传热学基础(第二版)第一章教学课件 三种热量传递的基本方式.

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1、 Heat TransferHeat Transfer 传传 热热 学学 任课教师： 党惊知 1/65 考核方法 闭卷考试 专业：材料成形及控制工程 联系方式 nE-mail: wxdjz11 nOffice：3559661 nHome: 6386397 n手机: 13503511405 2/65 参考书 n传热学杨世铭 编著 n传热学许肇钧 编著 3/65 第一章 绪论 n1-1热量传递的研究对象及其在热加 工艺中的应用 n1-2热量传递的三种基本方式 n1-3 传热过程与热阻 4/65 1-1热量传递的研究对象及其在热加工工艺 中的应用 一、什么是传热学 n研究热量传递规律的科学。 n热量

2、传递的机理、规律、计算和测试方法 n热量传递过程的推动力：温差 n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。 （The Second Law of Thermodynamics） 5/65 二、传热学的重要性 自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍 日常生活中的例子 n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？ n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？ 6/65 在下列技术领域大量存在传热问题 动力、化工、制冷、建筑、环境、机械 制造、新能源、微电子、核能、航空航 天

3、、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 7/65 在机械制造热加工类专业中,由于工件在制 造工艺中的加热、冷却、熔化和凝固都与热量 传递息息相关，传热学有它特殊的重要性。 n 工件温度场的测量和控制，不同工作条件， 不同材料性质及几何形状对工件温度场变化的影 响，工艺中缺陷的分析和防止，无不受到热量传 递规律的制约，传热学在保证工艺实施、提高产 品质量和产量等方面起着关键作用。 三 热量传递在热加工工艺中的应用 8/65 9/65 n.3流动场动画3.avi 10/65 n.3凝固过程动画.avi 11/65 12/65 13/65 n.312xt流场动画1.a

4、vi 14/65 n.312xt凝固进程动画.avi 15/65 16/65 .3铸造-气泡1.avi 17/65 .3Flow3.avi 为为了说说明传热传热 学与各专业专业 主要课课程间间的关系 ，以铸铸造专业专业 的铸铸件形成理论论这门专业这门专业 主 要课课程为为例，作一番考察 n 这门课程的任务是要运用基础课、技术基础 课的理论知识来分析铸件形成过程的基本规律 及有关因素的内在联系。 n 其中相当多的内容是：分析金属与铸型在不 同条件下热量传递的特点，铸件温度场的确定 及其影响因素，讨论金属包括液态金属及砂型 的热物理性质，研究温度分布在金属收缩规律 中的作用以及热裂、热应力、变形、

5、冷裂等缺 陷的成因及防止途迳等等，这些内容都建筑在 传热学的基础之上。 18/65 换句话说，扎实的传热学基础，既是学好本 专业主干学科的前提，也为消化、吸收和创造新 技术准备了必要的条件，它是一个合格的热加工 工程师必须具备的理论素养的重要组成部分。 本课程的任务是结合热加工工艺领域中热量 传递过程的特点，系统地阐述传热学的基本理论 、基本知识，培养一定的分析和计算技能，为学 习有关专业课程打好理论基础，同时也为认识、 专业发展中的新理论、新工艺创造条件。 四 学习本课程的目的 19/65 五 传热过程分类 n凡是物体中各点温度不随时间改变的热量传递 过程均称为稳态热传递过程，反之则称为非稳

6、 态热传递过程。 n各种物体在持续不变的运行工况下经历的热传 递过程属于稳态过程，而物体在加热、冷却、 熔化和凝固情况下经历的热传递过程则为非稳 态过程。 传热过程 稳态过程 非稳态过程 20/65 采用高等数学方法分析热传递过程， 总要假定所研究的对象是一个连续体， 即认为所研究对象内各点上的温度、密 度、速度等都是空间坐标的连续函数。 实际上，只要被研究对象的几何尺寸 远大于分子的平均自由行程，连续体的 假定即可成立。就本书涉及的内容而言 ，连续体的假定都是成立的。 21/65 12热量传递的三种基本方式 n热量传递基本方式：热传导、热对流、 热辐射 热对流 热传导 热辐射 22/65 2

7、3/65 一、热传导（导热）heat conduction 1.定义和特征 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。 物质的属性： 可以在固体、液体、气体中发生。 24/65 导热的特点 n必须有温差 n物体直接接触 n依靠分子、原子及自由电子等微观粒子 热运动而传递热量 n不发生宏观的相对位移 25/65 26/65 2.导热机理 n气体：气体分子不规则热运动时相互碰 撞的结果。 n导电固体：自由电子运动。 n非导电固体：晶格结构的振动。 n液体：很复杂。 27/65 3 傅里叶公式: Fourier：

8、1822年，法国数学家 ：热流量，单位时间传递的热量W q：热流密度，单位时间通过单位面 积传递的热量 A：垂直于导热方向的截面积m2 ：平壁两侧壁温之差 热导率（导热系数） Thermal conductivity 28/65 为温度梯度，负号表示热流密度的方向与温 度梯度的方向相反。即热量传递的方向与温度升 高的方向相反。 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，说明热量沿x增加的方向传递。 29/65 热导率（导热系数）(Thermal conductivity) 具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体 (1m)，在它的单位面积上(1

9、m2)、每单位时间(1s) 的导热量(J) 热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定 30/65 31/65 法国数学家Fourier: 法国 拿破仑时代的高级官员。 曾于1798-1801追随拿破 仑去埃及。后期致力于传 热理论，1807年提交了 234页的论文，但直到 1822年才出版。 32/65 例题1-1 有三块分别由纯铜（热导率1=398W/(mK) ）、黄铜（热导率2=109W/(mK)）和碳钢（热导率 3=40W/(mK)）制成的大平板，厚度都为10mm，两 侧表面的温差都维持为tw1 tw2 = 50不变，试求通过 每块平板的导热热流密度。 解： 这是通过大平壁的一维稳

10、态导热问题，对于纯铜板 ， 33/65 对于黄铜板 对于碳钢板 34/65 二、热对流(convection)与对流换热 Heated air rises, cools, then falls. Air near heater is replaced by cooler air, and the cycle repeats. 35/65 nWhat if coils were at the bottom? 36/65 1. 定义与特征 n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 。 流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传 导，自

11、然界不存在单一的热对流自然界不存在单一的热对流 对流换热： (Convection heat transfer)流体与 温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程 37/65 对流换热的特点 n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 n导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 n必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运 动；也必须有温差。 38/65 39/65 2.分类 对流换热按照不同的原因可分为多种类型 是否相变，分为：有相变的对流换热和无 相变的对流换热 流动原因，分为：强迫对流换热和自然对 流换热。 流动状态，分为：层流和紊流。 40/65 3.牛顿冷却公式（1701）

12、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 表面传热系数 Convection heat transfer coefficient h u tw A 41/65 n表面传热系数（对流换热系数） （ Convection heat transfer coefficient） 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 h是表征对流换热过程强弱的物理量 n影响h因素：流动原因、速度、状态，流体物性 、有无相变，壁面形状、大小、位置等。 42/65 例题1-2 一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度 为tw = 50，

13、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 = 4 W/(m2K)。试问该暖气 片相当于多大功率的电暖气? 解： 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热， = Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相当于功率为0.36kW的电暖气。 43/65 三、热辐射（Thermal radiation） 1.定义 物体通过电磁波来传递热量的方式。 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 辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量 传递 Radiation heat transfer 44

14、/65 45/65 2.辐射换热的特点 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 的结果是热由高温传到低温 46/65 47/65 3.斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law） 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。（Black body） 黑体的辐射能力与吸收能 力最强 Ludwig Boltzmann (184

15、4-1906) committed suicide because he thought his lifes work was in vain. 48/65 n黑体向外发射的辐射能： 绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯蒂芬-玻尔兹曼常数， 49/65 n实际物体辐射能力：低于同温度黑体 实际物体表面的发射率（黑度），01； 与物体的种类、表面状况和温度有关 （Emissivity） 50/65 n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 ： T1 T2 F 51/65 52/65 三种基本热量传递方式由于机理不同， 各自遵循不同的规律，依次分开论述比较相 宜。不过应该注意到，在工程问题中，有时 也存在两种热量传递基本方式同时出现的场 合。 例如一块高温钢板在厂房中的冷却散热 ，既有辐射换热方式，也同时有对流换热方 式。两种方式以并联的形式出现，两种方式 散热热流量的叠