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1、传热学初讲第1页，本讲稿共44页传热学基础传热学基础郑仁宇郑仁宇3 3月月1818日日第2页，本讲稿共44页主要内容主要内容 传热学概述 传热学应用 热能传递的三种基本方式 第3页，本讲稿共44页一、传热学的研究内容及意义一、传热学的研究内容及意义 热能的传递是与人类生存关系最密切的物理过程之一。热力学第二定律指出：凡是有温差存在的地方，就有热能自发地从高温物体向低温物体传递。传热学就是研究由温差引起的热能传递规律的科学。这里所谓的热能传递规律，主要是指单位时间内所传递的热量与物体中相应的温度差之间的关系，反映这种规律的关系式称为热能传递方程。传热学研究内容及意义传热学研究内容及意义 传热学概
2、述传热学概述第4页，本讲稿共44页 自然界和各种生产技术领域中到处存在温差，有温差就会有传热，因此热能的传递就成为一种极其普遍的物理现象。研究内容具体来讲主要有：热量传递的机理、规律和计算方法。传热学的研究意义在于协助解决生产中涉及与热能传递有关的问题。传热学研究内容及意义传热学研究内容及意义第5页，本讲稿共44页二、传热学的发展史二、传热学的发展史 传热学这门学科是以18世纪30年代英国工业革命为背景开始成长发展的。导热和对流两种基本热量传递方式较早为人们所认识，热辐射则是在1803年发现红外线后才确认的。1822年傅里叶发表热的解析理论，他采用无穷级数求解的新途径，因此而被公认为导热理论的
3、奠基人。传热学近代发展趋势为纵深发展，形成了微米-纳米传热学的研究方向。传热学发展史传热学发展史第6页，本讲稿共44页三、传热学与工程热力学的关系三、传热学与工程热力学的关系 传热学与工程热力学都是研究与热现象有关的科学，这两门课程也被称为热工学科。两门学科的根本区别：工程热力学研究的是处于平衡状态的系统，其中不存在温差或者压力差，而传热学正是研究有温差存在时的热能传递规律。两门学科的密切关系：传热学经常用到的术语“能量平衡”和“热平衡”，实际上也就是热力学第一定律的基本内容，即能量守恒定律。热量传递过程的动力是温度差，热能总是自发的由高温处向低温处传递，这也正是热力学第二定律的基本内容。故热
4、力学第一、二定律是进行传热学研究的基础。传热学与热力学传热学与热力学第7页，本讲稿共44页 附热力学第一、二定律：热力学第一定律：热力学第一定律：又称能量守恒定律：即物质都具有能量，能量不能被创造，也不能被消灭，而只能从一种形式转变成另一种形式。系统内能的变化量等于外界对其作的功和热传递之和。第一类永动机：启动后不需要输入能量就可以无限输出能量的机器热力学第二定律热力学第二定律第8页，本讲稿共44页热力学第二定律：热力学第二定律：即热量不能自发地从低温物体传到高温物体而不付出任何代价，它主要是指出了能量传递和转化的方向性。第二类永动机：热机只从一个热源吸取热量然后将之完全转变成有用功而其它物体
5、不发生任何变化。热力学第二定律热力学第二定律第9页，本讲稿共44页 传热学在科学技术各个领域的应用大致可以分为三种类型的问题：1、强化传热 即在一定的条件（如一定的温差、体积、重量或泵功等）下增加所传递的热量。以家用空调为例：最近20年，家用空调广泛进入民众家庭，家用空调的尺寸不断缩小，并且能耗也在不断降低，这主要归功于强化传热研究的成果。传热学应用传热学应用传热学应用传热学应用第10页，本讲稿共44页 2、削弱传热，或称绝缘传热 即在一定条件下使热量的传递减到最小。热绝缘类型的问题主要对于高温的设备，目的是减少散热损失，或称减少漏热；对于低温的设备，主要就是减少冷量的损失。液氮、液氧的低温容
6、器设备（称杜瓦瓶）的设计，由于采取了减少热量传递的措施，使得在垂直于杜瓦瓶壁面方向的热量传递减少到采取措施之前的千分之一，甚至更少，从而有效地防止了瓶内低温液体的蒸发，减少了能量损失。传热学应用传热学应用第11页，本讲稿共44页 3、温度控制 为使一些设备能安全经济的运行，或者为得到优质产品，要对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制。温度控制类型的问题可以举航天器重返大气层时热防护为例。航天飞机返回，以当地1520倍音速穿过大气层，飞行器前缘温度将达到10000K，如何在这样恶劣的工作条件下对飞行器进行热保护，是航天飞机设计中的关键问题之一。美国哥伦比亚航天飞机失事就是因为热保护瓦的脱落而
7、造成的。传热学应用传热学应用第12页，本讲稿共44页 还有就是，人们衣着随季节而变化这一现象就涉及上面所属的三种类型的问题：在冬天利用保温性能好的衣服来削弱人体向外的散热，在夏天则是通过较多的裸露皮肤以及穿白色的衣服增加人体向环境的散热，而这样做的目的就是要把人体的温度控制在一定的范围以内。传热学应用传热学应用第13页，本讲稿共44页 传热学的应用是将节约能源作为贯穿始终的一条主线。我国目前的一个能源状况存在的矛盾主要表现在供需矛盾尖锐、结构不合理、能源利用率低，在电力、冶金、化工、建材等高能耗行业中热能是主要的表现形式之一，据粗略统计，进80%的热量需要通过换热器予以转换，以适应不同的工艺要
8、求，因此热能利用的效率直接影响到这些领域综合能耗的高低，公司一直倡导的节能降耗也就是为了提高能源的综合利用率。热量传递的强化与削弱紧密地与节能措施联系起来，通过学习不仅了解节约能源的技术和方法，并且树立起“节能优先”的基本观点。也就是传热学学习和研究的目的所在。传热学应用传热学应用第14页，本讲稿共44页 热能的传递有三种基本方式：热传导、热对流与热辐射。分别简述如下：一、热传导一、热传导 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导，简称导热。例如，固体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分，以及温度较高的固体把热量传递给与之接触
9、的温度较低的另一固体都是导热现象。通过对大量实际导热问题的经验提炼，导热现象的规律已经总结为傅里叶定律，又称导热基本定律。热能传递的三种基本方式热能传递的三种基本方式热传导热传导第15页，本讲稿共44页 单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量记为，单位为W。根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热的热量与当地的温度变化率及平板面积A成正比：式中，是比例系数，称为热导率，又称导热系数。负号表示热烈传递方向与温度升高的方向相反，上式是计算通过平板导热量的速率方程。热传导热传导第16页，本讲稿共44页 通过单位面积的热流量称为热流密度，记为q，单位为W/m2。按傅里叶定律，热流密度的表示式为：式
10、中是平板的厚度。上述两式都是一维稳态导热时傅里叶定律的数学表达式（从热量传递的角度，所谓稳态导热过程是指系统中各点的温度不随时间的变化而发生改变；非稳态导热过程是指系统中各点的温度随着时间的变化而发生改变）热传导热传导第17页，本讲稿共44页 导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，单位是W/（mK），数值取决于物质的种类和温度等因素：金属的导热系数很高，常温（20）条件下金属导热系数的典型数值，纯铜为399 W/（mK）；气体的导热系数很小，如20时干空气的导热系数为0.0259 W/（mK）；液体的数值介于金属和气体之间，如20时水的导热系数为0.599 W/（mK）。习惯上把导热系数小的材
11、料称为保温材料，又称绝热材料或绝缘材料，规定凡平均温度不高于350时导热系数不大于0.12 W/（mK）的材料称为保温材料。热传导热传导第18页，本讲稿共44页例题：一块厚度=50 mm 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：材料为铜，=375 W/(mK)；材料为钢，=36.4 W/(mK)；材料为铬藻土砖，=0.242 W/(mK)。分析：1）通过单位截面积的导热量可以理解为热流密度的计算。2）根据该题已知条件，假设：传热情况为一维导热、稳态导热过程、导热系数为常数。3）在稳态导热过程中，垂直于x轴的任一截面上的导热量都是相等的。热
12、传导热传导第19页，本讲稿共44页计算：将已知数据代入公式 1-2，得：铜 钢 硅藻土砖 热传导热传导第20页，本讲稿共44页 讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，在相同条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量约大3个数量级。因此，铜是热的良导体，而硅藻土砖则可起到一定的隔热作用。傅里叶定律不适用的三种情形：1、当导热物体的温度接近0 K时（温度效应）2、当过程的作用时间极短，与材料本身固有的时间尺度相接近时（时间效应）3、当过程发生的空间尺度极小，与微观粒子的平均自由行程相接近时（尺度效应）热传导热传导第21页，本讲稿共44页二二 、热对流、热对流 由于流体的宏观运动而
13、引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程称为热对流。热对流仅能发生在流体中，而由于流体中的人字同时在进行着不规则的热运动，因而热对流必然伴随着热传导现象。热对流热对流第22页，本讲稿共44页对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式：物体被加热时 物体被冷却时 式中，比例系数h称为表面传热系数，单位是W/（m2K），上式是计算对流传热的速率方程。tw w及tf f分别为壁面温度和流体温度，。表面传热系数的大小不仅取决于流体的物性（粘度、密度、比热容等）以及换热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切的关系热对流热对流第23页，本讲稿共44页 如果把温差（亦称温压）记为
14、 ，并规定永远取正值，则牛顿冷却公式可表示为：上式并不是揭示影响表面传热系数的种种复杂因素的具体关系式，而仅仅给出了表面传热系数的定义。热对流热对流第24页，本讲稿共44页 影响对流传热的因素即影响流体流动和流体中热量传递的因素，有以下五个方面：流体流动的起因流体流动的起因 由于流动起因的不同，对流传热可以区分为强制对流强制对流和自然对流自然对流：自然对流是指流体的流动是由于物体冷、热各部分的密度不同而引起的，汽包的下降管与锅炉水冷壁的汽水循环；强制对流是指流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的，冷油器、冷凝器等管内冷却水的流动（由水泵驱动）；流体有无相变流体有无相变 在流体没有相变
15、时对流传热中的热量交换是由于流体显热的变化而实现的，而在有相变的换热过程中（如沸腾或凝结），流体相变热（潜热）的释放或吸收常常起主要作用，因而传热规律与无相变时不同；热对流热对流第25页，本讲稿共44页 流体的流动状态流体的流动状态 流体力学的研究表明，粘性流体存在着两种不同的流态层流层流和湍流湍流。层流时流体微团沿着主流方向作有规则的分层运动，而湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合，因而在其他条件相同时湍流传热的强度自然要较层流强烈；换热表面的几何因素换热表面的几何因素 这里的几何因素是指换热表面的形状、大小、换热表面与流动方向的相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙）。在自然对流领域里，不仅
16、几何形状，集合布置对流动亦有决定性影响；热对流热对流第26页，本讲稿共44页 物体的物理性质物体的物理性质 流体的物理性质对于对流传热有很大的影响。以无相变的强制对流传热为例，流体的密度、动力粘度、导热系数以及比定压热容cp等都会影响到流体中速度的分布及热量的传递，因而影响到对流传热。由上述讨论可见，影响对流传热的因素很多，因而构成了多种类型的对流传热现象，因而表征对流传热强弱的表面传热系数是取决于多种因素的复杂函数。热对流热对流第27页，本讲稿共44页三、热辐射三、热辐射 物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。自然界中各
17、个物体都不停的向空间发出热辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的热辐射。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辐射传热，也常称为辐射换热。当物体与周围环境处于热平衡时，可以看成辐射传热量等于零，但这是动态平衡，辐射与吸收过程仍在不停得进行。热辐射热辐射第28页，本讲稿共44页 热辐射具有一般辐射现象的共性，各种电磁波都以光速在空间传播，这是电磁辐射的共性，热辐射也不例外。电磁波的速率、波长和频率存在如下关系：c=1-7 c电磁波传播速率，值为3 108m/s 频率，s-1 波长，单位m，常用单位m热辐射热辐射第29页，本讲稿共44页 与导热、对流相比，热辐射这种传递能量
18、方式有2个特点：1、区别基本特点在于导热、对流的热量传递方式只有在物质存在的前提下才能实现，而热辐射的能量传递不需要其他传递介质存在，即可以在真空中传递进行热量传递，并且在真空中辐射能的传递效率最高。当两个物体被真空隔开时，例如地球与太阳之间，导热与对流都不会发生，只能发生辐射传热。2、另一个特点是，它不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转换，即发射时从热能转换为辐射能，而被吸收时又从辐射能转换为热能。热辐射热辐射第30页，本讲稿共44页 实验表明，物体的辐射能力与温度有关，并且同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。在探索热辐射规律的过程中，一种被称做绝对黑体的理想物体的概念具有
19、重大意义。所谓黑体，是指能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体热辐射热辐射第31页，本讲稿共44页 黑体的辐射能力与热力学温度（K）的关系由斯忒藩-玻耳兹定律定律所规定：式中：斯忒藩-玻耳兹常量，即通常说的黑体辐射常数，它是个自然常数，值为 5.6710-8W/（m2K4），C0称为黑体辐射系数，值为5.67W/（m2K4），下角标b表示黑体。这一定律又称为辐射四次方定律，是热辐射工程计算的基础。该定律表明，随着温度的上升，辐射力急剧增加。热辐射热辐射第32页，本讲稿共44页 黑体在单位时间内发出的热辐射热量由斯忒藩-玻耳兹定律定律揭示：式中：A辐射表面积，m2 T黑体的热力学温度，K 热
20、辐射热辐射第33页，本讲稿共44页 一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体。实际物体的辐射热流量的计算可以采用斯忒藩-玻耳兹定律的经验修正公式：式中：称为物体的发射率，习惯上称为黑度，其值总小于1（黑体的黑度等于1），它与物体的种类及表面状态有关。上式是物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射传热量。要计算辐射传热量还必须考虑投射到物体上的辐射热量的吸收过程，及辐射的投入与支出的计算。热辐射热辐射第34页，本讲稿共44页 例如一个表面积为A1、表面温度为T1、发射率为1的物体被包容在一个很大的表面温度为T2的空腔内，此时该物体与空腔表面间的辐射换热量按下式计算：在实际问题中，这些方式往往不是单
21、独出现的。这不仅表现在互相串联的几个传热环节中，而且同一环节的传热也常是如此。例如锅炉上的省煤器和汽轮机的冷凝器：热辐射热辐射第35页，本讲稿共44页 省煤器：烟道烟气以辐射传热及对流传热的方式对省煤器管子外壁传递热量，管子外壁以导热的方式对管子内壁传热，管子内壁又主要以对流传热的方式对省煤器管道内的水予以传热。冷凝器：汽轮机做功后的乏汽在冷凝器铜管外壁进行凝结传热，铜管外壁与内壁以导热形式传导热量，内壁与铜管内的循环冷却水以热对流的形式进行着热量交换，长此循环。热辐射热辐射第36页，本讲稿共44页 例：一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583mm，外表面实测温度tw=48 。空气温度t
22、f=23 ，此时空气与管道外表面间的自然对流传热的表面传热系数h=3.42W/（m2K），保温层外表面的发射率=0.9。试计算每米管道的总散热量。分析：1、假设沿管子长度方向各给定参数保持不变，传 热过程为稳态过程；2、此管道的散热有辐射传热和自然对流传热。热辐射热辐射第37页，本讲稿共44页计算：把每米管道的散热量记为ql，单位长度的自然对流散热量为单位长度的辐射换热量为热辐射热辐射第38页，本讲稿共44页 于是每米管道的总散热量为：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散热量具有相同的数量级，必须同时予以考虑。热辐射热辐射第39页，本讲稿共4
23、4页思考题？思考题？1、用铝制水壶烧开水，尽管炉火很旺，但水壶仍安然无恙，而一旦壶内的水烧干后水壶很快就被烧干，试从传热学的观点分析这一现象。2、用一只手握住盛有热水的被子，温度刚好可以支持住，过一会儿另一只手用筷子快速搅拌热水，握辈子的手会显著地感觉到热，试分析其原因。思考题思考题第40页，本讲稿共44页3、计算夏天与冬天站立在室温同为25 的房间内的人体（简化为直径等于25cm、高1.75m的圆柱体）与环境间的换热量。站立的人体与空气间的自然对流换热表面系数取为2.6，人体衣着与皮肤表面温度取为30，表面发射率为0.95。夏天室内墙面温度取为26，冬天取为10 。（忽略人体与地板间的导热）分析：分析：1）系统热交换包括：人体与空气间的对流、人体 与四周冷物体（以墙面为代表）的辐射传热。2）过程是稳态的 思考题思考题第41页，本讲稿共44页计算：换热面积人体冬天的换热量：思考题思考题第42页，本讲稿共44页人体冬天的换热量：讨论：讨论：1）同一室温下，冬天人体散热量是夏天的3倍多，所以冬天会觉得冷，而夏天则由于不能及时散热而感到“热”2）没考虑导热是因为一般人体与地板间的导热量仅占总散热量的百分之几，可以略去不计 3）本例也忽略了人体出汗带走的热量。思考题思考题第43页，本讲稿共44页本期到此本期到此下期流体力学下期流体力学谢谢！谢谢！第44页，本讲稿共44页