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1、2019/7/12,1,传 热 学 Heat Transfer,主讲：黄晓明 能源与动力工程学院 华中科技大学,2019/7/12,2,E-mail: Office：87542618 Mobile: 13886044824,2019/7/12,3,传热学许国良编著,传热学杨世铭 陶文铨 第三版 Heat TransferJ.P.Holman 8th edition 数值传热学陶文铨 第二版,参考书,教 材,2019/7/12,4,第一章 绪 论,1-1 传热学概述 1-2 热量传递的基本方式 1-3 传热过程与传热系数,2019/7/12,5,1-1 传热学概述,1 传热学的概念, 研究热量
2、传递规律的一门科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法,2019/7/12,6,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,2019/7/12,7,Energy flows from hot objects to cold.,There is no energy flow between two objects at the same temperature.,2019/7/12,8,为什么学传热学,自然界温差无处不在，无时不有,日常生活 传统工业 高新技术,2019/7/12,9,2019/7/1
3、2,10,开水中取蛋,從開水裏剛取出的蛋有濕氣且熱，水分一面從蛋的表面蒸發，一面冷卻蛋殼，因此不覺得燙手，但這只發生在蛋殼表面由濕到完全乾的一瞬間，若蛋殼表面的水份一乾，立刻就能感到蛋的高溫。,2019/7/12,11,想一想,要是剃光了頭髮，在冬天時頭頂會有什麼特殊的感覺呢？ 冬天將衣服拉的更緊是什麼作用呢？ 當穿著厚厚的皮衣時，為何身上會覺得越來越暖活呢？這些熱能是那來的呢？ 為何人們在熱天運動時特別容易流汗呢？ 保溫瓶內 光滑的鏡面是什麼作用呢？ 为什么冬天鼻子、耳朵、手指最容易冻呢？,2019/7/12,12,传统工业,2019/7/12,13,2019/7/12,14,2019/7/
4、12,15,2019/7/12,16,高新技术,2019/7/12,17,2019/7/12,18,2019/7/12,19,2019/7/12,20,2019/7/12,21,传热学的重要地位,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,2019/7/12,22,2 传热学的基本任务, 求解温度分布 计算热量传递的速率 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。, 关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。,热力学：tm , Q 传热学,
5、2019/7/12,23,大规模太阳能热气流综合发电,2019/7/12,24,热力学研究：热力学循环和能量转换效率,2019/7/12,25,传热学研究：系统内的温度、压力和速度场,2019/7/12,26,传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即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，则热量始终是守恒的。,2019/7/12,27,2019/7/12,28,1. 厨房内部气体传热流动模拟,1,2,3,4,3 传热学应用举例,2019/7/12,29,2. 办公室空气传热流动模拟,2019/7/12,30,3.电动机温度模拟,2019/7/12,31,4.汽车内环境模拟,
6、2019/7/12,32,5.机械零件的热分析,2019/7/12,33,传热学在科学技术各个领域中都有十分广泛的应用。 可以归纳为三种类型的问题: （1）强化传热，即在一定的条件下（如一定的温差、体积、重量、或泵功等）增加所传递的热量； （2）削弱传热，或称热绝缘，即在一定的温差下使热量的传递减到最小； （3）温度控制,2019/7/12,34,4 传热学分类,依据物体温度与时间的依变关系，可将传热过程分为稳态传热过程和非稳态传热过程。,若物体中各点温度不随时间改变，则对应的传热过程为稳态热传递过程；若物体中各点温度随时间改变，则对应的传热过程为非稳态热传递过程。 稳态过程和非稳态过程又称为
7、定常过程和非定常过程。,2019/7/12,35,1-2 热量传递的基本方式,热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射,2019/7/12,36,2019/7/12,37,1 热传导（导热）,热传导的定义,物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,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，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象,2019/7/12,38,2019/7/12,39,导热的特点 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 不发生宏观的相对位移,2019/7/12,40,2019/7/12,41,导热机理 气体
8、：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果 导电固体：自由电子运动 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,2019/7/12,42,We compare hydrogen (yellow, mass = 2) with oxygen (blue, mass = 32). As the temperature goes up, the speed of the molecules increases.,Conduction in gas,2019/7/12,43,Conduction in Metals All metals are good conductors of elect
9、ricity. For a similar reason, they are also good conductors of heat.,In metals, not only do the atoms vibrate more when heated, but the free electrons charge around more as well. These transfer the energy much faster than just vibrations in bonds.,2019/7/12,44,Conduction in Non-Metals Every atom is
10、physically bonded to its neighbours in some way. If heat energy is supplied to one part of a solid, the atoms vibrate faster. As they vibrate more, the bonds between atoms are shaken more. This passes vibrations on to the next atom, and so on:,Eventually the energy spreads throughout the solid. The
11、overall temperature has increased.,2019/7/12,45,导热基本定律傅立叶定律,：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)。,1822年，法国数学家Fourier：,2019/7/12,46,当温度t沿x方向增加时，dt/dx0，q0，说明热量沿x增加的方向传递。,负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。,2019/7/12,47,热导率（导热系数）(Thermal conductivity),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
12、度有关。,2019/7/12,48, 热流量与热阻,大平板稳态导热，由于是一维问题，且 和q为常量，积分傅立叶定律：,2019/7/12,49,这里有必要引入热阻的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移过程有一个共同规律，就是：,导热热阻,单位导热热阻,2019/7/12,50,2019/7/12,51,一块厚度=5mm的平板，两侧表面分别维持在tw1=300, tw2 =100。试求下列条件下通过单位截面积的导热量：（1）材料为铜，= 375W/(mK) ；(2)材料为钢， = 36.4W/(mK) ；（3）材料为铬砖, = 2.32W/(mK) ；（4）材料为硅藻土， = 0.2
13、42W/(mK) 。 假设：（1）一维导热问题；（2）稳态过程；（3）导热系数为常数。,2019/7/12,52,在稳态过程中，垂直于x轴的任一截面上导热量都是相等的。将上式对x作从0到的积分得,2019/7/12,53,计算：将已知数值代入得 铜 钢,2019/7/12,54,铬砖 硅藻土砖,2019/7/12,55,2 热对流,若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。 若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度t1处流至温度t2处，则此过程传递的热流量为：, 热对流与对流换热,2019/7/12,56,流体中有温差
14、 热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流 在日常生活及工程实践中，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的热量传递，这种情况称为对流换热。,2019/7/12,57,当实际流体流过物体表面时，由于粘性作用，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只能依导热的方式进行；离开物体表面，流体有宏观运动，热对流方式将发生作用。所以，对流换热是热对流和导热两种基本传热方式共同作用的结果。 对流换热的特点 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热，,2019/7/12,58,不是基本传热方式，导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温
15、差 对流换热的分类 a)根据流动原因，分为：强制对流换热和自然对流换热。 b)是否相变，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热,2019/7/12,59,2019/7/12,60, 对流换热公式牛顿冷却公式,h 表面传热系数, 固体壁表面温度, 流体温度,2019/7/12,61, 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 影响h因素：流体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）、流动的形态（层流、紊流）、流动的成因（自然对流或强制对流）、物体表面的形状、尺寸，换热时有无相变（沸腾或凝结）等。,2019/7/12,62,研究对流换
16、热的基本任务就是用理论分析或实验方法得出不同情况下表面传热系数的计算关系式。,Typical values of h,2019/7/12,63,对流热阻Thermal resistance for convection,2019/7/12,64,3 热辐射(Thermal radiation),热辐射的定义与特点 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象 特点： a)任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射； b)可以在真空中传播； c)伴随能量形式的转变； d)辐射能与温度和波长均有关,2019/7/12,65,辐射换热的定义与特点 定义：物体间靠热辐射进行的热量传递 特点： a)不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量； b)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 c)无论温度高低，物体
