传热学-第一章-x

1、 传 热 学 （Heat Transfer）参 考 书 教材: 传热学 戴锅生，第二版传热学 杨世铭、陶文铨编著，第三版数值传热学 陶文铨编著对流换热 V. S. 阿巴兹凝结和沸腾施明恒等编著辐射换热 余其铮编著 Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Mills Heat Transfer , by J.P.Holman Fundamentals of Heat Transfer, by F. P. Incropera, D.P. DeWitt 考 核 方 法平时成绩: 20% (包括：实验、出勤及作业)期末考试: 80%第一章 绪 论1-1 传

2、热学的研究对象和任务 1. 传热学（Heat Transfer） (1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法(2) 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 有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力 2. 传热学与工程热力学的关系(1) 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。热力学：传热学：水，M220oC铁块, M1300oC图1-1 传热学与热力学的区别(2) 传热学以热力学第一定律和第

3、二定律为基础，即 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 始终是守恒的3 传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍 b 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？(1) 日常生活中的例子：a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持20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？(2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题(3) 几个特殊领域中的具体应用a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空

4、间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机动力、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b 微电子： 电子芯片冷却c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器 官的冷冻保存d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温 水源热泵f 新 能 源：太阳能；燃料电池传热学应用于能源与动力 发电厂的冷却塔核聚变装置300MW的水-氢冷发电组传热学应用于石油化工 换热器广泛应用于石

5、油化工厂的冷却塔、洗涤塔等场合，一般占化工厂设备投资的40% 化工厂内各种热交换装置 石油开采现场 炼油厂星罗棋布的热力管道 传热学应用于制冷空调 在制冷空调中，大量的运用了散热片、换热器来达到热交换的目的 分体式空调立式空调 传热学应用于航空航天 在航空航天领域,航天飞机表面材料要求绝热良好；卫星上装有的太阳能吸收装置能提供卫星工作所需的部分能量 大型客机火箭升空传热学应用于电子器件 电脑内,必须加强诸多芯片的散热芯片内空气流动换热示意图传热学应用于医药领域 传热学广泛应用于激光手术、肿瘤高温治疗、低温外科、移植器官冷冻储存、疾病热诊断等技术 传热学应用于建筑环境 建筑上,利用空气导热系数小

6、的特点 ,制成的空心砖具有良好的保温效果空心砖 用计算软件画出的室外环境仿真实心砖传热学应用于天气环境 环境科学家估计:如果全球大气平均温度升高5-6，目前南北极地区的冰雪将融化，地球上绝大部分陆地将被淹没温室效应 :大气中的二氧化碳含量增加,近地表大气层起着温室玻璃的作用,太阳光可以射到温室，但热量很难发射出去,这样使得地球的温度升高传热学应用于日常生活 太阳能集热器家用散热片是传热学的最简单运用冬天戴尼龙薄手套常常感觉手指比不戴手套时更冷学习传热学的重要性 自然界温差无处不在，无时不有传热学是能源、动力、化工、机械、电子、土木等学科的主干技术基础课传热学与流体力学、工程热力学并称能源动力类

7、专业的三大支柱4 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两大类。5 传热问题的分类计算热流量。增强传热，削弱传热确定物体内各点的温度。如何学习传热学 传热学课程特点：实践性很强的科学,常称工程传热学是一门专业基础课，联系基础课与专业课的纽带与桥梁能量守恒定律是贯穿全书的主线先修课程：高等数学、大学物理、计算方法、工程热力学 、流体力学等传热学学习方法、要点:重视对基本概念和基本理论的学习, 做到对所研究的物理过程有深刻的理解 学会传热学分析和解决实际问题的思路和方法,培养综合分析问题的能力和创造性的思维能力 加强工程实际训练，理论与实践相结合,培养工程分析能力和灵活应用经验公

8、式、计算图表的能力充分认识自学的重要性, 培养独立地获取知识的能力重视实验技能的锻炼, 培养动手能力注意学习方法, 及时复习与小结 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(导热)、热对流和热辐射。一、热传导（导热）(Conduction)(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生(3)导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；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；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。冰箱的保温层的导

9、热问题墙壁的散热核反应堆等内热源的导热秦山核电站工业上的导热应用激光加工过程电子元件中的导热散热(4)导热的计算： 分析：一块大平壁壁厚为一侧表面面积为A两侧表面分别维持均匀恒定温度twl和tw2。 式中：入比例系数，称为热导率或导热系数，W/(mK)。 t导热温差，或K。 热导率反映材料导热能力的大小不同的导热系数下平板的温度分布定义：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。二、热对流(Convection)(2) 对流传热：当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，它与单纯的对流不同，具有如下特点： a 导热与热对流同时存在的复

10、杂热传递过程 b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层 对流传热的分类 无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾传热和凝结传热流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动称为自然对流；由于机械(泵或风机等)的作用或其它压差而引起的相对运动称为强迫对流(或受迫对流)。 图1-4 对流换热中边界层的示意图Convection heattransfer coefficient(4) 对流传热的基本计算公式牛顿冷却公式h 表面对流传热系数 热流量W，单位时间传递的热量q 热流密度A 与流体接触的壁面面积 固体壁表面温度 流体温度 当流体与壁面温度相差

11、1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量影响hc因素：流速、流体物性、壁面形状大小等（Convection heat transfer coefficient）(5) 对流传热系数(表面传热系数)对流传热系数表示对流传热能力的大小。不同情况的对流传热系数hc相差很大。 (2) 热辐射：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象三、热辐射(Thermal radiation)(3) 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 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。 (1

12、) 辐射：物体通过电磁波传递能量的过程(3) 生活中的例子： a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热； b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服； c 太阳能传递到地面 d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0以上，但地面却可能 结冰。(5) 辐射传热的特点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；总的结果是热由高温传到低温(4)

13、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，就像对流和对流传热一样。 (6) 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，然后，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(7) 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 黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律 ， ，真实物体则为： （9） 两表面间的辐射传热 图17 两黑体表面间的辐射传热当一个物体表面既有对流传热又有辐射传热时，工程上常将它们综合在一起。为方

14、便起见，写成牛顿冷却公式的形式： 工程上常习惯于将热量传递过程分析为由导热、对流传热和辐射传热三种传热方式组成。热水管道： 例 题 1-1例题 1-1 一块厚度=50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在试求下列条件下的热流密度。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：一维稳态导热公式有：铬砖： 硅藻土砖：讨论：由计算可见， 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别， 导致在相同的条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。 因而，铜是热的良导体， 而硅藻土砖

15、则起到一定的隔热作用铜：钢：例 题 1-2 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tw=48， tf=23 ，此时空气与管道外表面间的自然对流传热的表面传热系数h=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率=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。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量为：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为：讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几十摄氏度的

16、一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，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1-3 总传热过程1 总传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热2 传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射辐射传热、对流传热、热传导图18 墙壁的散热3 一维稳态传热过程中的热量传递图19 一维稳态传热过程忽略热辐射传热，则左侧表面传热热阻固体的导热热阻右侧表面传热热阻上面传热过程中传递的热量为：(1-10)传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。 传热系数单位热阻或面积热阻a k 越大，传热越好。若要增大 k，可增大c h1、h2的计

17、算方法及增加k值的措施是本课程的重要 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 传热学的研究方法实验解法 环形空腔内自然对流可视化照片 通常，描述传热与流动问题的微分方程是一组复杂的非线 性偏微分方程，有的复杂物理问题甚至暂时无法得出正确描述其本质的微分方程，此时分析解法和数值解法无能为力，此时，实验解法有无可比拟的作用。“实践是检验真理的唯一标准”。数值解的正确与否可以用实验值来检验。但与分析解法和数值解法相比，实验解法常常需要付出较多的人力、物力和财力。另外，对于存在许多复杂影响因素的物理现象，要找出众多变量之间的关系，实验的次数必然十分庞大。为大大减少实验次数, 使有限的人力、物力和财力用在刀刃上，在大多数场合（尤其是对流换热方面），必须在相似原理的指导下进行实验。使个别实验得出的结果上升到代表整个相似组的地位分 析 解