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1、传热学部分学部分尹水娥尹水娥热工理论基础热工理论基础专业：热能工程E-mail:Office：7522641教材教材传热学学，戴，戴锅生著，第二版生著，第二版学学时总学学时：2424，讲课：2222，实验：2 2参考参考资料：料：传热学传热学，杨世铭、陶文铨编著，第四版，杨世铭、陶文铨编著，第四版传热学重点学重点难点及典型点及典型题精解精解，王秋旺，西安交大出版社，王秋旺，西安交大出版社辅导周四周四 4:00-5:00pm，一校区教，一校区教4楼楼 热能教研室热能教研室第一章第一章 绪论1-11-1传热学概述学概述1-21-2热量量传递的基本方式的基本方式1-31-3传热过程与程与热阻阻一、一
2、、传热与与传热学学有温差的物体，有温差的物体，热量自量自发地地由高温物体由高温物体传给低温物体低温物体没有温差的地方没有没有温差的地方没有热量量传递传热：是物：是物质在温差作用下所在温差作用下所发生的生的热量量传递。传热学：研究由温差引起的学：研究由温差引起的热量量传递规律律的科学。的科学。二、二、传热学的普遍性学的普遍性自然界与生自然界与生产过程到程到处存在温差存在温差传热很普遍很普遍日常生活中的例子日常生活中的例子lll冬天，冬天，经过在白天太阳底下晒在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来的棉被，晚上盖起来为什么什么感到很暖和？并且感到很暖和？并且经过拍打以后，拍打以后，为什么效果更加明什么
3、效果更加明显？夏夏天人在同天人在同样温度（如：温度（如：2525度）的空气和水中的感度）的空气和水中的感觉不一不一样。为什么？什么？人体人体为恒温体。若房恒温体。若房间里气里气体的温度在夏天和冬天都保持体的温度在夏天和冬天都保持2020度，那么在冬天与夏天、人在房度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一里所穿的衣服能否一样？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？不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？在下列技在下列技术领域大量存在域大量存在传热问题动力、化工、制冷、建筑、力、化工、制冷、建筑、环境、境、机械制造、新机械制
4、造、新能源、微能源、微电子、核能、子、核能、 航空航天、微机航空航天、微机电系系统（MEMSMEMS）、新材料、）、新材料、军事科学与技事科学与技术、生、生 命科命科学与生物技学与生物技术燃煤燃煤电厂的基本流程厂的基本流程锅炉炉工工作作原原理理三、三、传热学与工程学与工程热力学的关系力学的关系相同点：相同点：传热学以学以热力学第一定律和第二定律力学第一定律和第二定律为基基础热力学第一定律力学第一定律热力学第二定律力学第二定律热量始量始终是从高温物体向低温物体是从高温物体向低温物体传递，在，在热量量传递过程中程中若无能量形式的若无能量形式的转换，则热量始量始终保持守恒。保持守恒。热量能自量能自发
5、的从高温物体的从高温物体传递到低温物体到低温物体Q = = mc p (t1 t2 )单位：位：J J不同点不同点a.a.工程工程热力学：力学：热能与机械能及其他形式能量之能与机械能及其他形式能量之间相互相互转换的的规律。不考律。不考虑热量量传递过程的程的时间。研究系研究系统从一个平衡从一个平衡态到到 另另 一个平衡一个平衡态过程中程中热量量传递的多少的多少dQd = =b.b.传热学：学：热量量 传递过程的程的规律，律，时间是重要是重要参数参数 。关关心的是温度随心的是温度随 时间的的 变化和化和单位位 时间所所传递的的热量量热流量。流量。单位：位：W Wt = f ( x , y , z
6、, );Q= f( )水，M220oC传热学与工程学与工程热力学研究的力学研究的问题不同不同铁块, M1300oC热 力力学：学： t tmm,Q,Q传热学：学：过程的速率程的速率传热学研究内容学研究内容热量量传递的的机理和速率、温度机理和速率、温度 场的的变化化传热学的工程学的工程应用用1 1、 强化化传热：即在一定的即在一定的 条件下，条件下， 增加增加 所所传递的的热量。量。 如如热水的水的 搅拌冷拌冷 却却22、 削弱削弱传热，也称，也称 热绝缘 ：即在一即在一 定的温差定的温差下，使下，使 热量的量的传递 减到最小。如减到最小。如热 水瓶水瓶33、温、温度控度控 制：制：为使使 一些
7、一些设备能安全能安全 经济 地地 运运行行 ，需要，需要对热量量传递中的中的 关关键部位部位进行温行温 度控度控制制 。如航。如航 天器返回天器返回 地面，地面， 笔笔记本的本的 散散热q= = m四、四、传热问题的分的分类和主要和主要计算量算量稳态传热过程程:传热过程中各程中各处温度不温度不 随随时间变化。化。非非稳态传热过程：程：传热过程中各程中各 处温度随温度随时间变化。化。热流量：热流密度： WdQd=AtW21-21-2热量量传递的基本方式的基本方式热量量传递基本方式：基本方式：热传导、热对流、流、热辐射射一、一、热传导（导热）11、定、定义和特征和特征 定定义：指温：指温 度不同的
8、物体度不同的物体 各部分或温度不同各部分或温度不同 的两的两物体物体间直接接触直接接触时，依靠，依靠分子、原子及自由分子、原子及自由 电子子等微等微观粒子粒子热运运动而而进行行 的的热量量传递现象象 。 导热是是物物质的属性：只要存在温差的属性：只要存在温差，可以在固，可以在固体、液体、液体、体、 气体中气体中发生生22、导热的的 特点特点必必须有温差有温差物体直接接触物体直接接触依靠分子、依靠分子、原子及原子及 自由自由 电 子等微子等微观粒子粒子热 运运动而而 传递热量量不不 发生宏生宏观的相的相对位移位移33、导热机理机理气体：气体分气体：气体分子不子不规则热 运运动时 相互碰撞的相互碰
9、撞的结果。果。导 电固固体：自由体：自由电 子运子运动和晶格和晶格结构的震构的震 动。非非 导电固固 体：晶格体：晶格结构的构的 振振动。液液 体：很体：很 复复杂。q= = 热导率（率（导热系数）系数） Wt= AtWA m2：热流量，流量，单位位时 间传递的的热量量WWqq：热流密度，流密度， 单位位时 间通通过 单位面位面积传递的的热量量 :平壁的厚平壁的厚度度mm；AA： 垂直于垂直于导热方向的方向的 截面截面积 mm2 2 o :W(mo C)T1T2l44、热量量传递方程方程热导率率 （ 导热系数系数 ） =At Wt= A定定义：具有具有单位温度位温度 差（差（1K1K）的）的单
10、位厚度的物体位厚度的物体(1m)(1m)，在它的在它的单位面位面积上上 (1m(1m2 2) )、每、每 单位位时间(1s)(1s)的的导热量量(J)(J)热导率表示材料率表示材料导热 能力大小；能力大小； 物性参数；物性参数；实验确定确定金属 非金属固体 液体 气体 纯铜 = 398 W ( m o C ) ;水 = 0.6 W ( m oC ) ;空气 = 0.026 W ( m oC ) （20 o C ）= 398 50 / 0.01 = 1.99 10 W= 109 50 / 0.01 = 0.545 10 W= 40 50 / 0.01 = 0.2 10 W例例题有三有三块分分别由
11、由纯铜（ 热导率率1=398W/(mK)、黄黄铜（热导率率2=109W/(mK)）和）和碳碳钢（热导率率3=40W/ (mK)）制成的大制成的大平板，厚度都平板，厚度都为10mm10mm，两，两 侧表面的温差都表面的温差都维持持为tw1tw2= 50不不变，试求通求通过每每块平板平板 的的导热热流密流密度。度。 这是通是通过大大 平壁的一平壁的一 维稳态导热问题6对：66tw1 tw 2tw1 tw 2tw1 tw 2解于解于纯铜板板q1 = 1对于黄于黄铜板板q2 = 2对于碳于碳钢板板q2 = 3定定 义：流流 体各部分体各部分 之之间发生生相相对位移位移时， 冷冷热流流 体体相互相互 掺
12、混混所引所引起的起的热量量传递过程。程。特征特征：流流 体中有温差体中有温差 热对流必流必 然然 同同时 伴伴 随随着着 热传导，自然界自然界 不存在不存在 单一的一的热 对流流二、二、热对流流1 1、 定定义和和 特征特征对流流换热的的 特点特点 对流流换热与与热对流不同，流不同， 既有既有热对流，也有流，也有导热；不；不是是基本基本传热方式方式 导热与与热对流同流同时存在的复存在的复杂热传递过程程 （流体中各部（流体中各部分温度不同，必然伴有分分温度不同，必然伴有分 子不子不规 则热运运动而而传递的的热量）量） 必必须有有直接接触（流直接接触（流 体与壁面）和宏体与壁面）和宏观运运动；也必
13、；也必须有有温差温差 对流流换热机理与通机理与通过紧靠靠 换热面面 上薄膜上薄膜层的的热传导有关有关对 流流 换 热 ： 流流 体与体与 温温 度度不不 同同 的的 固固 体体 壁壁 间 接接 触触 时的的热量交量交换过程程2.2.分分类对 流流换热 按照不同按照不同 的原因的原因 可分可分为多种多种类型型是是 否相否相变 ：有相有相变 的的对流流 换热和无和无 相相 变的的 对 流流换热流流动原因原因 ：强迫迫对 流流换热 和自然和自然对 流流 换热。流流动状状态 ：层流和流和 紊流。紊流。3.3.对流流换热的的计算：算： 牛牛顿冷却公冷却公 式（式（17011701） W= hA(tw t
14、f)utftwAq= A Wm2 热流量流量W，单位位时 间传递的的热量量22 o2o o表面表面传热系系数（数（对流流换 热系数系数 ）h = ( A ( t w t f ) W(m 2 o C)定义：当当 流流 体体 与与 壁壁 面面 温温 度相度相 差差 1时、 每每 单位位 壁壁面面面面积上、上、单位位时间 内所内所传递的的热量量h h是表征是表征对流流 换热过程程强弱的物理量弱的物理量影影 响响 hh因因 素素 ： 流流 动 原原 因因 、 流流 动 状状 态 、 流流 体体 物物 性性 、 有有无相无相变、壁面、壁面 形状大小等形状大小等流动原因：强制自然对流介质：水空气相变：有相
15、变无相变记住一些住一些换热系数的数量系数的数量级例例 题 ：一：一 室室 内内 暖气暖气 片片 的的 散散 热 面面 积 为 3m2， 表表 面面 温温 度度为tw = 50，和，和 温度温度为20的的 室内室内 空气之空气之间自然自然对流流换热的表面的表面传热系数系数为 h = 4 W/(m2K)。试问该暖气暖气 片片相当于多大功相当于多大功率的率的电暖气暖气?解解： 暖暖气气片和室片和室 内空气之内空气之间是是 稳态的自然的自然对流流换热Q= Ah(tw tf)= 3m24 W/(m2K)(50-20)K= 360W = 0.36 kW即相当于功即相当于功率率为 0.36kW的的电暖气暖气
16、 。1.1.热辐射定射定义物体通物体通过电磁波来磁波来传递热量的方式，量的方式，称称为辐射射物体会因物体会因 各种原各种原 因因发出出 辐射能射能 ，其中由于，其中由于热的原因的原因向外向外发出的出的 辐射，称射，称 为热 辐射射。物体的温度越物体的温度越高、高、辐射能力越射能力越 强；若物体的种若物体的种 类 不同、不同、 表面状况表面状况 不不同，其同，其辐射能力不同射能力不同辐射射换热：物体物体间靠靠热 辐射射进行的行的热量量传递三、三、热辐射与射与辐射射换热2.2.辐射射换热的特点的特点不需要冷不需要冷热物体的直接接触；物体的直接接触； 即：不需要即：不需要 介介质的的存在，存在，在真
17、空中就可在真空中就可 以以传递能量能量在在辐射射换热过程中程中伴随伴随 着能量着能量 形式的形式的转换物体物体热 力学能力学能 电 磁波能磁波能 物体物体热力学能力学能 无无论温度温度高低，物体都高低，物体都 在不停在不停地地相互相互发射射电磁波能、磁波能、 相互相互辐射射能量能量；高温物；高温物体体辐射射给低温物体低温物体的能量大于低温物体的能量大于低温物体辐射射给高温高温物体的能量物体的能量 ;总的的结果果 是是热由高由高温温传到低温到低温Wm3.3.计算算：斯蒂芬：斯蒂芬- -玻玻尔兹曼定律曼定律黑黑 体：能体：能 全部吸收投射到全部吸收投射到 其表面其表面辐射能的物射能的物体，或称体，
18、或称绝对黑体。黑体。黑黑 体是一体是一 种理想物体，它种理想物体，它 的的辐射能力只与温度射能力只与温度有有 关，吸收能力最关，吸收能力最强黑体向外黑体向外辐射射热流量流量 计算式算式(Stefan-Boltzmann)42Eb= bTbEb 绝对黑黑 体体辐射力射力T 黑体表黑体表 面的面的绝对温度（温度（热力力 学温度）学温度） K 斯蒂芬斯蒂芬 -玻玻尔兹曼常曼常 数，数，5.67 10-8 W (m 2 K 4 )Wm实 际物体物体 向外向外辐射射 热流量流量 计算式：低算式：低 于同于同 温温 度黑体度黑体42E= bT物体的温度越高、物体的温度越高、辐射能力射能力越越强 实 际 物
19、物 体体 表表 面面 的的 发 射射 率率 （ 黑黑 度）度） ， 01；与物体的种与物体的种 类、表面状况和温、表面状况和温度有关度有关 = 1A1 (T1T24)一个辐射换热计算的特例一个辐射换热计算的特例物体表面间辐射换热的计算涉及到物体表面的辐射能力、吸收能力、表面间的几何关系等多方面的因素，因此，不同情况下，其计算公式不一样。特例：一小凸物体被包容在一个很大的空腔内。特例：一小凸物体被包容在一个很大的空腔内。该物体与空腔表面的辐射换热量计算式：该物体与空腔表面的辐射换热量计算式：4A 1 A2W1-31-3传热过程和程和传热系数系数传热过程程h h1 1 , ,t tf1f1h h2
20、 2 , ,t tf2f22. 传热方程式方程式 = = kA(t f 1 - t f 2 )k 传热系数系数 ，表示整个，表示整个传热过程的程的强弱，弱，单位位 是是W (m 2 K)一、一、传热过程程1. 定定义热量由壁面一量由壁面一侧的流体通的流体通 过壁面壁面传到另一到另一侧流体流体中的中的过程称程称为传热过程。程。 = = kA(t f 1 -tf2 )A(t f 1 t f 2 )+ + +3.3.通通过平壁平壁传热过程的分析程的分析该 传热过程包含串程包含串 列着列着 的三的三 个个环节 ，（，（11）高温）高温 流体流体侧 的的对流流 换热； （2 2）通通 过壁面壁面 的的导
21、热 ；（；（33）低温）低温 流体流体侧 的的对流流 换热。h h1 1 , ,t tf1f1h h2 2 , ,t tf2f2 = = A h1 ( t f 1 t w 1 )( t w 1 t w 2 ) = = A = = A h2 ( t w 2 t f 2 )在在 稳态情情 况下，由况下，由 上面上面 三个三个 式子式子计算的算的热 流量流量应 是相等是相等 的的。 = =1 1h1 h2与与传热方程式方程式 相相 对应， 可以可以 得到在得到在 该传热过程程中中传热系系 数的数的 计算式算式。 / h1 = = A ( t f 1 t w 1 ) / = = A ( t w 1 t
22、 w 2 ) / h2 = = A ( t w 2 t f 2 )k = =11/ h 1 + + / + + 1 / h 2I = =+ + +热阻的概念阻的概念通过平壁导热的热阻通过平壁导热的热阻t2 t ( ( A) )t1 = =IRU UUR( ( A) ) ( ( A ) )R = = t1t2对流换热：对流换热： = = hA(tw t f )(tw t f )1/(hA) = =Rh = = 1 / ( ( hA) )用用热阻的概念分析阻的概念分析传热过程程h h1 1 , ,t tf1f1h h2 2 , ,t tf2f2A(t f 1 t f 2 )1 1h1 h2( (
23、A) )tf1tw2tw1tf21 ( ( h1 A ) )1 ( ( h2 A ) ) = =例例题:一房一房屋的混凝土屋的混凝土 外外墙 的厚度的厚度为 =200mm ，混凝，混凝土土 的的热导 率率为 =1.5W/(mK) ，冬，冬 季季 室外室外 空气空气 温温 度度为tf2=-10, 有有 风 天天 和和 墙 壁壁 之之 间 的的 表表 面面 传 热 系系 数数 为h2=20W/(m2K)，室内室内 空气温度空气温度为tf1= 25,和和墙壁之壁之间 的的 表表 面面 传热 系系 数数 为 h1=5 W/(m2K)。 假假 设 墙 壁壁 及两及两侧 的的 空气空气 温温 度度 及及
24、表表 面面 传热 系系 数数 都不都不 随随 时 间 而而变 化化 ，求求单位面位面积墙壁的散壁的散热 损失及内外失及内外墙壁面的温度。壁面的温度。解：解：由由给定条件可定条件可知，知，这 是一个是一个稳态传热过程。程。通通过墙壁的壁的热流密度流密度 ，即，即单位面位面积墙壁的散壁的散热损失失为+1h21h1q =t f 1 tf 2= 100W / m2120W (m2 K )25 (10) K1 0.15m5W (m2 K ) 1.5W (m K )=根据牛根据牛顿冷冷却公式，却公式， 对于于 内、外内、外 墙面与空气之面与空气之间的的对流流换热，q = h1 (t f 1 t w1 )q = h2 (t w 2 t f 2 )= 5C1h1tw1 = tf 1 q= 15C1h2= tf 2 + qtw 2思考思考题家用热得快要及时清除水垢要及时清除冰箱内的结霜冬天，屋顶结霜或积雪有利于房屋保暖改变暖气管中的水速或把铸铁管换成铜管可否显著强化换热？下列三种情形，要强化传热过程应当从哪个环节入手
