第1章传热学绪论

第1章绪论1.1传热学研究内容及其应用1.2热能传递的三种基本方式1.3传热过程和传热系数

例题讲解

第一章思考题及习题作业1.1传热学研究内容及其应用1.1.1传热学研究对象1.1.2传热学应用1.1.3传热学与工程热力学的关系1.1.4传热学课程特点返回1.1.1传热学研究对象“传热”：热能（量）传递规律，反映了课程的研究对象。所谓传热规律就是指传热速率与传热温差之间的关系，或发生传热物体内部的温度分布。“学”：科学，一般指基础科学，反映了课程的学科特点传热学是一门研究热能（量）传递规律的科学，属于专业基础课的范畴返回1.1.2传热学应用根据热力学第二定律，只要存在温差就会有传热现象存在。由于温差在自然界是普遍存在的，故传热现象也是普遍存在的。传热学的应用非常广泛，几乎包括了所有的生活和工业领域。生活的“衣食住行”方面，工业领域的能源动力、航空航天、化工制药、材料冶金、机械制造、电器电子、农业生产等行业都有传热问题的存在。在石油开采、储运及炼制过程中传热现象也起着非常重要的作用，甚至是决定性的作用。返回1.1.3传热学与工程热力学的关系工程热力学研究的是热力系统从一个平衡态到另一个平衡态时与外界交换能量数值的有关规律；传热学研究的是当系统本身内部存在温差、或与外界存在温差时热能传递的有关规律。以输油管线为例，为了使原油保持一定的流动性，原油需加热到一定温度。如果已知原油散热量，确定原油所需入口温度可以根据热力学知识来确定，属于热力学理论解决的范畴；至于原油在输油管线中经过一段距离后的散热量计算，热力学知识则无能为力，需要借助传热学知识来解决。因此有关输送管道的热力设计需要同时借助热力学理论和传热学理论。另外，热力学的基本定律是自然界所普遍遵守的自然规律，在传热学的研究和学习中，热力学第一定律和第二定律也是必须要遵守的。特别是热力学第一定律（也称能量平衡或热平衡）在传热学研究中具有极其重要的地位，贯穿于本课程的全部内容。返回1.1.4传热学课程特点在研究方法上，传热学中包括理论研究、实验研究和数值模拟三种。本教材以理论研究和实验研究为主，其中导热和辐射传热部分主要介绍理论研究的方法；在对流传热部分主要介绍实验研究的方法及前人得到的比较可靠的经验公式。另外，在各部分研究中也简单介绍计算机数值模拟的方法，重点介绍导热问题的数值求解方法。本课程属于应用基础科学，因此内容具有较强的工程应用背景，学习过程中要注意培养分析和解决工程问题的能力（抽象、简化、建模等环节）传热学是一门定量科学，需要具备一定计算能力，因此应注意计算能力的培养。一些参考书和参考资料王秋旺，《传热学重点难点及典型题精解》，西安交大出版社各种网上传热学教学资源，如有关学校的精品课程等返回1.2热能传递的三种基本方式有温差存在时，热量从高温向低温传递可以通过三种基本方式：

热传导（导热）；热对流；热辐射在实际情况中，三种传热基本方式可能单独存在，也可能几种传递方式同时存在。1.2.1热传导（导热）1.2.2热对流和对流传热1.2.3热辐射和辐射传热返回1.2.1热传导（导热）一、定义及特点导热定义：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。导热特点：导热体内部各部分之间没有宏观相对位移导热机理：依靠导热体内微观粒子热运动产生热量的传递。对气体是通过分子热运动，对导电固体是自由电子运动，对非导电固体是依靠晶格振动；对于液体则更加复杂，迄今为止还不很明确。发生导热条件：温差+物质，不管物质的相态及运动状态思考：运动的流体中是否会发生导热？二、导热量的计算先只介绍最简单的通过大平板的一维稳态常物性无内热源导热问题导热量的计算公式。其导出方法是根据热力学第一定律和导热基本定律得出的，具体导出过程在第二章。Φ为单位时间通过大平板的导热量，也称热流量，W；λ为平板材料一个物性参数，称为热导率或导热系数，W/m.℃；δ为平板的厚度，mA为平板面积，m2tw1、tw2分别为平板两侧表面的温度，℃对于单位表面积有：q称为热流密度或面积热流量，W/m2其它更复杂情况导热问题的求解将在第二、三章详细介绍返回1.2.2热对流和对流传热一、定义及特点热对流：是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体由于相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中。对流传热：运动的流体与温度不相同的固体表面之间发生的热量传递过程对流传热过程和纯导热的区别在于对流传热过程中导热机理（微观粒子运动）和热对流机理（物体宏观运动）两种方式同时在起作用，因此其规律比单纯导热更加复杂根据引起流体流动的原因，对流传热可分为强制对流传热和自然对流传热两大类。另外根据对流传热过程中流体是否发生相变和相变的类型分为单相流体对流传热和沸腾及凝结对流传热。二、对流传热量的计算不管哪种对流传热类型，其传热量均可由牛顿冷却公式计算得到h称为表面传热系数或对流传热系数Φ为单位时间内流体与表面间的对流传热量，W；h称为表面传热系数或对流传热系数，W/m2.℃；A为与流体发生对流传热传热的平板面积，m2Δt为流体与固体表面的温差，℃对单位面积壁面：牛顿冷却公式本质上并没有给出对流传热问题的解决方法，只是把对流传热量的计算转化为h（表面传热系数或对流传热系数）的计算。h与导热系数不同，不是一个单纯的物性参数，与发生对流传热的流体物性以及对流传热过程的其它多个因素有关，是一个过程量。h的获取是对流传热部分的主要研究内容，主要靠实验方法得到，具体内容见第五、六、七章。工程上常见的对流传热过程表面传热系数的范围见下表。几种典型情况表面传热系数的大致量级应当记住，对于定性分析问题及判断对流传热计算结果是否正确非常有用。量级由小到大依次为：个、十、百、千、万返回1.2.3热辐射和辐射传热一、定义及特点：热辐射：物体由于热的原因以电磁波形式发出辐射能的现象。热辐射是单向能量的散失过程辐射传热：不同温度的物体表面之间由于互相进行热辐射和吸收投入辐射而导致的热量传递过程。当发生辐射传热的物体温度相同时，热辐射仍在进行，但物体之间辐射传热量为0。 工程上一般需要的是计算辐射传热量的大小辐射传热的特点：不依赖于物质媒介的存在，真空条件下最强辐射传热量是净换热量在辐射传热过程中存在能量形态的转变，热能-辐射能-热能二、辐射传热量的计算辐射传热量的计算涉及到物体表面的性质、状态（温度）以及物体之间的相对几何关系，比较复杂。本章仅对物体表面在两种比较简单几何关系时的辐射传热计算公式进行介绍。情形一，两块非常接近的互相平行黑体表面间辐射传热量的计算情形二，一个表面积很小的物体被包容在一个很大的空腔内时该物体外表面与空腔内表面的辐射传热量的计算由于热辐射强度的大小与物体表面的性质有关，下面首先介绍一种理想物体表面--黑体表面的概念及其辐射能力计算公式。黑体：能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体，其吸收能力是最强的。另外，其辐射本领在同温度下的所有物体中也是最大的。黑体是一个理想化物体。黑体辐射能力根据Stefen-Boltzman定律计算（也称四次方定律）：Φb为黑体单位时间发出的热辐射能量，W；σ为黑体辐射常数，其值为5.67×10-8W/m2.K4A为辐射表面积，m2T为黑体的热力学温度，K实际物体的辐射和吸收能力均小于同温度下的黑体，其辐射热流量可以通过对四次方定律修正得到：ε称为物体的发射率，也称黑度，其值总小于1。ε值越大，表示物体的辐射和吸收能力越接近黑体情形一，两块非常接近的互相平行黑体表面间辐射传热量的计算情形二，一个表面积很小的物体被包容在一个很大的空腔内时该物体外表面与空腔内表面的辐射传热量的计算此时，辐射传热量与大表面的黑度和面积无关返回辐射传热量的计算举例1.3.1传热过程及传热方程式1.3.2热阻概念及传热过程的热阻分析法1.3.3复杂传热过程分析例题1.3传热过程和传热系数返回1.3.1传热过程及传热方程式一、传热过程：定义：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为传热过程这里传热过程为一具有特定含义的专用术语，与一般的表示热量传递现象时的意义不同，应当根据使用背景来确定它的正确含义传热过程在工程上非常常见，如室内外空气通过墙壁的传热，各种形式的间壁式换热器等二、传热方程式下面分析冷热流体通过一个大平壁的稳态传热过程传热量上式称为传热方程式，公式中的k称为传热系数，单位同表面传热系数。为与对流传热中的表面传热系数区别，k也称为总传热系数。k数值上等于流体温差为1℃，传热面积为1m2时传热量大小，反映了传热过程的强烈程度。三个公式联立，消去tw1、tw2得到：返回1.3.2热阻概念及传热过程的热阻分析法分析一维大平板无内热源稳态导热及对流传热的传热量计算公式构成一维无内热源稳态导热对流传热将以上公式与电学中欧姆定律对比，可以看出公式中分母是热量传递阻力，具有类似电阻作用，称为热阻，分别称为导热热阻和对流传热热阻。按总面积计算的热阻用R表示，按单位面积计算的热阻用RA表示。热阻概念在辐射传热计算中也有非常重要应用，将在后面专门介绍。欧姆定律利用热阻分析法对复杂的传热过程进行分析和计算具有更明显的优越性，是本课程必须要掌握的方法热阻串联：在一个串联的热量传递过程中，整个传热过程的总热阻为各环节热阻之和热阻并联：在具有多种热量传递途径的同一个热量传递环节中，该环节的总热阻为不同热量传递途径的热阻并联存在导热过程时应用热阻分析方法的条件：一维、稳态、无内热源利用热