传热学第一章(研究生)

传热学

HeatTransfer

冶金机械系机械学院张兴中教材：《传热学》张兴中等编著国防工业出版社参考书：《传热学》杨世铭、陶文铨编著,第三、四版《HeatTransfer》J.P.Holman第九版《传热学》戴锅生《传热学》章熙民等编著，第四版传热学的研究对象研究传热学的目的、意义传热学在工程和科学技术中的应用热量传递的基本方式：导热、对流和热辐射传热过程及热阻概念传热学发展历史传热学的研究、学习方法第一章绪论§1-1引言一、传热学（Heattransfer）的研究对象

研究热量传递规律及其应用的一门工程技术学科。热量传递的机理、规律；温度场、传热量的计算和测试方法；增强及削弱传热的措施；换热器设计。

二、学习传热学的必要性从硕大无朋的行星到渺小绝伦的纳米级的微电子设备；从航空、航天到地热能的开发及深海潜艇的航行；从生产、生活，到科学实验；从民用工业，到军事工业；从任何机器的运转、到任何工艺过程······

热力学第二定律：

热量自发地从高温处传到低温处，温差是热量自发传递的动力。1.掌握热量传递规律，使热量有效传递或阻止热量传递2.控制温度场。到处存在温差，热量传递现象非常普遍。摩擦生热、机械功转化为热、化学反应生热、电磁生热、相变生热、辐射传热······传热学研究的两个任务：存在大量传热问题的技术领域：

冶金、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······具体事例冶金工业：连续铸钢钢铁公司烧结设备烧结机台车的温度场、热应力计算、热蠕变的防止钢水包钢包的耐火层设计，热损失计算锻件的加热机械制造：快速锻造设备机械制造：磨削加工热电厂热能工程领域航空航天返回舱火箭发射卫星与空间站热控制超高音速飞行器（Ma=10）几何模型重返大气层飞行器热力耦合分析热传导分析得到的温度场安全性评估Mises应力热力耦合分析得到的应力场及安全性评估电子系统的温度控制对于使用可靠性至关重要电子芯片冷却、纳米器件、装置温度控制微电子：节约能源、建设环境友好住宅是当代一个重要课题民生：轧制过程的温度控制烧结、高炉、炼钢、连铸设备的冷却机床切削加工时的冷却、温度控制液压系统的冷却减速机、发动机、电动机的冷却机电装置的温度控制·····机械设计及理论学科相关专业中的传热学应用：传热学的任务研究增强或削弱的传热技术确定温度分布和控制温度分布散热器热力管道飞行器温度场分析齿轮热处理§1-2热量传递的三种基本方式

热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射一、热传导(导热)(Heatconduction)定义：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。热传导的特点：可以发生在固体、液体、气体中，以及边界处依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动传递热能，不发生物质移动一般，在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中导热基本定律(Fourier’sLaw,1822年，法国数学家Fourier)Q：热流量，单位时间传递的热量[W]δ:平壁的厚度[m]；tw1：表面1的温度，[℃]tw2：表面2的温度，[℃]λ：导热系数W/(m.K)ThermalconductivityF：垂直于导热方向的截面积m2平壁的导热量计算：图1-1通过平板的导热(1-1)

导热热阻：比拟电路的欧姆定律I=U/R，把式(1-1)改写为：

(1-2)

tw1tw2

图1-2导热热阻的模拟电路:平板导热的热阻。模拟电路图:二、热对流（HeatConvection）热对流定义：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。

对流换热（Convectionheattransfer）

：流体与固体壁间的换热对流换热（Convectionheattransfer）：流体与固体壁间的换热对流换热：流体流过与它温度不同的固体壁面使的热量交换过程。自然对流换热：流体流动由于各部分温度不同引起密度差异产生的浮升力作用引起的流动，此时对流换热称为自然对流换热。强迫对流换热：

流体流动由于泵、风机或其它压差作用而进行流动，此时对流换热为强迫对流换热对流换热的基本计算式

牛顿冷却公式（1701）：

(1-3)Q——单位时间通过固体表面的对流换热量，W；F——固体表面的面积，m2；

——比例系数(对流换热系数convectiveheattransfercoefficient)，W/(m2·K)；Δt——流体与固体表面间的温度差，℃。对流换热系数表示换热的强度.影响的因素：流速、流体物性、物体表面形状等研究对流换热的基本任务：用理论或实验的方法来具体研究各种情况下对流换热系数

的计算式。对流换热的热阻：

套用欧姆定律的形式，式(1-3)可以写成：

(1-4)－－对流换热的热阻（℃/W）

模拟电路图：

tftw

图1-3对流热阻的模拟电路过

程[W/(m2·K)]

自然对流

空气1～10

水200～1000

强迫对流

气体20～100

高压水蒸气500～3500

水1000～15000

水的相变换热

沸腾2500～35000

蒸汽冷凝5000～25000表1-1对流换热系数的数值范围三、热辐射（Thermalradiation

）

温度大于绝对温度零度的物体都具有辐射能力.SolidT1SurroundingsT2vacuumradiation什么是辐射？物体通过电磁波来传递能量的过程称为辐射。什么是热辐射？物体因热的原因而发射辐射能的过程称为热辐射。什么是辐射换热？物体间通过热辐射方式进行的热量传递过程称为辐射换热。黑体的辐射能力与吸收能力最强。与同温度的物体比较）。辐射换热与导热、对流换热的本质区别什么是黑体？辐射换热不需要介质的存在，在真空中可以进行；能够吸收投射到其表面上的全部热辐射能的物体。在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换:热能—辐射能—热能。无论温度高低，物体都在不停地相互发射，吸收电磁波能、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量；总的结果是热由高温传到低温。黑体在单位时间内发出的热辐射能量：

Q——黑体表面单位时间发射出去的热辐射能量，W；F——黑体的表面积，——黑体的辐射常数，T——黑体的热力学温度，K。实际物体单位时间的热辐射能量

ε实际物体的发射率(黑度)，与物体的种类和表面状态有关，0≤ε≤1。实际问题的换热过程当中，可能有几个换热环节，在同一个换热环节中可能同时存在两种或三种换热方式。高温烟气

去蒸发器热面

锅炉补给水(a)省煤器

(b)冷凝器蒸汽凝结液

冷却水进

冷却水出

§1-3传热过程

什么是传热过程？传热过程的传热量计算tf1α1α2tf2QF热流体冷流体图1-4传热过程热量由壁面一侧热流体通过间壁传给另一侧冷流体的过程称为传热过程。单位时间热流体与平壁左侧面的对流换热量为：单位时间平壁的左侧面与右侧面之间的导热量为：

单位时间冷流体与平壁右侧面的对流换热量为：式中：Q

——

单位时间的传热量，W

F

——

平壁的侧面积，m2tf1

——

热流体温度，℃(K)tf2

——

冷流体温度，℃(K)α1

——热流体与壁面的对流换热系数，W/(m2·K)α2

——热流体与壁面的对流换热系数，W/(m2·K)λ

——平壁的导热系数，W/(m·K)δ

——平壁的厚度，m由于是稳态换热，这三个换热量相等，由以上三式可得：传热过程的传热量计算式中：——传热过程的热阻——传热过程的传热系数传热过程的总热阻等于各热阻的串联，模拟电路如图1-5

上式可写成热阻串联形式：传热过程的传热量计算图1-5传热过程的模拟电路tf1tw1tf2tw2例1-1某板式氟里昂冷凝器，一侧水对流表面传热系数为，另一侧氟里昂凝结,壁厚δ=1.5mm，板材导热系数λ=383W/(mK)，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？三个环节的热阻比例为17.0%、0.6%、82.4%。蒸汽侧的热阻占主要部分，要从这一环节入手增强换热。解：三个环节的单位面积的热阻为：水侧对流：壁导热：蒸汽凝结：总传热系数：§1-4传热学的发展历史与发展方向18世纪30年代开始的工业革命促进了生产力的空前发展。传热学就是在这种背景下发展起来的。

导热和对流早已认识热辐射则在1830年发现红外线才被认识1900年以前萌芽状态—Fourier定律

—Newton冷却定律—Stefen--Boltzman定律1900-1945年（德国人时代）形成独立的学科—Nusselt,Schmidt,Prandtl,Pohlhausen1945年以后近代传热学—航天、电子、核能、能源危机导热：19世纪初，J.H.Lambert，J.B.Boit，Fourier对一维导热的研究。1822年，Fourier发表“热的解析理论”，创建了导热理论。

1904年普朗特提出边界层理论，简化了方程组，推动了理论求解的发展。1921年波尔豪森提出热边界层概念，与施密特、贝尔曼联合求解了竖壁附近空气的自然对流换热。湍流计算模型的发展，1925年的普朗克比拟，1939年的卡门比拟。

对流：1823、1845年，Navier、Stokes建立了流体流动基本方程。1880—1883年，Reynolds指出无量纲的雷诺数决定流动状态。1881年洛仑兹自然对流的理论解、1885年格雷茨和1910年努塞尔管内换热的理论解及1916年努塞尔凝结换热的理论解。1909和1915年努塞尔开辟了在无量纲数原则关系指导下，通过实验研究对流换热的基本方法。辐射：19世纪末斯蒂芬（后为玻尔兹曼证实）提出四次方辐射定律。1900年普朗克基于量子假说，提出黑体辐射的光谱能量分布。1860年基尔霍夫给出了物体发射率和吸收率的关系。关于物体间辐射换热的计算法：1935年波略克提出净辐射法；1954年提出、1967年改进的交换因子法；1956年奥本海姆提出的模拟网络法。发展方向：引进新的科学技术成果，内容更加丰富新概念－微尺度传热、微重力传热；新理论－混沌等；新方法－数值方法、微观和介观。学科内的综合与学科间的交叉将更加强烈随着计算机技术和计算技术的发展，20世纪70年代开始形成的数值传热学显示出巨大活力。BaronJeanBaptisteJosephFourier1768-1830Fourier法国数学家传热学的大师们：OsborneReynolds1842-1912Reynolds英工程师JosefStefan1835-1893AustrianPhysicistFranzGrashof1826-1893AGermanengineer，alsoservedasProfessorofAppliedMechanicsandMechanicalEngineeringWilhelmNusselt1882-1957Nus