1传热学-第一章PPT课件

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1、 Heat Transfer 传传 热热 学学 能源工程系能源工程系黄黄 金金2021/7/221l传热学传热学 戴锅生，第二版戴锅生，第二版l数值传热学数值传热学 陶文铨编著陶文铨编著l对流换热对流换热 V. S. V. S. 阿巴兹阿巴兹l凝结和沸腾施明恒等编著凝结和沸腾施明恒等编著l辐射换热辐射换热 余其铮编著余其铮编著l Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Millsl Heat Transfer , by J.P.Holmanl Fundamentals of Heat Transfer, by F. P. Incropera, D.

2、P. DeWittl各式传热学的习题集（图书馆和购书中心）各式传热学的习题集（图书馆和购书中心） 传热学传热学 杨世铭、陶文铨编著，高教出版社，第四版杨世铭、陶文铨编著，高教出版社，第四版参考书：参考书：教材教材: :2021/7/222l平时成绩平时成绩: 20% (: 20% (包括：实验包括：实验(10%)(10%)、出勤及作业、出勤及作业) )l期末考试期末考试: 70%: 70%（停课闭卷考试）（停课闭卷考试）考核方法考核方法学时及学分学时及学分总学时：总学时：6464（其中（其中4 4个实验学时）个实验学时） 总学分：总学分：4.04.0纪律强调纪律强调l课堂纪律课堂纪律l出勤（包

3、括缺席、请假、迟到以及早退）出勤（包括缺席、请假、迟到以及早退）l作业作业课程的重要性2021/7/22312杯子杯子2021/7/2243两滴完全相同的水珠分别落在120和400的铁板上，哪一滴先汽化掉，说明原因。 用铝壶烧水，尽管炉火很旺，但水壶安然无恙，而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就被烧坏，为什么？42021/7/2255抽气口密封破坏，不保温？62021/7/226第一章 绪 论1-1 1-1 概概 述述 1. 1. 传热学（传热学（Heat TransferHeat Transfer）(1) (1) 研研究究由由温温差差引引起起的的热热量量传传递递规规律律的的科科学学，具具体体来来

4、讲讲主主要有热量传递的机理、规则、计算和测试方法要有热量传递的机理、规则、计算和测试方法(2)(2) 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温热源传给热力学第二定律：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 温差是热量温差是热量 传递的推动力传递的推动力 2021/7/2272. 2. 传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系(1) (1) 热力学热力学 + + 传热学传热学 = = 热科学热科学(Thermal Science) 系统从一个平衡态到系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程另一个平衡态

5、的过程中传递热量的多少。中传递热量的多少。 关心的是热量传关心的是热量传递的过程，即热递的过程，即热量传递的速率。量传递的速率。热力学：热力学：传热学：传热学：水，M220oC铁块, M1800oC图1-1 传热学与热力学的区别(2) (2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始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，终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则则 始终是守恒的始终是守恒的结果结果过程过程2021/7/2283 3 传热学应用实例传热学应用实例(1) (1) 日常生活中的例子：日常生活中的例子：自然界与

6、生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍传热很普遍a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？衣服能否一样？为什么？b 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？不一样。为什么？c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？如何解释其道理？越厚越好？2021/7/229(

7、2) (2) 工业技术领域的应用工业技术领域的应用动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、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（核能、航空航天、微机电系统（MEMSMEMS）、新材料、军事）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术科学与技术、生命科学与生物技术大致上可以归纳为三种类型的问题：大致上可以归纳为三种类型的问题：强化传热。强化传热。即在一定的条件下（如一定的温度、体积、重量或泵即在一定的条件下（如一定的温度、体积、重量或泵 功等）功等） 下增加所传递的热量下增加所传递的热量削弱传热，或称热绝缘削弱传热，或称热绝缘。即在一定的温差下

8、使热量的传递减到最小。即在一定的温差下使热量的传递减到最小。温度控制。温度控制。对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制。对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制。2021/7/2210(3) (3) 几个特殊领域中的具体应用几个特殊领域中的具体应用a a） 航航空空航航天天：高高温温叶叶片片气气膜膜冷冷却却与与发发汗汗冷冷却却；火火箭箭推推力力室室的的再再生生冷冷却却与与发发汗汗冷冷却却；卫卫星星与与空空间间站站热热控控制制；空空间间飞飞行行器器重重返返大大气气层层冷冷却却；超超高高音音速速飞飞行行器器（Ma=10Ma=10）冷冷却却；核核热热火火箭箭、电电火火箭箭；微微型型火火箭箭（电

9、电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机航天器发射前与回收后航天器发射前与回收后超级保温材料超级保温材料2021/7/2211航空发动机航空发动机叶片冷却示意图叶片冷却示意图气膜冷气膜冷却却气膜冷却基本原理是：从高温环境的壁面上的孔向主流引入二次气流（冷却工质或射流），这股冷气流在主流的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，附着在壁面一定区域上，形成温度较低的冷气膜将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气，从而对壁面起到良好的冷却保护作用。2021/7/2212航空发动机冷却系统航空发动机冷却系统发汗冷发汗冷却却2021/7/2213b） 微电子：微电子： 电子芯片冷

10、却电子芯片冷却电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化迅速上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化迅速增加。由于功率不断增加，使电子器件的冷却成为目前增加。由于功率不断增加，使电子器件的冷却成为目前ITIT工工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因。的主要原因。芯片技术的冷却芯片技术的冷却2021/7/2214c c） 生生物物医医学学：肿肿瘤瘤高高温温热热疗疗；生生物物芯芯片片；组组织织与与器器官的

11、冷冻保存官的冷冻保存d d） 军军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e e） 制制 冷冷：跨跨临临界界二二氧氧化化碳碳汽汽车车空空调调/ /热热泵泵；高高温水源热泵温水源热泵f f） 新新 能能 源：太阳能；燃料电池源：太阳能；燃料电池2021/7/2215 封闭腔辐射换热选择性涂层保温层散热肋壁温度场分析有限空间自然对流太阳能耐集热器传热问题太阳能耐集热器传热问题2021/7/22164 4 传热过程的分类传热过程的分类按温度与时间的依变关系，可分为稳态过程和非稳态过程两按温度与时间的依变关系，可分为稳态过程和非稳态过程两大类。大类。l稳态传热过程（定常过

12、程）稳态传热过程（定常过程）凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程。l非稳态传热过程（非定常过程）非稳态传热过程（非定常过程）凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程均称非稳态传热过程。各种热力设备在持续不变的工况下各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过运行时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停机、工况改变时程；而在启动、停机、工况改变时的传热过程则属的传热过程则属 非稳态传热过程。非稳态传热过程。稳态导热稳态导热非稳态导热非稳态导热稳态温度场稳态温度场非稳态温度场非稳态温度场2021/7/22171-2 1-2 热量传递的三种基本方式热量

13、传递的三种基本方式热量传递的三种基本方热量传递的三种基本方式：式：导热导热( (热传导热传导) )、对、对流流( (热对流热对流) )和热辐射和热辐射。导热传热、对流传热、导热传热、对流传热、辐射传热辐射传热过程2021/7/22181 1 导热（热传导）导热（热传导）(heat Conduction)(heat Conduction)(1)(1)导导热热的的定定义义：指指温温度度不不同同的的物物体体各各部部分分或或温温度度不不同同的的两两物物体体间间直直接接接接触触时时，依依靠靠分分子子、原原子子及及自自由由电电子子等等微观粒子热运动而进行的热量传递现象微观粒子热运动而进行的热量传递现象 （

14、教材（教材P4P4）(2)(2)导热的范畴：导热的范畴：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生, ,三者三者 的导热机理是不同的。的导热机理是不同的。(3)(3)导热的特点：导热的特点：a a 必须有温差；必须有温差；b b 物体直接接触；物体直接接触；c c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；量；d d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。声子和电子声子/分子运动分子热运动2021/7/2219(4)(4)导热的基本定律：导热的基本定律： 18221822年，法国数

15、学家年，法国数学家Fourier:Fourier: 上式称为上式称为FourierFourier定律，也称导定律，也称导热基本定律，是一个一维稳态热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：导热。其中： ：热流量，单位时间传递的热量：热流量，单位时间传递的热量WW；q q：热流密度，单：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；位时间通过单位面积传递的热量；A A：垂直于导热方向的：垂直于导热方向的截面积截面积mm2 2 ； ：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）W/( m K)W/( m K)。 一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热t0x dxdtQ2021/7/2220文字表述：文字表述：在导

16、热现象中，单位时间内通过给定截面的热流量，正比于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。（ 1 ）当温度 t 沿 x 方向增加时， 而 q ，说明此时热量沿 x 减小的方向传递； （ 2 ）反之，当 0 ， 说明热量沿 x 增加的方向传递。2021/7/2221(5) (5) 导热系数导热系数 （也称为热导率（也称为热导率 Thermal conductivity) 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。和温度关。单位：单位：W/( m K)2

17、021/7/2222(6) (6) 一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 如图所示，稳态如图所示，稳态 q = const q = const，于是积分，于是积分FourierFourier定定律有：律有：t0x dxdtQ定积分定积分也可以考虑不定积分？也可以考虑不定积分？2021/7/2223 一块厚度一块厚度=50 mm =50 mm 的平板，的平板， 两侧表面分别维持在两侧表面分别维持在(1)(1)材料为铜，材料为铜，=375 =375 w/(mK );w/(mK );(2)(2)材料为钢，材料为钢， =36=36.4.4 w/(mK );w/(mK );(3)(3)材料为

18、铬砖，材料为铬砖， =2.=2.3232 w/(mK )w/(mK )；(4)(4)材料为铬藻土砖，材料为铬藻土砖， =0.=0.242242 w/(mK )w/(mK )。解：参见解：参见前前图图及一维稳态导热公式有：及一维稳态导热公式有：试求下列条件下的热流密度。试求下列条件下的热流密度。例题例题 1 11 12021/7/2224铬砖：铬砖： 硅藻土砖：硅藻土砖：讨讨论论：由由计计算算可可见见， 由由于于铜铜与与硅硅藻藻土土砖砖导导热热系系数数的的巨巨大大差差别别， 导导致致在在相相同同的的条条件件下下通通过过铜铜板板的的导导热热量量比比通通过过硅硅藻藻土土砖砖的的导导热热量量大大三三个

19、个数数量量级级。 因因而而，铜铜是是热热的的良良导导体体， 而而硅硅藻土砖则起到一定的隔热作用藻土砖则起到一定的隔热作用铜：铜：钢：钢：作业（一）：作业（一）：P26 1P26 19 9 ， 1 110102021/7/2225(1)(1)定义定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之流体中（气体或液体）温度不同的各部分之(2)(2) 间间，由由于于发发生生相相对对的的宏宏观观运运动动而而把把热热量量由由一处一处(3)(3) 传递到另一处的现象。传递到另一处的现象。2 2 对流（热对流）对流（热对流）(heat Convection)(heat Convection)(2) (2) 对流传热

20、对流传热（ Convection heat transfer) Convection heat transfer)：当流体当流体 流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单 纯的热对流不同，具有如下特点：纯的热对流不同，具有如下特点： a a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差必须有温差 c c 壁面处会形成速度和温度梯度很大的边界层壁面处会形成速度和温度梯度很大的边界层 特特指指2021/7/2226对流传热中边

21、界层的示意图对流传热中边界层的示意图2021/7/2227(3)(3)对流传热的分类对流传热的分类对流传热按照不同的原因可分为多种类型对流传热按照不同的原因可分为多种类型 是否相变是否相变，分为：有相变的对流传热和无相变的对流传热，分为：有相变的对流传热和无相变的对流传热 流动原因流动原因，分为：强迫对流传热和自然对流传热。，分为：强迫对流传热和自然对流传热。流动状态流动状态，分为：层流和紊流。，分为：层流和紊流。沸腾传热沸腾传热凝结传热凝结传热有相变有相变2021/7/2228Convection heattransfer coefficient(4) (4) 对流换热的基本计算公式对流换热

22、的基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式h 表面传热系数 热流量W，单位时间传递的热量q 热流密度A 与流体接触的壁面面积 固体壁表面温度 流体温度2021/7/2229 当当流流体体与与壁壁面面温温度度相相差差1 1度度时时、每每单单位位壁壁面面面面积积上上、单单位位时间内所传递的热量。时间内所传递的热量。表征对流传热过程强弱的物理量表征对流传热过程强弱的物理量影响影响h h因素：因素：流速、流体物性、壁面形状大小等流速、流体物性、壁面形状大小等（Convection heat transfer coefficientConvection heat transfer coefficient）(

23、5) (5) 对流传热系数对流传热系数( (表面传热系数表面传热系数) )强调：表面传热系数与导热系数的区别强调：表面传热系数与导热系数的区别a)单位上的区别单位上的区别 W/( m K) W/( m2 K)b)表面传热系数不是一个物性参数，它不仅取决于流体物表面传热系数不是一个物性参数，它不仅取决于流体物性、传热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密性、传热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切关系，与流体力学紧密联系。切关系，与流体力学紧密联系。2021/7/22305 - 3020 - 100020 - 30050 - 20,0005,000 - 50,0002,000 - 100

24、,0005,000 - 100,000Free Convection Gases LiquidsForced Convection Gases Liquids Liquid metalsPhase change Boiling liquids CondensationH(W/m2 - C)ProcessTypical values of h教材P82021/7/2231(1) (1) 辐射的定义：辐射的定义：物体通过电磁波来传递能量的方式。物体通过电磁波来传递能量的方式。3 3 3 3 热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiation)(2) (2) 热辐

25、射的定义：热辐射的定义：因热的原因而发出辐射能的现象。因热的原因而发出辐射能的现象。 a a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热； b b 冬天，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；冬天，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服； c c 太阳能传递到地面太阳能传递到地面 d d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在冬天，蔬菜大棚内的空气温度在00以上，地面却结冰。以上，地面却结冰。有实际意义有实际意义0.380.38100100m m 主要主要 0.76 0.7620 20 m m 2021/7/2232a a）任何物体，只要温度高于

26、）任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停地向周围空间发，就会不停地向周围空间发出热辐射；出热辐射；b b）可以在真空中传播；）可以在真空中传播；c c）它不仅产生能量的转）它不仅产生能量的转移，还伴随有能量形式的转换；移，还伴随有能量形式的转换；d d）具有强烈的方向性；）具有强烈的方向性；e e）辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；f f）发射辐射取决于温度的）发射辐射取决于温度的4 4次次方。方。 （3 3）热辐射的特点）热辐射的特点其中，与热传导和热对流的主要区别是其中，与热传导和热对流的主要区别是判断：任何热量传递只有在有物质存在的条件下才能实现判断：任何热量传递

27、只有在有物质存在的条件下才能实现b b、c cX 微波微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。2021/7/2233（5 5）辐射传热的特点）辐射传热的特点a a ）不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质

28、的存在，在真空中就）不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量可以传递能量b b ）在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换）在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能c c ）无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；）无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温。总的结果是热由高温传到低温。物体间靠热辐射进行的热量传递过程

29、，辐射与吸收过程的综合物体间靠热辐射进行的热量传递过程，辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递。它与单纯结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递。它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流传热一样。的热辐射不同，就像对流和对流传热一样。（4 4） 辐射传热的定义辐射传热的定义2021/7/2234(6)(6)辐射传热的研究方法辐射传热的研究方法(7)(7) 假设一种物质，它只关心热辐射的共性规律，忽略其假设一种物质，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与该物质进行比较和修他因素，然后，真实物体的辐射则与该物质进行比较和修正，通过实验获得修正系数

30、，从而获得真实物体的热辐射正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律规律(7)(7)黑体的定义黑体的定义(8)(8) 能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强力最强 ，a a）黑体是一种理想的物体，实际中不存在）黑体是一种理想的物体，实际中不存在b b）从某种意义上说，黑体是一种研究手段）从某种意义上说，黑体是一种研究手段2021/7/2235(8)(8)黑体辐射定律（黑体辐射定律（Stefan-Boltzmann Stefan-

31、Boltzmann 定律、四次方定律）定律、四次方定律） 其中其中 T T 黑体的热力学温度黑体的热力学温度 K K ； 斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为其值为 ； A A 辐射表面积辐射表面积 m m2 2 。 物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射传热物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射传热量量文字描述：文字描述：黑体在单位时间内发出的热辐射热量正比于其黑体在单位时间内发出的热辐射热量正比于其温度的四次方和热辐射面积。温度的四次方和热辐射面积。2021/7/2236（9 9） 两黑体表面间的辐射传热两黑体表面间的辐射传热 物体的物体的发射率（发射

32、率（黑度黑度），），其值总小于其值总小于1 1，它与物，它与物体的种类及表面状态有关。体的种类及表面状态有关。一切实际物体的热辐射能力都小于同温度下的黑体，故实一切实际物体的热辐射能力都小于同温度下的黑体，故实际物体辐射热流量为：际物体辐射热流量为：对于两个相距很近的黑体表面，对于两个相距很近的黑体表面，由一个表面发射出来的能量几乎由一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上。完全落到另一个表面上。2021/7/2237（1010）一种简单的实际辐射传热情形）一种简单的实际辐射传热情形表面积为表面积为A1A1、表面温度为、表面温度为T1T1、发射率为、发射率为的物体包容在一个很大的物体包容

33、在一个很大的表面温度为的表面温度为T T2 2的空腔内，物体与空腔表面间的辐射传热量的空腔内，物体与空腔表面间的辐射传热量A A1 1A A2 2房间散热器房间散热器热电偶测温热电偶测温2021/7/2238注意：注意：注意：注意： （1 1 1 1）热热热热传传传传导导导导、热热热热对对对对流流流流和和和和热热热热辐辐辐辐射射射射三三三三种种种种热热热热量量量量传传传传递递递递基基基基本本本本方方方方式式式式往往不是单独出现的；往往不是单独出现的；往往不是单独出现的；往往不是单独出现的； （2 2 2 2）分分分分析析析析传传传传热热热热问问问问题题题题时时时时首首首首先先先先应应应应该该该

34、该弄弄弄弄清清清清楚楚楚楚有有有有那那那那些些些些传传传传热热热热方方方方式式式式在在在在起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算。起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算。起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算。起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算。 （3 3 3 3）如如如如果果果果某某某某一一一一种种种种传传传传热热热热方方方方式式式式与与与与其其其其他他他他传传传传热热热热方方方方式式式式相相相相比比比比作作作作用用用用非非非非常常常常小，往往可以忽略。小，往往可以忽略。小，往往可以忽略。小，往往可以忽略。 图见下页图见下页2021/7/22392021/

35、7/2240例题例题1-21-2 一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为 ，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式； （2）计算每米长度管道的总散热热流量。解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热热流量记为作业作业2 2：P26 1P26 11212，P27 1P27 117172021/7/2241近似地取室内物体和墙壁的表面温度为室内空气温度， 于是每米长度管道外表面与室内物体及墙

36、壁之间的辐射传热量为：讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几上几十摄氏度的一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热则总散热量2021/7/22421-3 1-3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数（1 1） 传热过程的定义：热量由壁面一侧的流体通过壁面传热过程的定义：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称为传热过程（两流体间通过传到另一侧流体中去的过程称为传热过程（两流体间通过固体壁面进行的传热）固体壁面进行的传热）（2 2） 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式： 导热、热对流、热

37、辐射导热、热对流、热辐射 墙壁的散热墙壁的散热1 1 传热过程及传热方程式传热过程及传热方程式三个环节：三个环节：a a）热流体）热流体 壁面高温侧壁面高温侧b b）壁面高温侧）壁面高温侧 壁面低温侧壁面低温侧c c）壁面低温侧）壁面低温侧 冷流体冷流体特指特指2021/7/2243（3 3） 一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递传热方程式传热方程式传热环节有三种情况，则传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下：其热流量的表达式如下：抓住一句重要的话：抓住一句重要的话：稳态传热过程中，如果没有热损失，则稳态传热过程中，如果没有热损失，则热量传递的方向上，热流量热量传递的方

38、向上，热流量始终保持不变。始终保持不变。2021/7/2244将三式改写成温差的形式：将三式改写成温差的形式：三式相加，整理可得三式相加，整理可得: :一维稳态平板传热过程中的传热方程式一维稳态平板传热过程中的传热方程式2021/7/2245也可以表示成也可以表示成式中，式中， 称为传热系数，单位为称为传热系数，单位为则通过单位面积平壁的热流密度为则通过单位面积平壁的热流密度为2021/7/22462 2 传热系数传热系数传热系数的表达式为传热系数的表达式为: :数值上数值上等于冷热流体间温差等于冷热流体间温差 , ,传热面积传热面积 时热流量的值。时热流量的值。表征传热过程强烈程度的指标。表

39、征传热过程强烈程度的指标。 K K 值越大，则传热过程值越大，则传热过程越强，反之，则越弱。越强，反之，则越弱。 传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于组传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于组成传热过程诸环节的成传热过程诸环节的 、 及及 之和的倒数。之和的倒数。如果对表达式取倒数，还可理解得更深刻些。此时如果对表达式取倒数，还可理解得更深刻些。此时2021/7/22473 3 传热热阻传热热阻欧姆定律欧姆定律2021/7/2248左侧对流换热热阻左侧对流换热热阻壁面的导热热阻壁面的导热热阻右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则称为热阻分析法称为

40、热阻分析法2021/7/2249Q导热热阻的图示导热热阻的图示 导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻t0x dxdtQ导热热阻导热热阻面积热阻面积热阻2021/7/2250Thermal resistance for convectionThermal resistance for convection对流传热热阻对流传热热阻由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的热阻组成。由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的热阻组成。 串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，如果串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，则串联热量传递过程的总通过各个环节的热流量

41、都相等，则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环节热阻之和。热阻等于各串联环节热阻之和。2021/7/2251一一房房屋屋的的混混凝凝土土外外墙墙的的厚厚度度为为 =200mm =200mm ，混混凝凝土土的的热热导导率率为为 =1.5W/(mK) =1.5W/(mK) ，冬冬季季室室外外空空气气温温度度为为t tf2f2=-=-10, 10, 有有风风天天和和墙墙壁壁之之间间的的表表面面传传热热系系数数为为h h2 2=20W/=20W/(m(m2 2K)K)，室室内内空空气气温温度度为为t tf1f1= = 25,25,和和墙墙壁壁之之间间的的表表面面传传热热系系数数为为h h1 1=5 =

42、5 W/(mW/(m2 2K)K)。假假设设墙墙壁壁及及两两侧侧的的空空气气温温度度及及表表面面传传热热系系数数都都不不随随时时间间而而变变化化，求求单单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。解：解： 由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为热损失为 例题例题1-31-32021/7/2252根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，对流换热， 2021/7/22531-3 1-

43、3 传热学发展简史传热学发展简史1818世纪世纪3030年代工业化革命促进了传热学的发展年代工业化革命促进了传热学的发展n导热（导热（Heat conductionHeat conduction）q钻炮筒大量发热的实验（钻炮筒大量发热的实验（B. T. Rumford, 1798B. T. Rumford, 1798年）年）q两块冰摩擦生热化为水的实验（两块冰摩擦生热化为水的实验（H. Davy, 1799H. Davy, 1799年）年）q导热热量和温差及壁厚的关系（导热热量和温差及壁厚的关系（J. B. Biot, 1804J. B. Biot, 1804年）年）qFourier Four

44、ier 导热定律导热定律 (J. B. J. Fourier , 1822 (J. B. J. Fourier , 1822 年）年）qG. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M. Jakob Jaeger/ M. Jakob 1 1 早期发展（早期发展（2020世纪中期）世纪中期）2021/7/2254n对流换热对流换热 （Convection heat transferConvection heat transfer）q不可压缩流动方程不可压缩流动方程 （M.

45、Navier,1823M.Navier,1823年年) )q流体流动流体流动Navier-StokesNavier-Stokes基本方程基本方程 (G.G.Stokes,1845 (G.G.Stokes,1845年）年）q雷诺数雷诺数(O.Reynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年）q自然对流的理论解（自然对流的理论解（L.Lorentz, 1881L.Lorentz, 1881年）年）q管内换热的理论解（管内换热的理论解（L.Graetz, 1885L.Graetz, 1885年；年；W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年）q凝结换热理论解凝结换

46、热理论解 （W.Nusselt, 1916W.Nusselt, 1916年）年）q强制对流与自然对流无量纲数的原则关系强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909W.Nusselt,1909年年/1915/1915年）年）q流体边界层概念流体边界层概念 （L.Prandtl, 1904L.Prandtl, 1904年）年）q热边界层概念热边界层概念 （E.Pohlhausen, 1921E.Pohlhausen, 1921年）年）q湍流计算模型湍流计算模型 （L.Prandtl,1925L.Prandtl,1925年；年；Th.Von Karman, Th.Von Ka

47、rman, 19391939年；年；R.C. Martinelli, 1947R.C. Martinelli, 1947年）年）2021/7/2255n热辐射及辐射换热热辐射及辐射换热(Thermal radiation)(Thermal radiation)q黑体辐射光谱能量分布的实验数据黑体辐射光谱能量分布的实验数据(O.Lummer,1889(O.Lummer,1889年）年）q黑体辐射能量和温度的关系黑体辐射能量和温度的关系(J.Stefan and (J.Stefan and L.Botzmann,1889L.Botzmann,1889年）年）q黑体辐射光谱能量分布的公式黑体辐射光谱

48、能量分布的公式n维恩公式（维恩公式（18961896年）年）/Rayleigh-Jeans/Rayleigh-Jeans公式公式n能量子假说能量子假说 （M. Planck,1900M. Planck,1900年）年）/ /光量子理论光量子理论（A.Einstein,1905A.Einstein,1905年）年）q物体的发射率与吸收比的关系（物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff,1859G.Kirchhoff,1859年年/1860/1860年）年）q物体间辐射换热的计算方法物体间辐射换热的计算方法 （波略克，（波略克，19351935年；年；H.C.Hotel, 1954H.C

49、.Hotel, 1954年；年；A.K.Oppenheim,1956A.K.Oppenheim,1956年年) ) 2021/7/22562 2 近代发展（近代发展（2020世纪后半叶至现在世纪后半叶至现在近几十年近几十年）世界科技领域的八大事件及其对传热学的影响世界科技领域的八大事件及其对传热学的影响（1 1） 70 70年代的世界能源危机促进了强化传热的研究年代的世界能源危机促进了强化传热的研究 迫使人们尽力减少石油与其它二次能源的消耗，客观迫使人们尽力减少石油与其它二次能源的消耗，客观上极大地促进了强化传热技术的研究上极大地促进了强化传热技术的研究其实质是探求在消其实质是探求在消耗一定的

50、能量条件下尽可能多地传递为某种过程所需的热耗一定的能量条件下尽可能多地传递为某种过程所需的热量。量。（2 2）核能工程的发展促进了多相流传热研究的蓬勃兴起）核能工程的发展促进了多相流传热研究的蓬勃兴起 核能工业以及大型火电站的发展，使传热学中关于管核能工业以及大型火电站的发展，使传热学中关于管内沸腾的内容得到更多的重视。内沸腾的内容得到更多的重视。2021/7/2257（3 3）电子器件冷却技术发展为传热学提供了许多强化换热）电子器件冷却技术发展为传热学提供了许多强化换热的实例的实例 电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片上集成的晶

51、体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化芯片上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化迅速增加迅速增加(3(3，4 4，5)5)。由于功率不断增加，使电子器件的冷。由于功率不断增加，使电子器件的冷却成为目前却成为目前IT IT 工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因。成为电子器件失效的主要原因。（4 4）计算机与信息产业的发展为数值模拟以及教学资）计算机与信息产业的发展为数值模拟以及教学资 源的源的开拓提供了物质基础开拓提供了物质基础 计算机工业的发展对传热学教材的直接影响是使得传热计算机工业的发展对传热学教材的直接影响是使得

52、传热问题的数值计算普遍被中近期教材采纳为一个重要的内容问题的数值计算普遍被中近期教材采纳为一个重要的内容数值传热学（陶文铨院士）数值传热学（陶文铨院士）2021/7/2258（5 5）航天航空事业的发展增强了辐射换热、超级绝热材料）航天航空事业的发展增强了辐射换热、超级绝热材料和热管的内容和热管的内容 70 70年代世界航天事业的兴起大大促经了传热学的发展：年代世界航天事业的兴起大大促经了传热学的发展：从火箭发动机与叶片的冷却，航天器的热控制，到重返大气从火箭发动机与叶片的冷却，航天器的热控制，到重返大气层时的热防护等一系列与传热有关的研究均取得了长足的进层时的热防护等一系列与传热有关的研究均

53、取得了长足的进步。步。（6 6）全球日益严重的环境问题对传热学教学内容的影响全球日益严重的环境问题对传热学教学内容的影响 世界经济的迅速发展给全球环境造成了严重的损害：南世界经济的迅速发展给全球环境造成了严重的损害：南极臭氧层空洞日益扩大，全球变暖、物种灭绝加速。极臭氧层空洞日益扩大，全球变暖、物种灭绝加速。温室效应温室效应热岛效应热岛效应2021/7/2259（7 7）可持续发展战略及新能源与可再生能源的开发与传热学）可持续发展战略及新能源与可再生能源的开发与传热学的关系的关系 世界性的化石燃料的日渐枯竭，环境问题的日益严重引起世界性的化石燃料的日渐枯竭，环境问题的日益严重引起了世界各国的关

54、注。我国政府在了世界各国的关注。我国政府在19941994年编制的年编制的“中国中国2121世纪世纪议程议程”中指出：走可持续发展道路是中国在未来几年和下一中指出：走可持续发展道路是中国在未来几年和下一世纪发展自身需要的必然选择。世纪发展自身需要的必然选择。（8 8）MEMSMEMS技术与纳米技术的兴起对传热学教材的影响技术与纳米技术的兴起对传热学教材的影响 上世纪末随着许多高新技术的发展，涌现出了很多空间上上世纪末随着许多高新技术的发展，涌现出了很多空间上微细化（从毫米级到微米，从微米到纳米）以及时间上的极微细化（从毫米级到微米，从微米到纳米）以及时间上的极短暂热量传递过程，出现了微机电系统

55、技术（短暂热量传递过程，出现了微机电系统技术（MEMSMEMS）、纳米）、纳米技术以及激光脉冲加热、激光武器等新技术，由此为传热学技术以及激光脉冲加热、激光武器等新技术，由此为传热学开辟了一个崭新的领域开辟了一个崭新的领域微米纳米传热学微米纳米传热学，使传热学的研究，使传热学的研究范围从空间到时间均跨越了范围从空间到时间均跨越了2020数量级。由此引起的对传热学数量级。由此引起的对传热学发展的长期影响目前还难以完全估量。发展的长期影响目前还难以完全估量。2021/7/2260传热学研究问题跨越的空间尺度范围传热学研究问题跨越的空间尺度范围2021/7/2261传热学研究问题跨越的时间尺度范围传

56、热学研究问题跨越的时间尺度范围2021/7/2262本章小结：本章小结：(1) 导热导热 Fourier 定律：定律：(2) 对流换热对流换热 Newton 冷却公式：冷却公式：(3) 热辐射热辐射 Stenfan-Boltzmann 定律：定律： (4) 传热过程传热过程2021/7/2263重点掌握以下内容：重点掌握以下内容： （1）热热传传导导、热热对对流流、热热辐辐射射三三种种热热量量传传递递基本方式及其特点；基本方式及其特点； （2）热热流流量量、热热流流密密度度、导导热热系系数数、对对流流换换热热、表面传热系数、传热系数、热阻等基本概念；表面传热系数、传热系数、热阻等基本概念； （

57、3）灵灵活活运运用用平平壁壁的的一一维维稳稳态态导导热热公公式式、对对流流换换热热的的牛牛顿顿冷冷却却公公式式、通通过过平平壁壁的的一一维维传传热热过过程计算公式进行相关物理量的计算程计算公式进行相关物理量的计算作业作业3 3：P27 1P27 12121，P28 1P28 13030，1 132322021/7/2264思考题：思考题：1.1.热量传递的基本方式及热量传递的基本方式及传热机理。传热机理。2.2.一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义。一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义。3.3.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物

58、理量的定义。4.4.黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其中各物理量的定黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其中各物理量的定义。义。5.5.传热过程及传热系数的定义及物理意义。传热过程及传热系数的定义及物理意义。6.6.热阻的概念热阻的概念. . 对流热阻对流热阻, , 导热热阻的定义及基本表达式。导热热阻的定义及基本表达式。7.7.接触热阻接触热阻, ,污垢热阻的概念。污垢热阻的概念。8.8.使用串连热阻叠加的原则和在换热计算中的应用。使用串连热阻叠加的原则和在换热计算中的应用。9.9.对流换热和传热过程的区别对流换热和传热过程的区别. . 表面传热系数表面传热系数( (对流换热系对流换热系 数数) )和传热系数的区别。和传热系数的区别。10.10.导热系数导热系数, , 表面传热系数和传热系数之间的区别。表面传热系数和传热系数之间的区别。2021/7/2265作业：作业：导热：导热：1 19 9，1 11010对流对流1 11212辐射：辐射：1 11717热阻分析：热阻分析：1 12121传热过程及综合分析：传热过程及综合分析：1 13030，1 132322021/7/2266