傳熱學-第1章-緒論

1、傳熱學傳熱學第第 1 章章 緒論緒論第第1 1章章 緒論緒論內(nèi)容要求內(nèi)容要求v傳熱學的研究內(nèi)容；傳熱學的研究內(nèi)容；v熱量傳遞的三種基本方式；熱量傳遞的三種基本方式；v傳熱過程和傳熱系數(shù)；傳熱過程和傳熱系數(shù)；v傳熱學的發(fā)展簡史；傳熱學的發(fā)展簡史；v傳熱學的研究方法。傳熱學的研究方法。 1. 傳熱學傳熱學（heat transfer） 是研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學。是研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學。 1.1 傳熱學的研究內(nèi)容及其在科學傳熱學的研究內(nèi)容及其在科學 技術和工程中的應用技術和工程中的應用 1.1.1 傳熱學的研究內(nèi)容傳熱學的研究內(nèi)容 1.1.2 傳熱學研究中的連續(xù)介質(zhì)假設傳熱

2、學研究中的連續(xù)介質(zhì)假設 假設所研究的物體中的溫度、密度、速度、假設所研究的物體中的溫度、密度、速度、 壓力等物理參數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)。壓力等物理參數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)。說明說明氣體：要求被研究物體的幾何尺寸氣體：要求被研究物體的幾何尺寸 遠大于分子間的平均自由程。遠大于分子間的平均自由程。 1.1.3 傳熱學與工程熱力學的關系傳熱學與工程熱力學的關系 最根本的區(qū)別：最根本的區(qū)別： 工程熱力學研究處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)；工程熱力學研究處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)； 傳熱學研究有溫差存在時的熱量傳遞規(guī)律。傳熱學研究有溫差存在時的熱量傳遞規(guī)律。 相互聯(lián)系：相互聯(lián)系： 工程熱力學的第一，第二定律是進行傳熱研究工程

3、熱力學的第一，第二定律是進行傳熱研究 的基礎。的基礎。水桶內(nèi)灼熱鋼棒的水桶內(nèi)灼熱鋼棒的冷卻過程冷卻過程 研究平衡體系。計算鋼棒在冷卻研究平衡體系。計算鋼棒在冷卻 過程中散失的熱量。過程中散失的熱量。 鋼棒和水組成的系統(tǒng)最終的平衡溫度。鋼棒和水組成的系統(tǒng)最終的平衡溫度。 熱力學：熱力學： 傳熱學：傳熱學： 需要多長時間才能達到平衡狀態(tài)，即熱傳播需要多長時間才能達到平衡狀態(tài)，即熱傳播 的速率。的速率。 達到平衡狀態(tài)前某一時刻鋼棒的溫度是多少？達到平衡狀態(tài)前某一時刻鋼棒的溫度是多少？ 即鋼棒和水的溫度隨時間的變化規(guī)律。即鋼棒和水的溫度隨時間的變化規(guī)律。舉例舉例 1.1.4 傳熱學在科學技術各個領域中

4、的應用傳熱學在科學技術各個領域中的應用 可歸納為三種類型的問題：可歸納為三種類型的問題：（1）強化傳熱；在一定條件下增加所傳遞的熱量。）強化傳熱；在一定條件下增加所傳遞的熱量。（2）削弱傳熱：在一定溫差下使熱量傳遞減到最小。）削弱傳熱：在一定溫差下使熱量傳遞減到最小。（3）溫度控制）溫度控制例如：室內(nèi)暖氣片的散熱，電器設備的散熱等。例如：室內(nèi)暖氣片的散熱，電器設備的散熱等。例如：暖水瓶等。例如：暖水瓶等。 1.2 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式 熱量傳遞的三種基本方式：熱量傳遞的三種基本方式： 熱傳導熱傳導（conduction） 熱對流熱對流（convection） 熱輻射熱輻

5、射（radiation） 1. 定義：定義： 物體的各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠物體的各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠 分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而 產(chǎn)生的熱量傳遞過程。產(chǎn)生的熱量傳遞過程。 無論固體，液體和氣體，只要有溫度差，無論固體，液體和氣體，只要有溫度差， 在接觸時就會發(fā)生導熱現(xiàn)象。在接觸時就會發(fā)生導熱現(xiàn)象。 單純的導熱，只能發(fā)生在密實的固體中。單純的導熱，只能發(fā)生在密實的固體中。說明說明 1.2.1 熱傳導熱傳導（conduction） 2. 一維穩(wěn)態(tài)導熱的傅里葉定律一維穩(wěn)態(tài)導熱的傅里葉定律 （Fouriers law of o

6、ne-dimensional steady state heat-conduction） 考察兩個表面均維持均勻溫度的大平板導熱考察兩個表面均維持均勻溫度的大平板導熱一維穩(wěn)態(tài)導熱的傅里葉定律：一維穩(wěn)態(tài)導熱的傅里葉定律： 22121/mWttxdtdAqWttAxdtdAwwww一維穩(wěn)態(tài)導熱一維穩(wěn)態(tài)導熱法國數(shù)學法國數(shù)學物理學家物理學家Joseph .Fourier（1768-1830） 熱流量熱流量（heat transfer-rate） 單位單位時間通過給定面積傳遞的熱量。時間通過給定面積傳遞的熱量。W, kW式中：式中： 導熱系數(shù)導熱系數(shù)（the thermal conductivity）

7、反映了材料的導熱能力。反映了材料的導熱能力。 W/(m.K) 2/ mWAqWxdtdAq 熱流密度熱流密度（heat flux） 單位時間通過單位面積傳遞的熱量。單位時間通過單位面積傳遞的熱量。W/m2dt/dx 熱流方向上的溫度梯度。熱流方向上的溫度梯度。 負號的含義負號的含義溫度梯度的溫度梯度的方向？方向？熱量傳遞熱量傳遞的方向？的方向？ 1. 熱對流和對流換熱熱對流和對流換熱 熱對流熱對流 是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分 之間發(fā)生相對位移時，冷熱流體相互摻混所引起的之間發(fā)生相對位移時，冷熱流體相互摻混所引起的 熱量傳遞過程。熱量傳遞過程

8、。 對流換熱對流換熱（convection heat transfer） 流體流過另一個物體表面時，流體流過另一個物體表面時， 流體與物體表面之間發(fā)生的流體與物體表面之間發(fā)生的 對流和導熱聯(lián)合起作用對流和導熱聯(lián)合起作用的熱量的熱量 傳遞現(xiàn)象。傳遞現(xiàn)象。 平壁表面的平壁表面的傳熱機理傳熱機理 1.2.2 熱對流熱對流（convection） 2. 牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式（Newtons law of cooling）2/)()(mWthtthqWtthAfwfw式中：式中：h 對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 。W/m2.K （the convection heat transfe

9、r coefficient） t 壁面及流體間的總溫差。壁面及流體間的總溫差。A 換熱表面積。換熱表面積。英國數(shù)學家，科學家，哲學家牛頓英國數(shù)學家，科學家，哲學家牛頓Isaac Newton（1642年年-1727年）年） 3. 對流換熱系數(shù)對流換熱系數(shù) （1）其大小反映了對流換熱的強弱。其大小反映了對流換熱的強弱。 流體的物性：導熱系數(shù)流體的物性：導熱系數(shù), 粘度粘度, 密度密度, 比熱容等。比熱容等。 流動的成因：自然對流流動的成因：自然對流, 強制對流。強制對流。 流動的形態(tài)：層流流動的形態(tài)：層流, 紊流。紊流。 換熱表面的形狀、大小和布置。換熱表面的形狀、大小和布置。 換熱時流體有無相

10、變：沸騰換熱換熱時流體有無相變：沸騰換熱, 凝結(jié)換熱。凝結(jié)換熱。（3）影響因素：）影響因素：（2）研究對流換熱的主要目的之一）研究對流換熱的主要目的之一 就是確定不同換熱條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的就是確定不同換熱條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的 具體表達式。具體表達式。室內(nèi)暖氣片周圍氣體的自然對流室內(nèi)暖氣片周圍氣體的自然對流 自然對流換熱自然對流換熱地面熱氣體的上升地面熱氣體的上升 強迫對流換熱強迫對流換熱汽車發(fā)動機冷卻汽車發(fā)動機冷卻室內(nèi)外冷熱空氣的交換室內(nèi)外冷熱空氣的交換 物體表面的形狀、大小和布置物體表面的形狀、大小和布置加熱熱水沸騰加熱熱水沸騰冷凝器內(nèi)過熱蒸汽的冷凝冷凝器內(nèi)過熱蒸汽的冷凝 有相變的換熱

11、（沸騰換熱有相變的換熱（沸騰換熱, 凝結(jié)換熱）凝結(jié)換熱）管內(nèi)流動管內(nèi)流動外部繞流外部繞流 幾種對流傳熱過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大致數(shù)值范圍幾種對流傳熱過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大致數(shù)值范圍換熱過程換熱過程介質(zhì)介質(zhì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h W/mh W/m2 2.K .K 自然對流自然對流空氣空氣1-10水水200-1000強制對流強制對流氣體氣體20-100高壓水蒸氣高壓水蒸氣500-35000水水1000-1500水的相變換熱水的相變換熱沸騰沸騰2500-35000蒸汽凝結(jié)蒸汽凝結(jié)5000-25000 熱輻射：物體由于受熱向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。熱輻射：物體由于受熱向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。 1. 熱輻射的

12、有關概念熱輻射的有關概念 1.2.3 熱輻射熱輻射（radiation ） 輻射：是指物體受到某種因素的激發(fā)而向外發(fā)射輻射：是指物體受到某種因素的激發(fā)而向外發(fā)射 輻射能的現(xiàn)象。輻射能的現(xiàn)象。 受熱，電子碰撞，受熱，電子碰撞， 光照，化學反應等。光照，化學反應等。 輻射換熱輻射換熱（radiation heat transfer） 物體物體間以輻射方式進行的包含間以輻射方式進行的包含 輻射與吸收過程綜合結(jié)果的熱量輻射與吸收過程綜合結(jié)果的熱量 傳遞過程。傳遞過程。（2）所有溫度大于）所有溫度大于 0K 的實際物體都具有發(fā)射的實際物體都具有發(fā)射 熱輻射的能力。熱輻射的能力。（3）熱輻射過程中不僅有能

13、量的傳遞，）熱輻射過程中不僅有能量的傳遞， 而且有能量形式的轉(zhuǎn)化。而且有能量形式的轉(zhuǎn)化。（1）可以不依靠中間媒介，在真空中傳播。）可以不依靠中間媒介，在真空中傳播。熱力學能熱力學能熱力學能熱力學能輻射能輻射能 熱輻射的特點熱輻射的特點 2. 輻射的基本計算公式輻射的基本計算公式 黑體輻射的斯忒藩黑體輻射的斯忒藩 - 波耳茲曼定律；波耳茲曼定律；4TA 式中式中: 黑體輻射常數(shù)，黑體輻射常數(shù)，)/(1067. 5428KmW 實際物體輻射熱流量；實際物體輻射熱流量；4TA 式中式中: 物體的發(fā)射率（黑度）。物體的發(fā)射率（黑度）。 實際的傳熱過程實際的傳熱過程熱熱水水對流換熱對流換熱導熱導熱對流換

14、熱對流換熱輻射換熱輻射換熱內(nèi)內(nèi)壁壁外外壁壁周圍周圍環(huán)境環(huán)境 暖氣片的散熱過程：暖氣片的散熱過程： 蒸汽動力裝置中冷凝器的放熱過程：蒸汽動力裝置中冷凝器的放熱過程：凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱導熱導熱對流換熱對流換熱蒸蒸汽汽冷卻冷卻水水管子管子內(nèi)壁內(nèi)壁管子管子外壁外壁 1.3 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù) 傳熱過程傳熱過程（overall heat transfer process） 熱量從固體壁面一側(cè)的流體通過固體壁面?zhèn)鬟f熱量從固體壁面一側(cè)的流體通過固體壁面?zhèn)鬟f 到另一側(cè)流體中的過程。到另一側(cè)流體中的過程。 傳熱過程的三個環(huán)節(jié)：傳熱過程的三個環(huán)節(jié)： 熱量以對流換熱的方式從高溫流體傳給壁面，熱量以對

15、流換熱的方式從高溫流體傳給壁面， 有時還有輻射換熱；有時還有輻射換熱； 熱量以導熱方式由高溫流體壁面?zhèn)鹘o熱量以導熱方式由高溫流體壁面?zhèn)鹘o 低溫流體壁面；低溫流體壁面； 熱量以對流換熱方式從低溫流體壁面?zhèn)鹘o熱量以對流換熱方式從低溫流體壁面?zhèn)鹘o 低溫流體，有時還有與周圍環(huán)境的輻射換熱。低溫流體，有時還有與周圍環(huán)境的輻射換熱。 考察：冷熱流體通過大平壁的熱量傳遞過程考察：冷熱流體通過大平壁的熱量傳遞過程 已知：一塊已知：一塊大平壁大平壁, 導熱系數(shù)導熱系數(shù) =常數(shù)，厚度常數(shù)，厚度 ， 平壁左側(cè)流體平壁左側(cè)流體 tf1, 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h1, 平壁右側(cè)流體平壁右側(cè)流體 tf2 ,表面?zhèn)鳠嵯?/p>

16、數(shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h2, 且且tf1 tf2 . 設平壁兩側(cè)流體溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不隨時間變化設平壁兩側(cè)流體溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不隨時間變化。 分析分析： （1）傳熱過程傳熱過程 ； （2）通過平壁傳遞的熱量。通過平壁傳遞的熱量。 1.3.1 傳熱方程式傳熱方程式1111111111)(hwfwfwfRtthAtttthA高溫側(cè)：高溫側(cè)：通過平壁：通過平壁：RttAttttAwwwwww212121低溫側(cè)：低溫側(cè)：2222222221)(hfwfwfwRtthAtttthA2121212111)(11hhttAhAAhAttffff 穩(wěn)態(tài)傳熱：穩(wěn)態(tài)傳熱：)/()11/(1221KmWhhk 傳熱系

17、數(shù)：傳熱系數(shù)：或表示為；或表示為；)(21ffttkA說明說明傳熱系數(shù)是表征傳熱過程強烈程度的標尺。傳熱系數(shù)是表征傳熱過程強烈程度的標尺。WKRRRRhhk/21 傳熱熱阻：傳熱熱阻： 1.3.2 傳熱熱阻傳熱熱阻（overall thermal resistance）kffhhffffRttRRRtthAAhAtt212121212111t f1t w2tw1t f2R h1R h2R 模擬熱路：模擬熱路： 1.4 傳熱學的發(fā)展簡史和研究方法傳熱學的發(fā)展簡史和研究方法 1.4.1 傳熱學發(fā)展簡史傳熱學發(fā)展簡史 1.4.2 傳熱學的研究方法傳熱學的研究方法 1.理論分析：理論分析： 應用數(shù)學分析理論，求解在給定條件下的微分應用數(shù)學分析理論，求解在給定條件下的微分 方程，確定物體中各點的速度、溫度等函數(shù)。方程，確定物體中各點的速度、溫度等函數(shù)。 2.實驗測定：實驗測定： 在相似原理指導下進行實驗研究。在相似原理指導下進行實驗研究。 3. 數(shù)值模擬：數(shù)值模擬： 傳熱問題數(shù)值計算。傳熱問題數(shù)值計算。在有空調(diào)的房間內(nèi)，夏天和冬天的室溫在有空調(diào)的房間內(nèi)，夏天和冬天的室溫均控制在均控制在20，夏天只需穿襯衫，但冬天，夏天只需穿襯衫，但冬天穿襯衫會感到冷，這是為什么？穿襯衫會感到冷，這是為什么？例題例題1. 壓縮空氣在中間冷卻器的管外流過，壓