传热学第四版 杨世铭 陶文铨 第一章

传热学HeatTransfer青岛科技大学热能与动力工程专业何燕3/5/20241任课教师：何燕专业方向：热能与动力工程E—mail：heyan_sd@163.comTelephone:138698928303/5/20242教材

《传热学》杨世铭陶文铨第四版

《传热学》陈维汉许国良编著版

《HeatTransfer》J.P.Holman8thedition《数值传热学》陶文铨第二版参考书3/5/20243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传热过程与热阻3/5/20244§1-1传热学概述一、传热学（HeatTransfer）研究热量传递规律的一门科学

研究：机理、规律、模型、实验

特点：实用性强、涉及面广

本质：温差——热量传递的推动力热力学第二定律

热量可以自发的由高温热源传给低温热源。可见有温差必有传热。3/5/20245分类：就物体温度与时间的依存关系而言,可以分为稳态过程和非稳态过程3/5/20246

物体中各点的温度不随时间而改变的热传递过程

例如：各种热力设备在持续稳定运行时的热传递

稳态过程3/5/20247非稳态过程物体中各点的温度随时间而改变的热传递过程例如：启动、制动、停机过程中所经历的热传递过程3/5/20248二、传热学和工程热力学的关系工程热力学研究热能与机械能及其他形式能量之间相互转换规律的一门科学热力学第一定律

关于能量守恒——能量数量热力学第二定律

关于能量品质——能量质量3/5/20249以热力学第一定律和第二定律为基础分析热量传递现象和过程的机理，揭示过程特征和规律

——理论联系实际具有共同的研究对象：热现象和热过程

能量在数量上保持守恒——能量方程热量始终是从高温物体传给低温物体

传热学和热力学的联系热力学的基本定律是传热学理论的基础

传热学理论给出热力学过程的详细信息

传热学3/5/202410工程热力学不考虑能量传递过程所需要的时间；传热学则引入时间的概念，研究在不同方式下热量传递的动态过程，研究热力设备在单位时间内传递热量的效能。工程热力学不考虑热力设备在不同地点的参数变化，研究热力过程的起始点的状态参数变化；传热学则引入空间的概念，研究热力设备场空间的物理参数。工程热力学研究平衡过程（冷热介质的温差逐渐趋于无限小）和可逆过程（理想过程），传热学研究的是非平衡过程和不可逆过程（有能量损失和耗散）传热学和热力学的区别3/5/202411§1-2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3/5/202412

热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射3/5/202413

热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射3/5/202414一热传导（导热）Heatconduction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

传热形式：依靠分子、原子以及自由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。

温度不同的物体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、原子即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。3/5/202415导热机理气体：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3/5/202416导热基本定律tf1,h1

tw1tw2tf2,h2

：热流量，单位时间传递的热量[W]平壁两侧壁温之差热导率(导热系数)1822年，法国数学家Fourier：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平壁的厚度[m]；3/5/202417

热导率(导热系数)(Thermalconductivity)单位厚度(1m)、单位温度差（1K）物体，在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)。

热导率表示材料导热能力大小3/5/202418导热系数导热系数的定义式由傅里叶定律的数学表达式给出:测量方法有稳态和非稳态两种导热系数的数值取决于物质的种类和温度等因素习惯上把导热系数小的材料称为保温材料,效能高的保温材料都是蜂窝状多孔性结构的材料.实用计算（工程计算）可以用线性关系来表达3/5/202419导热热阻：与直流电路的欧姆定律

I=U/R相似。

热流量是单位时间传递的热量；

——它体现了传热的速率或快慢

传热是一个过程，稳态，非稳态；

——区别于热力学的平衡态传热学中热流量的单位是[W]，

而非[J]；[W]=[J]/[s]Thermalresistanceforconduction

热流量和导热热阻3/5/202420二热对流

Heatconvection

流体中有温差——热对流必然同时伴随着热传导流体中(气体或液体)温度不同的各部分之间，由于发生宏观相对运动，而把热量由一处传递到另一处的现象热对流的定义若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度t1处流至温度t2处，则此过程传递的热流量为：3/5/202421对流换热流体与固体壁之间的热量交换（Convectionheattransfer）对流换热实例：

1)电子器件冷却

2)取暖器对流换热的特点：对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；

——不是基本传热方式1)流体与壁面直接接触，有宏观运动；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3/5/202422

对流换热的基本计算式

—热流量，单位时间传递的热量[W]q—热流密度h—换热系数A—与流体接触的壁面面积—固体壁表面温度—流体温度牛顿冷却公式（1701）3/5/202423当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量影响h因素：对流换热热阻

（Convectiveheattransfercoefficient）对流换热系数流速、流体物性、壁面形状大小等3/5/202424Thermalresistanceforconvection

对流换热热阻3/5/202425

定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐射能的现象；凡物体都具有辐射能力物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种类不同、表面状况不同，其辐射能力不同三、热辐射（Thermalradiation）

黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。或称绝对黑体

黑体的辐射能力与吸收能力最强3/5/202426

斯蒂芬-玻尔兹曼定律黑体在单位时间内向外发出的辐射能：—黑体表面的绝对温度（热力学温度）—斯蒂芬-玻尔兹曼常数，或称黑体辐射常数—黑体辐射表面积（Stefan-Boltzmannlaw）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（黑度），0~1；与物体的种类、表面状况和温度有关3/5/202427

辐射换热Radiationheattransfer

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

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物体间靠热辐射进行的热量传递辐射换热的特点：3/5/202428T1T2QA两平行黑平板间的辐射换热

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，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。3/5/202429§1-3传热过程与热阻传热过程：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

k为传热系数，W/(

m2oC)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差为1

oC、传热面积A为1m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。传热过程越强，传热系数越大，反之则越弱为热流体与冷流体间的平均温差3/5/202430传热系数的计算假设传热过程处于稳态从热流体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到冷流体tf2的换热：3/5/202431热阻热电现象的比拟

电学中的欧姆定律:电流=电压/电阻:传热现象中:热流=温差(压)/热阻:式中总热阻和分热阻的关系也具有电学中串联电路的电阻叠加特性：总电阻等于各串联分电阻之和。

表示成热阻的形式

3/5/202432单位面积传热热阻h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要内容如果各环节的热量传递面积不相等，各环节热阻串联可以写成面积热阻的形式；如通过圆筒壁的传热。

tf2tf1tw1tw21/(A1h1)

/(A

)1/(A2h2)总热阻为：(以面积A为基准)传热量面积热阻3/5/202433现实生活和生产中存在大量的传热问题能源、动力、冶金、化工、制冷、建筑、机械制造、电子、微机电系统（MEMS）、新材料、农业、植物、航空航天、军事科学与技术、生命科学与生物技术…3/5/202434温差是热量传递的推动力Thereisnoenergyflowbetweentwoobjectsatthesametemperature.Energyflowsfromhotobjectstocold.3/5/202435分子、原子和自由电子的运动3/5/202436ConductioningasWecomparehydrogen(yellow,mass=2)withoxygen(blue,mass=32)totheleft.Asthetemperaturegoesup,thespeedofthemoleculesincreases.3/5/202437ConductioninMetalsAllmetalsaregoodconductorsof

electricity.

Forasimilarreason,theyarealsogoodconductorsofheat.Inmetals,notonlydothe

atomsvibrate

morewhenheated,butthe

freeelectrons

chargearoundmoreaswell.Thesetransfertheenergy

muchfaster

thanjustvibrationsinbonds.3/5/202438ConductioninNon-Metals

Everyatomisphysicallybondedtoitsneighboursinsomeway.If

heatenergy

issuppliedtoonepartofasolid,theatoms

vibratefaster.

Eventuallytheenergyspreadsthroughoutthesolid.Theoveralltemperatureha