传热学-第一章优秀课件.ppt

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1、传热学-第一章第1页，本讲稿共36页参参 考考 书书v 教材教材:传热学传热学 杨世铭、陶文铨编著，第三版杨世铭、陶文铨编著，第三版v传热学传热学 戴锅生，第二版戴锅生，第二版v数值传热学数值传热学 陶文铨编著陶文铨编著v对流换热对流换热 V.S.阿巴兹阿巴兹v凝结和沸腾凝结和沸腾施明恒等编著施明恒等编著v辐射换热辐射换热 余其铮编著余其铮编著v Heat Transfer(2nd Edition),by Anthony F.Millsv Heat Transfer,by J.P.Holmanv Fundamentals of Heat Transfer,by F.P.Incropera,D.

2、P.DeWitt 第2页，本讲稿共36页考考 核核 方方 法法v平平时时成成绩绩:30%30%(包包括括：上上机机、实验、出勤及作业实验、出勤及作业)v期末考试期末考试:70%:70%第3页，本讲稿共36页第第一章章 绪绪 论论1-0 概概 述述 1.1.传热学（传热学（Heat TransferHeat Transfer）(1)(1)研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递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、计算和测试方法的机理、规律、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

3、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 第4页，本讲稿共36页2.2.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)热力学 +传热学=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：传热学：水，M220oC铁块,M1300oC图1-1 传热学与热力学的区别(2)传热学以热力学第一定律和第二定律为

4、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 始终是守恒的第5页，本讲稿共36页3 3 传热学应用实例传热学应用实例 自然界与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 b b 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：2525度）的空气和水中的感觉不一度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？样。为什么？c 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？(1)(1)日常生活中的例子：日常生活中的例子：a a 人体为恒温体。若房间里气体的温度

5、在夏天和人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天冬天都保持都保持2020度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否度，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？一样？为什么？第6页，本讲稿共36页(2)(2)特别是在下列技术领域大量存在传热问题特别是在下列技术领域大量存在传热问题(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

6、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（电电火火箭箭、化化学学火火箭箭）；太阳能高空无人飞机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、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（航空航天、微机电系统（MEMSMEMS）、新材料、军事科学与技术、）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术生命科学与生物技术第7页，本讲稿共36页b b 微电子：微电子：电子芯片冷却电子芯片冷却c c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与

7、器 官的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：跨临界二氧化碳汽车空调冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温热泵；高温 水源热泵水源热泵f f 新新 能能 源：太阳能；燃料电池源：太阳能；燃料电池4 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，可分为稳态和非稳态两大类。按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类。第8页，本讲稿共36页1-1 1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式1 1 导热（热传导）导热（热传导）(Conduction)(Conduction)热量传递的三种基本方式

8、：导热热量传递的三种基本方式：导热(热传导热传导)、对流、对流(热对流热对流)和热和热辐射辐射。(1)(1)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微观观粒粒子子热热运运动动而而进进行的热量传递现象行的热量传递现象(2)(2)物质的属性：物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生(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 依靠依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量

9、；分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；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。第9页，本讲稿共36页(4)(4)导热的基本定律：导热的基本定律：1822年，法国数学家Fourier:上式称为上式称为FourierFourier定律，号称导热定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态导热。基本定律，是一个一维稳态导热。其中：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，单位时：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；间通过单位面积传递的热量；A A：垂直于导热方向的截面积：垂直于导热方向的截面积m2m

10、2；：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）W/(m K)W/(m K)。图图1-2 1-2 一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热t0 x dxdtQ第10页，本讲稿共36页(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 如图如图1-31-3所示，稳态所示，稳态 q=constq=const，于是积分，于是积分FourierFourier定律有：定律有：复习：1 传热学的研究内容 (1)定义 2 传热学与工程热力学的关系 (2)物质的属性：3 传热学应用实例 (3)导热的特点 4 传热过程的分类 (4)导热的基本定律 5 5 导热 (5)导热系数(5)(5)导热系数导热系数 表征

11、材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和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。温度关。第11页，本讲稿共36页Q图图1-3 1-3 导热热阻的图示导热热阻的图示 t0 x dxdtQ导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻第12页，本讲稿共36页例例 题题 1-11-1例题例题 1-1 1-1 一块厚度一块厚度=50=50 mm 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)材料为铜，材料为铜，=375=375 w/(mK);w/(mK);(2)(2)材料为钢，材料为钢，=36=36.4.

12、4 w/(mK);w/(mK);(3)(3)材料为铬砖，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：参见图图1-31-3。及一维稳态导热公式有：及一维稳态导热公式有：第13页，本讲稿共36页铬砖：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个数数量量级级。因而，铜是热的

13、良导体，因而，铜是热的良导体，而硅藻土砖则起到一定的隔热作用而硅藻土砖则起到一定的隔热作用铜：铜：钢：钢：第14页，本讲稿共36页(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 间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处间，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。传递到另一处的现象。2 2 对流（热对流）对流（热对流）(Convection)(Convection)(2)(2)对流换热对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：过程，他与单纯的对流不同

14、，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 壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)(3)对流换热的分类对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热有相变：沸腾换热和凝结换热第15页，本讲稿共36页图图1-4 1-4 对流换热中边界层的示意图对流换热中边界层的示意图第16页，本讲稿共36页Convection heattransfer

15、coefficient(4)(4)对流换热的基本计算公式对流换热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 流体温度第17页，本讲稿共36页 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、单位时间内所传递的热量单位时间内所传递的热量影响影响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 coefficien

16、t）(5)(5)对流换热系数对流换热系数(表面传热系数表面传热系数)第18页，本讲稿共36页Thermal resistance for convectionThermal resistance for convection(6)(6)对流换热热阻：对流换热热阻：第19页，本讲稿共36页(1)(1)定义定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象3 3 3 3 热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiation)(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，就会不停地向

17、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 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d d 具有强具有强烈的方向性；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 发射辐射取决于温发射辐射取决于温度的度的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 太阳能传递到地

18、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，但地面却可能以上，但地面却可能 结冰。结冰。第20页，本讲稿共36页图图1 16 6第21页，本讲稿共36页(5)(5)辐射换热的特点辐射换热的特点a a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在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真空中就可以传递能量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无论温度高

19、低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、相波能、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；总的结果是热由高温传到低温体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温(4)(4)辐射换热：辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样，射不同，就像对流和对流换热一样，(参照图参照图1 18)8)。第22页，本讲稿共36页(6)(6)辐射换热的研究方法：辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共假设一种黑体，它只关心热辐

20、射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律辐射规律(7)(7)黑体的定义：黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括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，黑体的吸收能力最强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 (8)(8)黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程：Stefan-Boltzmann Stefan-Boltzmann 定律

21、定律，真实物体则为：真实物体则为：（9 9）两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 (参见图参见图1 19)9)：第23页，本讲稿共36页图图1 17 7 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热第24页，本讲稿共36页例例 题题 1-2 1-2v 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量。解：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

22、）把管道每米长度上的散热量记为量为：第25页，本讲稿共36页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第26页，本讲稿共36页1-2 1-2 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：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热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、对流、热辐射导热、对流、热辐射辐射换热、辐

23、射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导图图1 18 8 墙壁的散热墙壁的散热第27页，本讲稿共36页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图图1 19 9 一维稳态传热过程一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻左侧对流换热热阻固体的导热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻第28页，本讲稿共36页上面传热过程中传递的热量为：上面传热过程中传递的热量为：(1-10)传热系数传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。不是物性参数，与过程有关。传热系数传热系数单位热阻或面积热

24、阻单位热阻或面积热阻第29页，本讲稿共36页a k k 越大，传热越好。若要增大越大，传热越好。若要增大 k k，可增大，可增大c h h1 1、h h2 2的计算方法及增加的计算方法及增加k k值的措施是本课程的重要值的措施是本课程的重要 内容内容注意：注意：b 非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法第30页，本讲稿共36页1-3 1-3 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v导热（导热（Heat conductionHeat conduction）钻炮筒大量

25、发热的实验（钻炮筒大量发热的实验（B.T.Rumford,1798B.T.Rumford,1798年）年）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）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）Fourier Fourier 导热定律导热定律 (J.B.J.Fourier,1822(J.B.J.Fourier,1822 年）年）G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.

26、Jaeger/M.Jakob M.Jakob 第31页，本讲稿共36页v对流换热对流换热 （Convection heat transferConvection heat transfer）不可压缩流动方程不可压缩流动方程 （M.Navier,1823M.Navier,1823年年)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）雷诺数雷诺数(O.Reynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年）自然对流的理论解（自然对流的理论解（L.Lorentz,1881L.Lor

27、entz,1881年）年）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）凝结换热理论解凝结换热理论解 （W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年）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）流体边界层概念流体边界层概念 （L.Prandtl,1904L.Prandtl,1904年）年）热边界层概念热边界层概念 （E.Pohlhausen,19

28、21E.Pohlhausen,1921年）年）湍流计算模型湍流计算模型 （L.Prandtl,1925L.Prandtl,1925年；年；Th.Von Karman,1939Th.Von Karman,1939年；年；R.C.Martinelli,1947R.C.Martinelli,1947年）年）第32页，本讲稿共36页v热辐射及辐射换热热辐射及辐射换热(Thermal radiation)(Thermal radiation)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）黑体辐射能量和温度的关系黑体辐射能量和温

29、度的关系(J.Stefan and L.Botzmann,1889(J.Stefan and L.Botzmann,1889年）年）黑体辐射光谱能量分布的公式黑体辐射光谱能量分布的公式v维恩公式（维恩公式（18961896年）年）/Rayleigh-Jeans/Rayleigh-Jeans公式公式v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）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

30、/1860/1860年）年）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.Hotel,1954年；年；A.K.Oppenheim,1956A.K.Oppenheim,1956年年)v数值传热学数值传热学 （19701970年）年）第33页，本讲稿共36页本章小结：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)传热过程传热过程第34页，本讲稿共36页思考题：思考题：1.热量传

31、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。第35页，本讲稿共36页作业：作业：1-5，1-6，1-9，1-14，1-17，1-26，1-27，1-28，1-31第36页，本讲稿共36页