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1、,中低温热能高效利用教育部重点实验室,传热学（Heat transfer）,参考书目,传热学 章熙民，第5版数值传热学 陶文铨编著凝结和沸腾施明恒等编著辐射换热 余其铮编著Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. MillsHeat Transfer , by J.P.HolmanFundamentals of Heat Transfer, by F. P. Incropera, D.P. DeWitt,考核方法,平时成绩: 30% (实验、出勤及作业)期末考试: 70%答疑地点：24-402C,研究热量传递规律的科学，包括传递机理、规律、计算和测试
2、方法。,热量传递推动力：温度差。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 温差是热量传递的推动力。,1,研究内容,a,与热力学的关系,热力学 + 传热学 = 热科学 (Thermal Science), 系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。, 关注热量传递过程，即热量传递的速率。,图 0-1 传热学与热力学的区别,传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始终从高温热源向低温热院传递，如果没有能量形式的转化，则 始终守恒。,2,工程应用实例,自然界存在温差 传热是一种普遍现象。,b 门窗保温,c 维护结构d 建筑环境,建筑工程,a 节能型建筑,
3、3,a,工业过程,航空航天,高温叶片气膜冷却与发汗冷却、火箭推力室的再生冷却与发汗冷却、卫星与空间站热控制、空间飞行器重返大气层冷却、超高音速飞行器（Ma=10）冷却、核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）、太阳能高空无人飞机。,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,b,c,其他微电子： 电子芯片冷却；生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织器官冷冻保存；军事：飞机、坦克、激光武器、弹药贮存；制冷：汽车空调/热泵、高温水源热泵、吸收式制冷；新能源：太阳能、燃料电池、生物质能。,传热过程分类,按
4、温度与时间的关系，分为稳态和非稳态两大类。,d,4,热量传递的三种基本方式,1 导热（热传导）(Conduction),(1) 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,(2) 可以在固体、液体、气体中发生,(3) 必须有温差、物体直接接触、依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量、在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。,5,Fourier定律：,：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；：导热系数（热导率）W/( m K)。,图 0-2 一
5、维稳态平板内导热,导热热阻 稳态 q = const，于是积分Fourier定律有：,导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。,图 0-3 导热热阻,例0-1 一块厚度=50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在,试求下列条件下的热流密度。,材料为铜，=375 w/(mK ); 材料为钢， =36.4 w/(mK ); 材料为铬砖， =2.32 w/(mK )； 材料为铬藻土砖， =0.242 w/(mK )。,解：根据一维稳态导热公式有：,铬砖：,硅藻土砖：,讨论：由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，在相同条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。
6、铜是热的良导体， 而硅藻土砖则起到一定的隔热作用。,铜：,钢：,2 对流（热对流）(Convection),(1)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。,(2) 当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，导热与热对流同时存在的复杂热传递过程，流体与壁面直接接触，有温差，壁面处会形成速度梯度很大的边界层。,(3) 对流换热的分类无相变：强迫对流和自然对流有相变：沸腾换热和凝结换热,图 0-4 对流换热中边界层,对流换热的计算牛顿冷却公式,对流换热系数(表面传热系数), 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。
7、,影响因素：流速、流体物性、壁面形状大小等。,对流换热热阻：,(1) 由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象。,3 热辐射(Thermal radiation),(2) 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地发出热辐射。可以在真空中传播。伴随能量形式的转变。具有强烈的方向性。辐射能与温度和波长均有关。发射辐射正比于温度的4次方。,(3) 生活中的例子：a 当靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；c 太阳能传递到地面；d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0以上，但地面却可能结冰。,黑体：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括
8、所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。,黑体辐射： Stefan-Boltzmann 定律,，,，,真实物体则为：,两黑体表面间的辐射换热：,传热过程和传热系数,1 传热过程：两流体间通过固体壁面进行的换热。,2 包含的传热方式：,导热、对流、热辐射。,6,一维稳态传热过程,图 0-7 一维稳态传热过程,左侧对流换热热阻：,固体的导热热阻：,右侧对流换热热阻：,传递的热量为：,传热系数，表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。,传热系数,传热学发展简史,18世纪30年代工业化革命促进了传热学的发展导热（Heat conduction） 钻炮筒大量发热的实验（B
9、. T. Rumford, 1798年） 两块冰摩擦生热化为水的实验（H. Davy, 1799年） 导热热量和温差及壁厚的关系（J. B. Biot, 1804年） Fourier 导热定律 (J. B. J. Fourier , 1822 年） G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M. Jakob,7,对流换热 （Convection heat transfer） 不可压缩流动方程 （M.Navier,1823年) 流体流动Navier-Stokes基本方程 (G.G.Stokes,1845年） 雷诺数(O.Reynolds,188
10、0年） 自然对流的理论解（L.Lorentz, 1881年） 管内换热的理论解（L.Graetz, 1885年；W.Nusselt,1916年） 凝结换热理论解 （W.Nusselt, 1916年） 强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909年/1915年） 流体边界层概念 （L.Prandtl, 1904年） 热边界层概念 （E.Pohlhausen, 1921年） 湍流计算模型 （L.Prandtl,1925年；Th.Von Karman, 1939年；R.C. Martinelli, 1947年）,热辐射及辐射换热(Thermal radiation)黑体辐射光谱能量分布的实验数据(O.Lummer,1889年） 黑体辐射能量和温度的关系(J.Stefan and L.Botzmann,1889年） 黑体辐射光谱能量分布的公式 维恩公式（1896年）/Rayleigh-Jeans公式 能量子假说（M. Planck,1900年）/光量子理论（A.Einstein,1905年） 物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff,1859年/1860年） 物体间辐射换热的计算方法 （波略克，1935年；H.C.Hotel, 1954年；A.K.Oppenheim,1956年)数值传热学 1970年-,
