/10113 传热学应用举例自然界与生产过程到处

4、存在温差传热很普遍日常生活中的例子：为什么水壶的提把要包上橡胶？2022/8/1012特别是在下列技术领域大量存在传热问题：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（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术2022/8/1013航天器发射资料图片：和平号残骸划过大气层小知识：飞船的返回与着陆Apollo 11 lift off2022/8/10141. 坦克与周围环境的换热模拟2022/8/10152. 厨房内部气体传热流动模拟12342022/8/10163. 办公室空气流动与传热模拟2022/8/10174.牛与周围空气传热流动模拟2022

5、/8/10184 传热过程分类依据物体温度与时间的依变关系，可将传热过程分为稳态传热过程和非稳态传热过程。若物体中各点温度不随时间改变，则对应的传热过程为稳态热传递过程；若物体中各点温度随时间改变，则对应的传热过程为非稳态热传递过程。稳态过程和非稳态过程又称为定常过程和非定常过程。例如：昼夜温差变化、座位椅子温度感觉2022/8/10191-2 热量传递的基本方式热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射2022/8/1020 热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射2022/8/10211 热传导（导热） 热传导的定义 热传导的特点 可发生在任何物质的任何地点 传热机理：依靠分子、原子以及自由

6、电子等微观粒 子的热运动而传递微观过程，不产生宏观位移。 物体内温度不同的各部分之间，或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象。 物体内部存在温差，或具有温差的物体直接接触。Heat conduction2022/8/1022导热机理随物质种类和形态而异气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果导电固体：自由电子运动与晶格结构振动非导电固体：晶格结构振动液体：兼有气体和固体导热的机理2022/8/1023 导热基本定律傅立叶定律：热流量，单位时间传递的热量W为平壁两侧壁温之差 热导率(导热系数)W/(mK) 1822年，法国数学家Fouri

7、er：A：垂直于导热方向的截面积q： 热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量 W/m2 平壁的厚度m；Fouriers LawHeat fluxThermal conductivityt1t2l2022/8/1024当温度t沿x方向增加时，dt/dx0，q0，说明热量沿x减小的方向传递；反之，dt/dx0，q0，说明热量沿x增加的方向传递。 负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。2022/8/1025 导热系数 称为材料的热导率，又称导热系数，单位是W/(mK)；导热系数的物理意义：其数值大小反映材料的导热能力, 热导率越大，材料的导热能力就越强。导热系数与材料及温度等因素有关。金属是

8、良导热体，热导率最大，液体次之，气体最小。 2022/8/1026电学的欧姆定律 ： I(电流)=U(电压) /R (电阻) 热阻大平板稳态导热，由于是一维问题，且 和q为常量；傅立叶定律为： 稳态情况下流过大平板的导热量与平板的截面积和两侧的温差成正比，与平板的厚度成反比。 这里引入热阻的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移过程有一个共同规律，就是：平板导热 ：导热热阻Thermal resistance for conduction2022/8/10272 热对流 若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对

9、流。 这时，除了有因流体各部分间宏观相对位移而引起的热对流外，流体分子的热运动还会产生导热过程。故热对流和热传导总是同时存在的。 在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的是流体流过一个温度不同的物体表面时引起的热量传递，这种情况称为对流换热。 热对流与对流换热Convection2022/8/1028 对流换热的特点： 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。 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层2022/8/1029 对流换热公式牛顿冷却公式： 热流量 ，单位时间传递的热量q：热流密度h ：表面传热系数

10、A：与流体接触的壁面面积： 固体壁表面温度： 流体温度 1701年，英国科学家牛顿提出当物体受到流体冷却时，表面温度对时间的变化率与流体和物体表面间的温差t成正比。在此基础上，人们后来总结出了计算对流换热的基本公式，称为牛顿冷却公式，形式如下：t流体和物体表面的温差，约定永远为正，单位为K或。 Convective heat transfer coefficient2022/8/1030 对流热阻和表面传热系数对流热阻 式(1-4)只是给出了表面传热系数的定义式，并没有指出其具体的计算方法。影响表面传热系数的因素很多，包括流体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）、流动的形态（层流、紊流）、

11、流动的成因（自然对流或强制对流）、物体表面的形状、尺寸，换热时流体有无相变（沸腾或凝结）等。研究对流换热的基本任务就是用理论分析或实验方法得出不同情况下表面传热系数的计算关系式。表1-1列举了一些对流换热过程的h值的大致范围。由表1-1可知，水的对流换热表面传热系数比空气的大，强制对流的比自然对流的大，有相变的比无相变的大。Thermal resistance for convection2022/8/1031 研究对流换热的基本任务就是用理论分析或实验方法得出不同情况下表面传热系数的计算关系式。Typical values of hProcessH(W/m2 - C)Free Convect

12、ion Gases LiquidsForced Convection Gases Liquids Liquid metalsPhase change Boiling liquids Condensation5 - 3020 - 100020 - 30050 - 20,0005,000 - 50,0002,000 - 100,0005,000 - 100,0002022/8/10322022/8/1033 一切温度高于0K的物体都会以电磁波的方式发射具有一定能量的微观粒子，即光子，这样的过程称为辐射，光子所具有的能量称为辐射能。 辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式。物体会因不同的原因发出辐射能

13、。由于热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射，这时辐射能是由物体的内能转化而来，物体的温度越高，辐射能力越强。3 热辐射 热辐射Thermal radiation2022/8/1034 辐射换热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；总的效果是热由高温物体 传到低温物体自然界各个物体都不停地向空间发出热辐射，也不断地吸 收其他物体发出的热辐射，其综合过程

14、即为辐射换热。 辐射换热的特点： Radiation heat transfer2022/8/1035 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。为此，定义一种理想物体绝对黑体。绝对黑体（简称黑体）是理想化的能吸收投入到其表面上所有热辐射能的物体。这种物体的吸收本领和辐射本领在同温度的物体中最大。 黑体单位面积在单位时间内发出的热辐射能由斯蒂藩-玻耳兹曼定律计算： 黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯蒂芬-玻尔兹曼常数T黑体是否可以说成是黑（颜）色的物体？2022/8/1036一切实际物体辐射能力都小于同温度下的黑体 实际物体表面的发射率（黑

15、度），01；与物体 的种类、表面状况和温度有关 两个表面间的辐射传热量的计算较为复杂，需要考虑各表面辐射的热量和吸收的热量的总和。但有两种情况计算却很简单： 当一个面积为A1，发射率为 1，温度为T1的表面被另一个温度为T2的大得多的表面包围时，两表面间的辐射热流量：Emissivity122022/8/1037T1T2A 两无限大平行黑体平板间辐射 对于两个相距很近的黑体表面，由于一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上，那么它们之间的辐射换热量为 当T1=T2时，也就是物体和周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零。但此时是动态平衡，辐射和吸收仍在不断进行。此时物体的温度保持不变。20

16、22/8/10381-3 传热过程与传热系数 传热过程：热量由热流体通过间壁传给冷 流体的过程。 传热过程通常由导热、热对流、热辐射组 合形成。1 传热过程 传热过程由三个相互串联的热量传递环节组成: a) 热量以对流换热的方式从高温流体传给固体壁面； b) 热量以导热的方式从高温流体侧壁面传递到低温流体 侧壁面； c) 热量以对流换热的方式从低温流体侧壁面传给低温流 体。 注意：在第一和第三个环节中有时还须考虑壁面与流体及周围环境之间的辐射换热。 2022/8/10392 传热系数的计算 从热流体tf1到壁面高温侧tw1的换热： 从壁面高温侧tw1到低温侧tw2的换热： 从壁面低温侧tw2到

17、冷流体tf2的换热：上面三式中的热流量 相等，联立可解得式：2022/8/1040k称为传热系数或总传热系数，单位为W/(m2K)；当壁面为平壁时，其计算式如下： 传热过程的总热阻，由各环节的热阻串联而成，它们分别为各环节热阻。 单位面积热阻，m2K/ W。和上式同样适用于各环节的热量传递面积不相等的情形，如通过圆筒壁的传热，这时通过壁面的导热热阻的计算须相应改变。The overall heat transfer coefficient2022/8/1041例题1-1 有三块分别由纯铜、碳钢和硅藻土砖制成的大平板，它们的厚度都为=50mm，两侧表面的温差都维持为tw1tw2=100不变，试求

18、通过每块平板的导热热流密度。纯铜、碳钢和硅藻土砖的导热系数分别为1=398W/(mK)，2=40W/(mK)，3=0.242 W/(mK)。 解 这是通过大平壁的一维稳态导热问题，根据式(1-2)，对于纯铜板对于碳钢板 对于硅藻土砖2022/8/1042例题1-2 一室内暖气片的散热面积为A=2.5m2，表面温度为tw= 50，和温度为20的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h=5.5W/(m2K)。试计算该暖气片的对流散热量。若暖气片的表面发射率为 1 = 0.8，室内墙壁温度为20。试计算该暖气片和室内墙壁的辐射传热量。 解 暖气片和室内空气之间是稳态对流换热，根据式(1-4)= A

19、h(tw tf) = 2.5 m25.5 W/(m2K)(50-20)K = 412.5 W 故该暖气片的对流散热量为412.5 W。由于墙壁面积比暖气片大得多，由式(1-8)，两者间的辐射传热量为： 可见，此暖气片室内的对流散热量和辐射散热量大致相当。2022/8/1043例题1-3 有一氟里昂冷凝器，管内有冷却水流过，对流表面传热系数为h1=8800W/(m2K)，管外是氟里昂凝结，表面传热系数为h2=1800W/(m2K)，管壁厚为=1.5mm，导热系数为= 380W/(mK)，试计算三个环节的热阻和总传热系数，欲增强传热应从哪个环节入手。（假设管壁可作为平壁处理）。 解 三个环节的面积

20、热阻为： 水侧换热热阻： 管壁导热热阻： 蒸汽凝结热阻： 总传热系数： 三个环节的热阻比例为16.9%、0.6%、82.5%。故蒸汽侧的热阻占主要部分，应从这一环节入手增强换热。 2022/8/1044例题1-4 一房屋的外墙为混凝土，其厚度为=200mm ，混凝土的热导率为=1.5W/(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/(m2K)，室内空气温度为tf1=25 , 和墙壁之间的表面传热系数为h1=5W/(m2K)。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tw1和tw2。 解 这是

21、一个稳态传热过程，冷热流体由混凝土墙壁隔开。根据 式(1-9)，通过墙壁的热流密度即单位面积墙壁的散热损失为 根据牛顿冷却公式(1-4)，对于内外墙面与空气之间的对流换热2022/8/1045于是可求得 分析本例中三个传热环节的热阻可以发现，由于自然对流表面传热系数小，热阻大，总的传热温差(25 (-10) = 35 C) 中，室内自然对流的所占温差最大，为20 C，墙壁的导热温差次之，为10 C，室外的强制对流热阻最小，所需温差也最小，为5 C。2022/8/1046例题1-5 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问：（1）此管道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：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2