传热学_第一章

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1、LOGO （ Heat Transfer） 水电学院水电学院 谢果谢果 传热学戴锅生，第二版 Heat Transfer(2nd Edition), by Anthony F. Mills Fundamentals of Heat and Mass Transfer F. P. Incropera, D.P. DeWitt 对流换热V. S. 阿巴兹 凝结和沸腾施明恒等编著 数值传热学陶文铨编著 辐射换热余其铮编著 参考书 传热学的课程特点 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、

2、流体力学、工程热力学等。 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 课程须知！ 最终成绩组成最终成绩组成：平时出勤10%+作业及测试40%+期末考试50% 作业要求：作业要求：每次课后均有小作业（共计约20次），作业完成后 统一交由班长或学习委员

3、处，每个周一课前统一提交（共计约 10次）。 注意：注意： 迟交作业会降低成绩分数！ 作业对大家的成绩非常重要，务必妥善保留用于期末复习！ 出勤考核出勤考核：随机点名+课堂提问。多配合回答问题可以提高分 数 什么是传热学？ 传热学是研究热量传递过程规律的科学。通过学习传热学， 就可以解释上述生活中的传热现象，解决生活工作中出现 的传热问题。 生活中到处存在温差，热量自发从高温物体传向低温物体， 热传递是一种极为普遍的物理现象。 电站锅炉电站锅炉 电脑散热器电脑散热器 空调空调 第一章 绪 论 1-0 概 述 热力学第二定律 有温差就会有传热 1. 传热学的研究对象 (1)定义？ 是研究有温差存

4、在情况下的热量传递规律的科学。 (2) 热量传递过程的推动力？ 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专业的三大支柱 3. 传热学与热力学的区别 热力学 系统从一个平衡态到 另一个平衡态的过程 传热学 关心的是热量传 递的过程，即热 量传递的速率。 中传递热量的多少。 热力学： tm 传热学： t(x, y,z,) f () 水，M2 20oC 铁块, M1 300oC 稳态与非稳态传热过程 1. 稳态过程是指系统中各点的温度不随时 间而改变的过程。 2. 非稳态过程中各点

5、的温度随时间而变化。 生活中的传热学 清汤升温较慢， 后“开” 红汤升温较快， 先“开” 生活中的传热学 貂皮大衣 VS 普通棉衣 生活中的传热学 天热出汗 VS 天冷起鸡皮疙瘩 本课纲要 传热学的 定义及传 热发生的 条件 传热的三 种基本方 式及其定 义 分析前述 案例中的 传热过程 热传递的三种基本方式 1.导热 导热又称为热传导，是指物体各部分无相对位移或不同物体直接接触 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传递现象。 导热在固体、液体、气体中均发生，因为存在引力通常只存在于固体 中。 2.热对流 只依靠流体的宏观运动传递热量的现象称为热对流。在工程中，对流 换热过程的

6、热量传递涉及诸多影响因素，是一个复杂的换热过程。 3.热辐射 一种物体用电磁辐射的形式把热能向外散发的传热方式。这种方式不 依赖任何外界条件而进行。 火锅的传热过程分析 天然气燃烧加热锅底天然气燃烧加热锅底 热量在金属锅中的传递热量在金属锅中的传递 金属锅加热汤汁及食物金属锅加热汤汁及食物 热量散发到大气中热量散发到大气中 热辐射热辐射+热对流热对流 导热导热 热对流热对流 热辐射热辐射+热对流热对流 热量散发到大气中热量散发到大气中由于红汤锅有一层保温油层，散热小升温快。由于红汤锅有一层保温油层，散热小升温快。 金属锅加热汤汁及食物金属锅加热汤汁及食物快速升温使红汤锅更早进入高效沸腾快速升温

7、使红汤锅更早进入高效沸腾 传热阶段，传热系数增加传热阶段，传热系数增加 貂皮大衣与棉衣的保暖性能分析 干空气导热系数0.023W/m. 保温棉导热系数0.45W/m. 我们冬天穿的衣服是通过棉花我们冬天穿的衣服是通过棉花 或是貂皮本身进行保温吗？或是貂皮本身进行保温吗？ 貂皮大衣毛发疏松充满 空气，毛质细腻均匀。 普通棉衣棉花厚实更加 致密，人工加工不易均匀， 久用后需要维护（积压、水 洗后）。 夏天及冬天人体对温度反应 夏天人体温度偏高，出 汗时将人体多余热量带 出体外，通过汗液的蒸 发将热量散发到大气中。 冬天人体受冷会起鸡皮 疙瘩，因为其有利于缩 小毛发和皮肤间的间隙， 可以隔绝热量散出

8、。 思考生活中的传热现象 传热传热 热量传递的三种基本方式 导热 对流 辐射 导热 2. 传热学发展简史 传热学是在18世纪30年代英国工业革命促进生产力发展的大 背景下成长起来的。导热和对流两种基本热量传递方式早为 人们所认识，但辐射作为一种热量传递方式直到，1803年发 现红外线被以后才被确认。 对导热做出突出贡献的科学家主要有傅立叶 （J.B.J.Fourier） 、毕渥（J.B. Biot）、兰贝 特（ J.H. Lambert ）、戴维（H. Davy）、雷曼 （ G.F.B.Riemann）、卡斯劳 （ H.S.Carslaw)、耶格耳（ J.C.Jaeger）等。 1804年毕渥

9、根据实验提出了导热比例系数的概念; 1807年傅立叶提出求解偏微分方程的分离变量法，和可以将解表示成一 系列任意函数的概念; 1822年傅立叶发表了著名论著“热的解析理论”，描述导热的定律就是以 他的名字命名的，奠定了导热的理论基础。 对流 2. 传热学发展简史(续) 在对流换热方面做出突出贡献的科学家主要有雷诺 （O. Reynolds)、努谢尔（W. Nusselt）、普朗特 （L. Prandtl）、 冯卡门（ VonKarman）、施密特 （ E. Schmidt）、埃克特（E.R.G. Eckert） 等。 1880-1883年间，雷诺进行了大量的实验研究，发现了后来以他的名字命 名

10、的准则数对流动形态的影响，对指导实验研究做出了巨大的贡献。 1909年和1915年努谢尔对强制对流和自然对流的基本微分方程及边界条 件进行量纲分析后获得了有关无量纲准则数之间的原则关系，开辟了在无 量纲准则关系式的正确指导下，用实验方法求解对流换热问题的一种基本 方法。 在对流换热的微分方程的理论求解方面，1904年普朗特边界层理论的提 出特别引人注目； 1939年的卡门比拟等也对湍流计算模型的发展起到积极的作用。 辐射 2. 传热学发展简史(续) 在对热辐射的研究中，值得一提的是普朗克（M. Planck）及斯蒂芬（J.Stefan）与玻耳兹曼（L. Boltzmann）、基耳霍夫 （G.

11、Kirchoff）、霍特 尔（H.C. Hottel）等人。 19世纪末斯蒂芬和玻耳兹曼分别用实验和理论证实了黑体辐射力正比于 其热力学温度的四次方，即后来的斯蒂芬-玻耳兹曼定律。 1900年普朗克提出了确定黑体辐射光谱能量分布的普朗克定律并用不同 于与经典物理学中的连续性概念的“能量子假说”加以成功解释。 1859年和1860年，基耳霍夫用两篇论文论述了物体发射率和吸收率之间 的关系； 1954年霍特尔等人解决了物体间辐射换热的计算方法，为计算物体间辐 射热量交换提供了理论依据。 研究 手段 实验方法 分解方法 数值解法 比拟解法 1)进行合理的物理假设 2)建立所研究物理问题的数学描写 3

12、)用理论推导的方法获得问题的解析解 应用:检验其他解法(如数值解)的正确性; 可求解 导热及简单的对流问题。 根据两种物理现象间在数学描写上的相似性从而 得出问题的解的方法。 导热部分的热电模拟；热质比拟；利用湍流中的 热量传递和流动阻力之间存在的相似性可以获得 湍流对流换热的近似解。 环形空腔内自然对 流可视化照片 电动机内温度模拟 汽车内环境模拟 随着计算机技术的不断发展，传热与流动问题的数值解 法越来越成为解决实际问题的重要工具之一。在国际上已 出现了许多大型的商用软件，比较著名的有英国CHAM公 司的PHOENICS，美国FLUENT公司的FLUENT,英国AEA Technology

13、的CFX,美国Flow Science公司的FLOW-3D, 英国Computatioal Dynamics公司的STAR-CD等。 导热 墙壁 高 温 面 低 温 面 导热量 大平壁导热中（一维导热）， 平壁导热量与壁两侧表面 的温度差和平壁面积成正比； 与壁厚成反比；并与材料的 导热性能有关。因此，通过 平壁的导热量计算公式如下： tA“Lambda” 导热系数W/(m.) “Delta” 壁厚m 壁面积m2 壁两侧温差 “fai” 热对流 高温面 低温面 传 热 量 thAAtthfw)(工程中通常采用“牛顿冷却 公式”计算热流量 ： 表面传热系数W/(m2) ，流体与 壁面之间在单位温

14、差下及单位时 间内所能传递的热量。其大小表 达了对流换热过程的强弱程度。 内侧h约 为数千 W/(m2 ) 外侧h约 为110 W/(m2 ) 热辐射 传 热 量 高温物体 低温物体 物体表面单位时间、单位面积 对外辐射的热量称为辐射力， 用E表示，单位是W/m2。 对于黑体， 4TEbb“Sigma”，斯蒂芬-玻尔茨曼常数， W/(m2K4)。 81067.5b一切实际物体的辐射力都低于 同温度下黑体的辐射力， 4TEb“Epsilon”，实际物体表面的发射 率，也称黑度，其值处于01之 间。 辐射换热 传 热 量 高温面T1 低温面T2 两个无限大的平行平面间的 热辐射是最简单的辐射模型，

15、 4241 2 ,1100100TTCC1,2称为两表面间的系统辐射 系数，取决于辐射表面材料 的性质及状态，其值05.67 之间。 传热过程 传热过程指热量由固体壁面一侧的热流体经过固体壁传给另 一侧冷流体的过程。这种过程在工程中常见，比如联合循环 电站余热锅炉中燃机排气加热给水的过程。 高温烟气高温烟气 低低 温温 烟烟 气气 烟气放热烟气放热 壁面传热壁面传热 给水吸热给水吸热 传热过程 热流量 壁厚 导热系数 tA壁间换热 给水与冷却管内壁对 流换热系数h2 给水温度Tf2 冷却管内壁 面温度T2 内壁换热 ATThf)(2222121111 ffttAhh 整理可得 烟气温度Tf1 冷却管内壁 面温度T1 烟气与冷却管外壁对 流换热系数h1 外壁换热 ATThf)(111传热系数k,表示单位时间、单位 面积上冷热流体在1 温差时 传递的热量。其大小反映了传 热过程的强弱。 导热热阻Rk，传热过程的热阻 等于各个热阻之和，其计算方 法等于串联电阻计算方法。 描述它的传热过程 火焰放热火焰放热 t1，h1 t2,2 t3,h3