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1、 传传热热学学（HeatTransfer）主主 讲：李祥村讲：李祥村化工与环境生命学部化工与环境生命学部大连理工大学大连理工大学E-mail:Office：0411-84986291传热学传热学第五版第五版-章熙民等编著章熙民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HeatTransferJ.P.Holman8thedition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考核方法考核方法平时成绩平时成绩:10%(包括：出勤、作业包括：出勤、作业)期末考试期末考试:90%绪论绪论传热学概述传热学概述热量传递的基本方式热量传递的基本方式传热过程与热阻传热过程与热阻
2、绪论绪论绪论绪论传热学概述传热学概述(1)研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有 热量传递的机理、规律、计算和测试方法热量传递的机理、规律、计算和测试方法(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低温热力学第二定律：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1.传热学（传热学（HeatTransfer）日常生活中的传热现象日常生活中的传热现象如何选择合适的保温材料？如何选择合适的保温材料？晾晒衣服在通晾晒衣服在通风、太
3、阳、太阳处传热快，快，辐射射热多多 高效高效热电磁炉磁炉如何提高如何提高导热效率？效率？日常生活中的传热现象日常生活中的传热现象日常生活中的传热现象日常生活中的传热现象辐射传热对流换热集成集成电路散路散热，如何，如何提高散提高散热？太太阳阳能能，如如何何提提高高吸收效率？吸收效率？航天材料，如何航天材料，如何提高散提高散热效率？效率？工业中的传热现象工业中的传热现象传热在建筑在建筑领域的域的应用用2005年年开开始始，国国内内建建筑筑要要求求在在以以往往能能耗耗消消耗耗水水平平上上节节约约65%(目目前前，50%为为高能耗高能耗400亿亿平平方方米米建建筑筑(2006年年)-95%高高能能耗耗
4、单单位位建建筑筑采采暖暖能能耗耗为为发发达达国国家家的的23倍倍建筑建筑维护材料、材料、门窗、窗、供供热设备和保温材料和保温材料供供热通通风空空调和燃气和燃气产品品采暖散采暖散热器和器和换热器的开器的开发建筑物的建筑物的热工工计算和算和环境保境保护热源和冷源的源和冷源的选择、配套、配套节能能环保保建建筑筑理理念念11-新新时代的巨大工程代的巨大工程绪论绪论2.为什么要学习传热学？-交叉学科绪论绪论绪论绪论3.3.热量传递的三种基本传热方式热量传递的三种基本传热方式一、导热（热传导）一、导热（热传导）HeatHeat ConductionConduction（1 1）定义：物体各部分不发生宏观相
5、对位移，依靠微观粒子（分子、原子、）定义：物体各部分不发生宏观相对位移，依靠微观粒子（分子、原子、电子等）的无规则热运动相互碰撞而产生的热量传递。物质的固有属性。电子等）的无规则热运动相互碰撞而产生的热量传递。物质的固有属性。绪论绪论（2）导热的微观机理）导热的微观机理微观导热机理气体气体分子无规则的热运动和碰撞固体导电固体：自由电子的运动非导电固体：晶格振动液体分子运动的强弱而传递热能晶格：组成晶体的结构粒子晶格：组成晶体的结构粒子(分子、原子、离子分子、原子、离子)在空间有规则地排在空间有规则地排列在一定的点上，这些点群有一定的几何形状，叫做列在一定的点上，这些点群有一定的几何形状，叫做晶
6、格晶格。导导电电固固体体非非导导电电固固体体(3)一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻表征表征材料导热能力的大小材料导热能力的大小，是一种物性参数，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。意义：是指单位厚度的物体具有单位温差时，意义：是指单位厚度的物体具有单位温差时，在它的单位面积上每单位时间的导热量。在它的单位面积上每单位时间的导热量。(4)导热系数导热系数 例例题题1-1例题例题 1-1 1-1 一块厚度一块厚度=50 mm=50 mm 的平板，的平板，两侧表面分别维两侧表面分别维持在持在试求下列条件下的热流密度。试求下列条件下的热流密度。(1)(1)材料为
7、铜，材料为铜，=375=375 w/(mKw/(mK););(2)(2)材料为钢，材料为钢，=36=36.4.4 w/(mKw/(mK););(3)(3)材料为铬砖，材料为铬砖，=2.=2.3232 w/(mKw/(mK)；(4)(4)材料为硅藻土砖，材料为硅藻土砖，=0.=0.242242 w/(mKw/(mK)。解：一维稳态导热公式有：解：一维稳态导热公式有：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
8、导导热热量量大大三三个个数数量量级级。因因而而，铜铜是是热热的的良良导导体体，而而硅藻土砖则起到一定的隔热作用硅藻土砖则起到一定的隔热作用铜：铜：钢：钢：例例题题1-11.定义与特征定义与特征热热对对流流：流流体体中中温温度度不不同同的的各各部部分分之之间间，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热量由一处传递到另一处的现象。把热量由一处传递到另一处的现象。对流换热：对流换热：流体流过固体壁面时，由于流体与壁面间温差而引起的热量传递。二、热对流二、热对流(convection)(convection)与对流换热与对流换热如果冷流体在下面，会发生什么情况？如果冷流体在下面，会发生什么
9、情况？绪论绪论2.对流换热的特点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；不是对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式基本传热方式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必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差温差绪论绪论例例题题1-2一一室室内内暖暖气气片片的的散散热热面面积积为为3m2，表表面面温温度度为为tw=50，和和温温度度为为20的的室室内内空空气气之之间间自自然然对对流流换换热热的的表表面面传传热热系系数数为为h=4W/(m2K)。试试问问该该暖暖气气片
10、片相相当当于于多多大大功功率率的的电电暖气暖气?解：解：暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，Q=Ah(twtf)=3m24W/(m2K)(50-20)K=360W=0.36kW即相当于功率为即相当于功率为0.36kW的电暖气。的电暖气。绪论绪论绪论绪论绪论绪论三三 热辐射热辐射(Thermal radiationThermal radiation)(1)(1)定义定义：因热的原因引起，以电磁波形式传递能量的现象因热的原因引起，以电磁波形式传递能量的现象(2)(2)特点特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停
11、地向周，就会不停地向周围空间发出热辐射；围空间发出热辐射；b b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c c 伴随能量形式的伴随能量形式的转变；转变；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次方。次方。(3)(3)生活中的例子：生活中的例子：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 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服；要舒服；c c 太阳能传递
12、到地面太阳能传递到地面绪论绪论绪论绪论绪论绪论绪论绪论例例题题1-3一一根根水水平平放放置置的的蒸蒸汽汽管管道道，其其保保温温层层外外径径d=583mm，外外表表面面实实测测平平均均温温度度及及空空气气温温度度分分别别为为，此此时时空空气气与与管管道道外外表表面面间间的的自自然然对对流流换换热热的的表表面面传传热热系系数数h=3.42W/(m2K),保温层外表面的发射率保温层外表面的发射率问：（问：（1）此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；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量。）计算每米长度管道的总散热量。解：解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两
13、种方式。）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量记为）把管道每米长度上的散热量记为例例题题1-3近似地取管道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壁之间的辐射为：讨论：计算结果表明，对于表面温度为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0-2 0-2 传热过程和传热系数传热过程和传热系数绪论绪论绪论绪论绪论绪论1.热量传递的基本方式及传热机理。热量传递的基本方式及传热机理。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
14、本表达式及其中各物理量的定义。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理量的定义。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。的定义。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.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.接触热阻接触热阻,污垢热阻的概念。污垢热阻的概念。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.对流换热和传热过程的区别对流换热
15、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.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。思考题：思考题：第一章导热理论基础第一章导热理论基础1.1基本概念基本概念1.温度场 所研究的具有一定温度分布的空间范围称为温度场。稳态温度场与非稳态温度场三维非稳态与时间无关，稳态导热2.等温面等温面定义：同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接定义：同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面所构成的面3.等温线等温线（1）定义：不同的等温面与同一平面相交，则在）定义：不同的等温面与同一平面相
16、交，则在此平面上构成的一簇曲线此平面上构成的一簇曲线（2）特点：温度不同的等温面或等温线决不相交）特点：温度不同的等温面或等温线决不相交1.1基本概念基本概念4.温度梯度温度梯度（1）定义：自等温面上某点到另一个等温面，以该点法线方）定义：自等温面上某点到另一个等温面，以该点法线方向的温度变化率为最大。以该点法线方向为方向，数值也正好向的温度变化率为最大。以该点法线方向为方向，数值也正好等于这个最大温度变化率的矢量称为温度梯度。等于这个最大温度变化率的矢量称为温度梯度。（2）表达式：）表达式：在柱坐标和球坐标中表达式在柱坐标和球坐标中表达式P12（3）正向是朝着温度增加的方向）正向是朝着温度增
17、加的方向5.温度降度温度降度（1）定义：是温度梯度的负值）定义：是温度梯度的负值（2）表达式：）表达式：（3）正向是朝着温度降低的方向）正向是朝着温度降低的方向6.热流矢量热流矢量（1）热流密度：单位时间单位面积上所传递的热量）热流密度：单位时间单位面积上所传递的热量（2）热流矢量：等温面上某点，以通过该点最大热流密度的）热流矢量：等温面上某点，以通过该点最大热流密度的方向为方向，数值上也正好等于该方向热流密度的矢量称为方向为方向，数值上也正好等于该方向热流密度的矢量称为热流矢量。热流矢量。2导热基本定律（傅立叶定律）导热基本定律（傅立叶定律）1822年，法国数学家Fourier:热流失量和温
18、度梯度联系起来 热流矢量和温度梯度位于等温面的同热流矢量和温度梯度位于等温面的同一法线，但指向温度降低的方向，热一法线，但指向温度降低的方向，热流矢量与温度梯度的方向永远相反流矢量与温度梯度的方向永远相反傅里叶定律不同方向的表达式傅里叶定律不同方向的表达式P13gradt是空间某点的温度梯度；是空间某点的温度梯度；n-是该点等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；是该点等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；q-是热流密度矢量。是热流密度矢量。一般形式为：一般形式为：热流密度在热流密度在x,y,z 方向的投影的大小分别为：方向的投影的大小分别为：热热流密度流密度；q,单单位位W/m2对
19、对于一于一维稳态导热维稳态导热：一维稳态导热一维稳态导热导热热流量热流密度F：传导的热流量，单位时间传导的热量 W；q：热流密度，单位时间通过单位面积传导的热量 W/m2；A：垂直于热流方向的截面积 m2；：导热系数 W/(m.K)，W/(m.)。导热系数温度梯度3导热系数导热系数3导热系数导热系数(Thermalconductivity)1）导热系数的定义式由下式给出：）导热系数的定义式由下式给出：导热系数在数值上等于单位温度梯度时的热导热系数在数值上等于单位温度梯度时的热流密度的模（大小）。流密度的模（大小）。根据一维稳态平壁导热模型，可以采用平板法测量物质的导热系数。对于根据一维稳态平壁
20、导热模型，可以采用平板法测量物质的导热系数。对于图所示的大平板的一维稳态导热，流过平板的热流量与平板两侧温度和平图所示的大平板的一维稳态导热，流过平板的热流量与平板两侧温度和平板厚度之间的关系为：板厚度之间的关系为：只要任意知道三个就可以求出只要任意知道三个就可以求出第四个。由此可设计稳态法测量导热系数实验。第四个。由此可设计稳态法测量导热系数实验。2）影响导热系数因素影响导热系数因素：导热系数是导热系数是物性参数物性参数，它与物质结构和状态密切相关，它与物质结构和状态密切相关，例如物质的种类、材料成分、温度、例如物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密湿度、压力、密度等，与物质几何形状无关
21、。度等，与物质几何形状无关。它反映了物质微观粒子传递热量的特性。它反映了物质微观粒子传递热量的特性。不同物质的导热性能不同：不同物质的导热性能不同：保保温温材材料料：温温度度低低于于350度度时时热热导导率率小小于于0.12W/(mK)的材料（绝热材料）的材料（绝热材料）同同一一种种物物质质的的导导热热系系数数也也会会因因其其状状态态参参数数的的不同而改变。不同而改变。一一般般把把导导热热系系数数仅仅仅仅视视为为温温度度的的函函数数，而而且且在在一一定定温温度度范范围围还还可可以以用用一一种种线线性性关关系系来来描描述。述。保温材料保温材料b 0时：tw=f1()2）第二类边界条件：规定了边界
22、上的热流密度值。如：规定三类边界条件：对非稳态规定：当对非稳态规定：当 0时：时：qw=f2(),即即 三类边界条件：3）第三类边界条件：规定了边界上物体与流体间的表面传热系数h及周围流体的温度tf。当物体被冷却时，这类边界条件可写为：在非稳态时，h及tf 均可为时间函数。P21 肋片的第二类、第三类边界条件 导热理论的任务就是要找出任何时刻物体中各处的导热理论的任务就是要找出任何时刻物体中各处的温度，进而确定热量传递规律。温度，进而确定热量传递规律。、简化分析导热现象。根据几何条件、物理条、简化分析导热现象。根据几何条件、物理条 件简化导热微分方程式。件简化导热微分方程式。、确定初始条件及各
23、物体各边界处的边界条件、确定初始条件及各物体各边界处的边界条件 。每一维导热至少有两个边界条件。每一维导热至少有两个边界条件。、分析求解，得出导热物体的温度场。、分析求解，得出导热物体的温度场。、利用傅立叶定律和已有的温度场最终确定热、利用傅立叶定律和已有的温度场最终确定热 流量或热流密度。流量或热流密度。导热理论分析方法的基本思路导热理论分析方法的基本思路【例例】某一矩形薄板，具有均匀内热源某一矩形薄板，具有均匀内热源qvW/m3qvW/m3，导热系数，导热系数为常数，边界条件如图所示，试写出该物体稳态导热现为常数，边界条件如图所示，试写出该物体稳态导热现象完整的数学描述。象完整的数学描述。导热微分方程导热微分方程单值性条件单值性条件