工程传热学-01绪论

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1、1 传传 热热 学学 Heat TransferHeat Transfer 2 传热学传热学许国良，等，编著许国良，等，编著 传热学传热学杨世铭杨世铭 陶文铨陶文铨 第三版第三版 Heat TransferJ.P. Holman 8th edition 数值传热学数值传热学陶文铨陶文铨 第二版第二版 参考书参考书 教教 材材 3 第一章第一章 绪绪 论论 1-1 传热学概述传热学概述 1-2 热量传递的基本方式热量传递的基本方式 1-3 传热过程与传热系数传热过程与传热系数 4 1-1 传热学概述传热学概述 1 传热学的概念传热学的概念 研究热量传递规律的一门科学研究热量传递规律的一门科学，具

2、体来讲具体来讲 主要有热量传递的机理主要有热量传递的机理、规律规律、计算和测计算和测 试方法试方法 5 热量传递过程的推动力：温差热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源温热源传给低温热源 有温差就会有传热有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力温差是热量传递的推动力 6 Energy flows from hot objects to cold ones. There is no energy flow between two objects at the same temperature. 传热必须要有温差存在吗？传

3、热必须要有温差存在吗？ 7 热量来源热量来源 钻木取火钻木取火 太阳太阳 电热器电热器 地热地热 8 2 传热学的基本任务传热学的基本任务 求解温度分布求解温度分布 计算热量传递的速率计算热量传递的速率 热力学热力学 + 传热学传热学=热科学热科学(Thermal Science) 系统从一个平系统从一个平 衡态到另一个衡态到另一个 平衡态的过程平衡态的过程 中传递热量的中传递热量的 多少。多少。 关心的是热关心的是热 量传递的过量传递的过 程，即热量程，即热量 传递的速率。传递的速率。 水水，M2 20oC 铁块铁块, M1 300oC 热力学：热力学：tm , Q；传热学：；传热学： )(

4、 );,( fQzyxft 9 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，传热学以热力学第一定律和第二定律为基础， 即即热量始终从高温热源向低温热源传递，如热量始终从高温热源向低温热源传递，如 果没有能量形式的转化，则热量始终是守恒果没有能量形式的转化，则热量始终是守恒 的。的。 传热学三大任务：传热学三大任务： 1）传热强化）传热强化 2）传热弱化）传热弱化 3）温度控制）温度控制 10 3 传热学应用举例传热学应用举例 自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差传热很普传热很普 遍遍 日常生活中的例子：日常生活中的例子： 为什么水壶的提把要包上橡胶？为什么水壶的提把要包上橡胶？

5、 11 下列技术领域大量存在传热问题：下列技术领域大量存在传热问题： 动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能 源、微电子、核能、航空航天、微机电系统源、微电子、核能、航空航天、微机电系统 （MEMSMEMS）、新材料、军事科学与技术、生命）、新材料、军事科学与技术、生命 科学与生物技术科学与生物技术 几个特殊领域中的具体应用几个特殊领域中的具体应用 12 a)航空航天：高温叶片气膜冷却；卫星与空航空航天：高温叶片气膜冷却；卫星与空 间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却； 超高音速飞行器超高音速飞行器（Ma=10）冷却冷

6、却。 13 JAXA参观参观 a)航空航天：卫星与空间站热控制；空间飞航空航天：卫星与空间站热控制；空间飞 行器重返大气层冷却行器重返大气层冷却。 14 b)微电子：电子芯片冷却微电子：电子芯片冷却 c)生物医学：肿瘤高温热疗；组织与器官的生物医学：肿瘤高温热疗；组织与器官的 冷冻保存冷冻保存 d)军事：飞机军事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存坦克；激光武器；弹药贮存 e)制冷：冰箱制冷：冰箱、空调空调/热泵热泵 f)新能源：太阳能；燃料电池新能源：太阳能；燃料电池 15 低温身体影響 正常 37 生命活動 不活性化 -20以下 医療応用 凍結手術 http:/www.ellisfischel

7、.org/liver/ cryotherapy.shtml 低温療法 http:/www.hokuto7.or.jp/treatment/ lowtemperature/index.html 凍結 細胞壊死 2025 16 千瓦级热电光电复合发电技术的实验方案千瓦级热电光电复合发电技术的实验方案 实验方案：实验方案： 聚光光伏发电聚光光伏发电(CPV)技术技术 聚光热电转换聚光热电转换(CTE)技术技术 热交换热交换 （水冷）（水冷） 高倍聚集太阳光高倍聚集太阳光 菲涅耳透镜菲涅耳透镜 集热体集热体 聚光型聚光型 太阳能电池太阳能电池 紫外、可见光紫外、可见光 (200800nm) 红外光红外

8、光 (8003000nm) 波长分离器波长分离器 热电发电器件热电发电器件 反射镜反射镜 实现太阳能全光谱直接转换利用实现太阳能全光谱直接转换利用 低成本集成复合低成本集成复合 CPV技术：技术： 是是PV技术的重要发展方向技术的重要发展方向 提高能量密度，减少原材料用量提高能量密度，减少原材料用量 有效利用有效利用200800nm、 约占约占58能量的太阳能能量的太阳能 CTE技术：技术： 是是TE技术的重要发展方向技术的重要发展方向 提高能量密度，减少原材料用量提高能量密度，减少原材料用量 有效利用有效利用8003000nm、 约占约占42能量的太阳能能量的太阳能 17 4 传热学分类传热

9、学分类 依据物体温度与时间的依变关系，可将传热依据物体温度与时间的依变关系，可将传热 过程分为过程分为稳态稳态传热过程和传热过程和非稳态非稳态传热过程。传热过程。 若物体中各点温度不随时间改变，则对应的若物体中各点温度不随时间改变，则对应的 传热过程为传热过程为稳态稳态热传递过程；若物体中各点热传递过程；若物体中各点 温度随时间改变，则对应的传热过程为温度随时间改变，则对应的传热过程为非稳非稳 态态热传递过程。热传递过程。 稳态过程和非稳态过程又称为稳态过程和非稳态过程又称为定常过程定常过程和和非非 定常过程定常过程。 18 1-2 热量传递的基本方式热量传递的基本方式 热量传递基本方式：热量

10、传递基本方式：热传导热传导、热对流热对流、热辐射热辐射 19 20 1 热传导（导热）热传导（导热） 热传导的定义热传导的定义 物质的属性：可以在固体物质的属性：可以在固体、液体液体、气体中气体中 发生发生 温度不同的物体各部分之间或温度不同的各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物体之间直接接触时，依靠分子依靠分子、原子及自原子及自 由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递 的现象的现象 21 导热的特点导热的特点 必须有温差必须有温差 物体直接接触物体直接接触 依靠分子依靠分子、原子及自由电子等微观粒子原子及自由电子等微观粒子 热运

11、动而传递热量热运动而传递热量 不发生宏观的相对位移不发生宏观的相对位移 22 23 导热机理导热机理 气体：气体分子不规则运动时相互碰撞气体：气体分子不规则运动时相互碰撞 的结果的结果 导电固体：自由电子运动导电固体：自由电子运动 非导电固体：晶格结构振动非导电固体：晶格结构振动 液体：兼有气体和固体导热的机理液体：兼有气体和固体导热的机理 24 25 导热基本定律导热基本定律傅立叶定律傅立叶定律 ：热流量，单位时间传递的热量：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热流密度，单位时间通过单位面积传递的热 量；量；A：垂直于导热方向的截面积：垂直于导热方向的截

12、面积m2； ： 导热系数（热导率）导热系数（热导率）W/( m K)。 1822年年，法国数学家法国数学家Fourier： tqAx t1 t2 26 xtq2m/W当温度当温度t沿沿x方向增加时，方向增加时，dt/dx0，q0，说，说 明热量沿明热量沿x减小的方向传递；反之，减小的方向传递；反之，dt/dx0， q0，说明热量沿，说明热量沿x增加的方向传递。增加的方向传递。 注意：注意：x始终从左至右。始终从左至右。 负号表示热量传递的方向与温度升高的方向负号表示热量传递的方向与温度升高的方向 相反。相反。 27 热导率热导率（导热系数导热系数）(Thermal conductivity)

13、表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，表征材料导热能力的大小，是一种物性参数， 与材料种类和温度有关。与材料种类和温度有关。 气体液体非金属固体金属;)(398CmW纯铜; )(6.0CmW水）（空气CCmW20 )(026.0tqAx 28 思考题思考题 1.冬天冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被经过在白天太阳底下晒过的棉被， 晚上盖起来感到很暖和晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打以并且经过拍打以 后后，效果更加明显效果更加明显。试解释原因试解释原因。 29 热流量与热阻热流量与热阻 t1 t2 大平板稳态导热，由于是一维问题，大平板稳态导热，由于是一维问题， 且且 和和q为常量，积分傅立

14、叶定律：为常量，积分傅立叶定律： 210dd21ttqtxqtttqAx rtttq21RtAtt2130 rtttq21RtAtt21温压热流量热阻这里有必要引入这里有必要引入热阻热阻的概念。热量传递是自的概念。热量传递是自 然界中的一种转移过程。各种转移过程有一然界中的一种转移过程。各种转移过程有一 个共同规律，就是：个共同规律，就是： 过程的动力过程中的转移量过程的阻力 AR 导热热阻导热热阻 r单位导热热阻单位导热热阻 31 t1 t2 Q 1t2tA32 2 热对流热对流 若流体有宏观的运动若流体有宏观的运动，且内部存在温差且内部存在温差，则则由由 于流体各部分之间发生相对位移于流体

15、各部分之间发生相对位移，冷热流体相冷热流体相 互掺混而产生的热量传递现象称为互掺混而产生的热量传递现象称为热对流热对流。 若热对流过程使具有质量流量若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度的流体由温度t1 处流至温度处流至温度t2处处，则此过程传递的热流量为：则此过程传递的热流量为： 热对流与对流换热热对流与对流换热 WttGcp)(12暖气片应该安放在什么暖气片应该安放在什么 位置比较合适？位置比较合适？ 33 流体中有温差流体中有温差 热对流必然同时伴随着热热对流必然同时伴随着热 传导传导，自然界不存在单一的热对流自然界不存在单一的热对流 在日常生活及工程实践中在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的人们遇到更多的 是流体流过一个温度不同的物体表面时引起是流体流过一个温度不同的物