傳熱學(xué)-第一章

1、 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué) 任課教師：王秀春任課教師：王秀春參參 考考 書書v 教材教材: 傳熱學(xué)傳熱學(xué) 楊世銘、陶文銓編著，第三版楊世銘、陶文銓編著，第三版v傳熱學(xué)傳熱學(xué) 趙振南趙振南v數(shù)值傳熱學(xué)數(shù)值傳熱學(xué) 陶文銓編著陶文銓編著v對流換熱對流換熱 楊強生楊強生v凝結(jié)和沸騰凝結(jié)和沸騰施明恒等編著施明恒等編著v輻射換熱輻射換熱 余其錚編著余其錚編著v Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Millsv Heat Transfer , by J.P.Holman（有中譯本）（有中譯本）v Fundamentals of Heat Transfer, by F

2、. P. Incropera, D.P. DeWitt （有中譯（有中譯本）本） 課程要求v重要性： 1.熱能工程專業(yè)的基礎(chǔ)課：傳熱學(xué)是研究熱量傳遞的科學(xué)。傳熱學(xué)不僅是能源動力類專業(yè)的基礎(chǔ)課,也是一門與工業(yè)領(lǐng)域密切相關(guān)的專業(yè)課。根據(jù)教育部熱工課程指導(dǎo)委員會調(diào)查統(tǒng)計，原國家教委公布的本科專業(yè)國家修訂方案的個大類工科專業(yè)中，傳熱學(xué)知識對其中的個大類專業(yè)的生產(chǎn)與科研活動有重要影響。（國外很多大學(xué)作為工科基礎(chǔ)課） 2.考研課程 3.前沿交叉學(xué)科：微尺度傳熱、生物醫(yī)學(xué)等（留學(xué)熱門）v培養(yǎng)目標(biāo)：具有良好的知識、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)，獲得基本訓(xùn)練的高級工程人才。畢業(yè)后即可在生產(chǎn)一線從事設(shè)計、制造、運行、研究開發(fā)、

3、營銷管理；又可繼續(xù)深造攻讀更高學(xué)位。v 要求：厚基礎(chǔ)、強能力、高素質(zhì)、有特色。 自學(xué)、領(lǐng)悟掌握物理機理。 紀(jì)律與學(xué)術(shù)活躍并重傳熱學(xué)課程的學(xué)習(xí)要求與考核方法傳熱學(xué)課程的學(xué)習(xí)要求與考核方法：10%10% 期末考試：期末考試： 70%70%第第一章章 緒緒 論論1-0 概概 述述 1. 1. 傳熱學(xué)（傳熱學(xué)（Heat TransferHeat Transfer） （1）傳熱學(xué)的）傳熱學(xué)的 傳熱學(xué)主要研究熱量傳遞的規(guī)律以及控制和優(yōu)化熱傳熱學(xué)主要研究熱量傳遞的規(guī)律以及控制和優(yōu)化熱量傳遞過程的方法量傳遞過程的方法。熱量熱量:在溫差的作用下傳遞的在溫差的作用下傳遞的熱能熱能的數(shù)量。由于溫差幾的數(shù)量。由于溫差

4、幾乎無處不在，所以熱量傳遞是日常生活和生產(chǎn)實踐乎無處不在，所以熱量傳遞是日常生活和生產(chǎn)實踐中普遍存在的物理現(xiàn)象。中普遍存在的物理現(xiàn)象。熱能熱能: 即即熱力學(xué)能。熱力學(xué)能。氫、酒精等二次能源氫、酒精等二次能源 燃料電池燃料電池 電電 能能 機械能機械能 輻射能輻射能熱熱 能能風(fēng)能、水能、海洋能風(fēng)能、水能、海洋能 機機 械械 機械能機械能直接利用直接利用發(fā)電機發(fā)電機 煤、石油、天然氣煤、石油、天然氣 熱熱 能能熱機熱機直接利用直接利用核核 能能核反應(yīng)核反應(yīng) 太陽能太陽能光合作用光合作用生物質(zhì)能生物質(zhì)能燃燒燃燒食物利用食物利用集熱器集熱器光電池光電池90燃燒燃燒 （2）傳熱學(xué)的主要）傳熱學(xué)的主要2.

5、 2. 傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系(1) 熱力學(xué) + 傳熱學(xué) = 熱科學(xué)(Thermal Science) 系統(tǒng)從一個平衡態(tài)到系統(tǒng)從一個平衡態(tài)到另一個平衡態(tài)的過程另一個平衡態(tài)的過程中傳遞熱量的多少。中傳遞熱量的多少。 關(guān)心的是熱量傳關(guān)心的是熱量傳遞的過程，即熱遞的過程，即熱量傳遞的速率。量傳遞的速率。熱力學(xué)：傳熱學(xué)：tm)(),(fzyxt水，M220oC鐵塊, M1300oC圖1-1 傳熱學(xué)與熱力學(xué)的區(qū)別(2) 傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即 始終從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩磦鬟f，如果沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，則 始終是守恒的3 3 傳熱學(xué)應(yīng)用實例傳熱學(xué)應(yīng)用實例 自然界與

6、生產(chǎn)過程到處存在溫差自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差 傳熱很普遍傳熱很普遍 b b 夏天人在同樣溫度（如：夏天人在同樣溫度（如：2525度）的空氣和水中的感度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？（泰坦尼克號男女主人公在水中覺不一樣。為什么？（泰坦尼克號男女主人公在水中和救生筏上命運不同）和救生筏上命運不同）a a 人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和 冬天都保持冬天都保持2020度，那么在冬天與夏天、人在房間里所度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？穿的衣服能否一樣？為什么？c 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以北方寒冷地區(qū)，建

7、筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？d 深秋的晴朗早晨，地上的植物葉子會結(jié)霜。深秋的晴朗早晨，地上的植物葉子會結(jié)霜。是上表面還是下表面結(jié)霜？是上表面還是下表面結(jié)霜？(2) (2) 特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題(3) (3) 幾個特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用幾個特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用a a 航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行

8、器空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（Ma=10Ma=10）冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電）冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽能高空無人飛機火箭、化學(xué)火箭）；太陽能高空無人飛機動力、化工、制冷、建筑、機械制造、新能源、微電子、動力、化工、制冷、建筑、機械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機電系統(tǒng)（核能、航空航天、微機電系統(tǒng)（MEMSMEMS）、新材料、軍事）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)b b 微電子：微電子： 電子芯片冷卻電子芯片冷卻c c 生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑煟簧镄酒?；組織與器生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑煟?/p>

9、生物芯片；組織與器 官的冷凍保存官的冷凍保存d d 軍軍 事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存e e 制制 冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/ /熱泵；高溫?zé)岜茫桓邷?水源熱泵水源熱泵f f 新新 能能 源：太陽能；燃料電池源：太陽能；燃料電池4 4 傳熱過程的分類傳熱過程的分類按溫度與時間的依變關(guān)系，可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩大類。按溫度與時間的依變關(guān)系，可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩大類。5. 5. 傳熱學(xué)發(fā)展簡史傳熱學(xué)發(fā)展簡史1818世紀(jì)世紀(jì)3030年代工業(yè)化革命促進(jìn)了傳熱學(xué)的發(fā)展年代工業(yè)化革命促進(jìn)了傳熱學(xué)的發(fā)展v導(dǎo)熱（導(dǎo)熱（Heat conducti

10、onHeat conduction）鉆炮筒大量發(fā)熱的實驗（鉆炮筒大量發(fā)熱的實驗（B. T. Rumford, 1798B. T. Rumford, 1798年）年）兩塊冰摩擦生熱化為水的實驗（兩塊冰摩擦生熱化為水的實驗（H. Davy, 1799H. Davy, 1799年）年）導(dǎo)熱熱量和溫差及壁厚的關(guān)系（導(dǎo)熱熱量和溫差及壁厚的關(guān)系（J. B. Biot, 1804J. B. Biot, 1804年）年）Fourier Fourier 導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律 (J. B. J. Fourier , 1822 (J. B. J. Fourier , 1822 年）年）G. F. B. Riemann/

11、 H. S. Carslaw/ J. C. G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M. Jakob Jaeger/ M. Jakob v導(dǎo)熱：v1730年英國工業(yè)革命推動：熱素說v1898、99輪福特和戴維的鉆炮筒發(fā)熱和冰塊摩擦生熱：熱來源于物體內(nèi)部運動v1807、1822付里葉“熱的解析理論”熱傳導(dǎo)基本定律 （從能量守恒出發(fā)）導(dǎo)熱微分方程v對導(dǎo)熱微分方程的求解促進(jìn)了數(shù)學(xué)科學(xué)的發(fā)展：v穩(wěn)態(tài)：一、二、三維；v非穩(wěn)態(tài)、忽略內(nèi)部溫度梯度：集總參數(shù)法；v非穩(wěn)態(tài)一維：級數(shù)解、諾謨圖、近似解；v數(shù)值解v對流換熱對流換熱 （Convection hea

12、t transferConvection heat transfer）不可壓縮流動方程不可壓縮流動方程 （M.Navier,1823M.Navier,1823年年) )流體流動流體流動Navier-StokesNavier-Stokes基本方程基本方程 (G.G.Stokes,1845(G.G.Stokes,1845年）年）雷諾數(shù)雷諾數(shù)(O.Reynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年）自然對流的理論解（自然對流的理論解（L.Lorentz, 1881L.Lorentz, 1881年）年）管內(nèi)換熱的理論解（管內(nèi)換熱的理論解（L.Graetz, 1885L.Graetz, 1

13、885年；年；W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年）凝結(jié)換熱理論解凝結(jié)換熱理論解 （W.Nusselt, 1916W.Nusselt, 1916年）年）強制對流與自然對流無量綱數(shù)的原則關(guān)系強制對流與自然對流無量綱數(shù)的原則關(guān)系 （W.Nusselt,1909W.Nusselt,1909年年/1915/1915年）年）流體邊界層概念流體邊界層概念 （L.Prandtl, 1904L.Prandtl, 1904年）年）熱邊界層概念熱邊界層概念 （E.Pohlhausen, 1921E.Pohlhausen, 1921年）年）湍流計算模型湍流計算模型 （L.Prandtl,1

14、925L.Prandtl,1925年；年；Th.Von Karman, Th.Von Karman, 19391939年；年；R.C. Martinelli, 1947R.C. Martinelli, 1947年）年） v1701年牛頓提出牛頓冷卻定律；v1823和1845年納維和斯托克斯隊流動的數(shù)學(xué)描述：納維-斯托克斯方程復(fù)雜無法求解；v打破僵局：v1）1880，雷諾提出無量綱物理量-雷諾數(shù)；1909和1915努塞爾的無量綱分析法奠定了試驗的基本方法；v2）1904年普朗特提出邊界層理論，使N-S方程得到簡化，可以解析求解v熱輻射及輻射換熱熱輻射及輻射換熱(Thermal radiation

15、)(Thermal radiation)黑體輻射黑體輻射1803年發(fā)現(xiàn)紅外線才被確認(rèn)19世紀(jì)末的斯蒂芬-波爾茲曼定律-黑體輻射基本定律；挑戰(zhàn)：黑體輻射的光譜能量分布1896年維恩和瑞利、金斯的公式缺陷；直到1900年普朗克的量子假設(shè)的懷疑 愛因斯坦提出的光量子學(xué)說后才被人們接受。普朗克定律奠定了熱輻射理論的基礎(chǔ)；輻射換熱的兩個重要問題：1）發(fā)射率與吸收比的關(guān)系-1860年基爾霍夫定律； 光譜能量分布的實驗數(shù)據(jù)光譜能量分布的實驗數(shù)據(jù)(O.Lummer,1889(O.Lummer,1889年）年）黑體輻射能量和溫度的關(guān)系黑體輻射能量和溫度的關(guān)系(J.Stefan and (J.Stefan and

16、 L.Botzmann,1889L.Botzmann,1889年）年）黑體輻射光譜能量分布的公式黑體輻射光譜能量分布的公式v維恩公式（維恩公式（18961896年）年）/Rayleigh-Jeans/Rayleigh-Jeans公式公式v能量子假說能量子假說 （M. Planck,1900M. Planck,1900年）年）/ /光量子理論光量子理論（A.Einstein,1905A.Einstein,1905年）年）物體的發(fā)射率與吸收比的關(guān)系（物體的發(fā)射率與吸收比的關(guān)系（G.Kirchhoff,1859G.Kirchhoff,1859年年/1860/1860年）年）物體間輻射換熱的計算方法物

17、體間輻射換熱的計算方法 （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數(shù)值傳熱學(xué)數(shù)值傳熱學(xué) （19701970年）年）近年來的數(shù)值法得到飛速發(fā)展： 離散化 代數(shù)方程組 求解方法近年來，科技領(lǐng)域的重大發(fā)展對傳熱學(xué)的教材、教學(xué)產(chǎn)生了重大影響 年代世界能源危機促進(jìn)了強化傳熱的研究； 核能工程的發(fā)展促進(jìn)了多向流傳熱的研究； 電子器件冷卻技術(shù)的發(fā)展為傳熱學(xué)提供了許多強化傳熱課題； 計算機與信息技術(shù)的發(fā)展使數(shù)值傳熱學(xué)普遍被傳熱學(xué)教材 采納為一個重要內(nèi)容； 航

18、空航天事業(yè)的發(fā)展，增強了輻射換熱、超級絕熱材料和熱管 的內(nèi)容； 全球日益嚴(yán)重的環(huán)境問題對傳熱學(xué)教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生了極大影響； 可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及新能源、可再生能源的開發(fā)對傳熱學(xué)教學(xué) 內(nèi)容產(chǎn)生了極大影響； 納米技術(shù)的興起也對傳熱學(xué)的基本內(nèi)容提出了新的要求。1-1 1-1 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式1 1 導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)(Conduction)熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱( (熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)) )、對流、對流( (熱對流熱對流) )和熱輻射和熱輻射。(1)(1)定義：定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體指溫度不同的

19、物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒間直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象子熱運動而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象(2)(2)物質(zhì)的屬性：物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生可以在固體、液體、氣體中發(fā)生(3)(3)導(dǎo)熱的特點：導(dǎo)熱的特點：a a 必須有溫差；必須有溫差；b b 物體直接接觸；物體直接接觸；c c 依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量；熱量；d d 在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實固體在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實固體中。中。(4)(4)導(dǎo)熱的基本定律：

20、導(dǎo)熱的基本定律： 1822年，法國數(shù)學(xué)家Fourier: 只要物體存在溫度差，即溫度梯度，能量就會從高溫區(qū)向低溫區(qū)轉(zhuǎn)移。單位時間內(nèi)通過某處的導(dǎo)熱熱量與當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓剩囟忍荻龋┘懊娣e（與法向溫度梯度垂直的面積）成正比。 圖圖1-2 1-2 一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱t(yī)0 x dxdtQ* ：熱流量，單位時間傳遞的熱量：熱流量，單位時間傳遞的熱量W；q：熱流密度，單位時間通過：熱流密度，單位時間通過單位面積傳遞的熱量；單位面積傳遞的熱量；A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2； ：導(dǎo)：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）W/( m K)。負(fù)號表示熱量傳遞的方向與溫度梯。

21、負(fù)號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向（溫度升高的方向）相反。度的方向（溫度升高的方向）相反。W ddxtA2mW ddxtAq上式稱為上式稱為FourierFourier定律，號稱導(dǎo)熱基本定律，是一個一定律，號稱導(dǎo)熱基本定律，是一個一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。其中：維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。其中：(6) (6) 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻 如圖如圖1-31-3所示，穩(wěn)態(tài)所示，穩(wěn)態(tài) q = const q = const，于是積分，于是積分FourierFourier定律有：定律有：210 dd21wwttttqtxqww(5) (5) 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，與材

22、料種表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，與材料種類和溫度關(guān)。類和溫度關(guān)。氣體液體非金屬固體金屬1wt2wtA圖圖1-3 1-3 導(dǎo)熱熱阻的圖示導(dǎo)熱熱阻的圖示 1wt2wtt0 x dxdtrtttqww21RtAttww21rAR 導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻例例 題題 1-11-1例題例題 1-1 1-1 一塊厚度一塊厚度=50 =50 mm mm 的平板，的平板， 兩側(cè)表面分別維兩側(cè)表面分別維持在持在.100,30021CtCtowow試求下列條件下的熱流密度。試求下列條件下的熱流密度。材料為銅，材料為銅，=375 =375 w/(mK );w/(mK );材料為鋼，材料為

23、鋼， =36=36.4.4 w/(mK );w/(mK );材料為鉻磚，材料為鉻磚， =2.=2.3232 w/(mK )w/(mK )；材料為硅藻土磚，材料為硅藻土磚， =0.=0.242242 w/(mK )w/(mK )。解：參見圖解：參見圖1-31-3。 及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：2321mW1028. 905. 010030032. 2wwttq鉻磚：鉻磚： 2221mW1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土磚：硅藻土磚：討論：討論：由計算可見，由計算可見， 由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，別， 導(dǎo)致在相

24、同的條件下通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土導(dǎo)致在相同的條件下通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個數(shù)量級。磚的導(dǎo)熱量大三個數(shù)量級。 因而，銅是熱的良導(dǎo)體，因而，銅是熱的良導(dǎo)體， 而而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用硅藻土磚則起到一定的隔熱作用2621mW105 . 105. 0100300375wwttq銅：銅：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq鋼：鋼：復(fù)習(xí)：v1 傳熱學(xué)的研究內(nèi)容v 2 傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系 ：v 3 傳熱學(xué)應(yīng)用實例 v4 傳熱過程的分類導(dǎo)熱 ：(1) 定義 (2) 物質(zhì)的屬性 (3) 導(dǎo)熱的特點 (4) 導(dǎo)熱的基本定律 (5) 導(dǎo)熱系數(shù)思

25、考：一維傅立葉定律的基本表達(dá)式及其中各一維傅立葉定律的基本表達(dá)式及其中各物理量的定義。物理量的定義。定義定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之 間，由于發(fā)生相對的宏觀運動而把熱量由一處間，由于發(fā)生相對的宏觀運動而把熱量由一處 傳遞到另一處的現(xiàn)象。傳遞到另一處的現(xiàn)象。2 2 對流（熱對流）對流（熱對流）(Convection)(Convection)(2) (2) 對流換熱對流換熱：當(dāng)流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，它與當(dāng)流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，它與單純的對流不同，具有如下特點：單純的對流不同，具有如下特點： a a 導(dǎo)熱與熱對流同

26、時存在的復(fù)雜熱傳遞過程導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程 b b 必須有流體與壁面直接接觸和宏觀運動；流體與壁面也必須有流體與壁面直接接觸和宏觀運動；流體與壁面也 必須有溫差必須有溫差 c c 壁面處會形成速度梯度很大的邊界層壁面處會形成速度梯度很大的邊界層 對流換熱的分類對流換熱的分類 無相變：強迫對流和自然對流無相變：強迫對流和自然對流 有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱圖圖1-4 1-4 對流換熱中邊界層的示意圖對流換熱中邊界層的示意圖W )(tthAw2mW )( fwtthAqConvection heattransfer coefficient(4) (4) 對

27、流換熱的基本計算公式對流換熱的基本計算公式牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 熱流量W，單位時間傳遞的熱量q2mW 熱流密度K)(mW2A2m 與流體接觸的壁面面積wt C 固體壁表面溫度t 流體溫度 C對流換熱的機理v壁面處u=0,只有導(dǎo)熱存在，壁面處的換熱機理是導(dǎo)熱。可用付利葉定律計算。v為什么還要考慮流體的流速u呢？ 因為溫度梯度dt/dn與流體速度有關(guān)， 流速越大dt/dn越大，熱量傳遞越快。 當(dāng)流體與壁面溫度相差當(dāng)流體與壁面溫度相差1 1度時、每單位壁面面積上、度時、每單位壁面面積上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量。單位時間內(nèi)所傳遞的熱量。對流換熱系數(shù)與過程有關(guān)，對流換熱系數(shù)與過程有關(guān)

28、，不是物性參數(shù)。不是物性參數(shù)。)( ttAhwK)(mW2影響影響h h因素：因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等流速、流體物性、壁面形狀大小等hhrthtqRthAt 1 )(1（Convection heat transfer coefficientConvection heat transfer coefficient）(5) (5) 對流換熱系數(shù)對流換熱系數(shù)( (表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)) )hhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrhThermal resistance for convectionThermal resistance for conve

29、ction(6) (6) 對流換熱熱阻：對流換熱熱阻： h W /( m2K) 225 501000 25250 5025000 2500100000 2000100000(1) (1) 定義定義：由熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象：由熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象熱輻射熱輻射(Thermal radiation)(Thermal radiation)(2)(2) 特點特點：a a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K0 K，就會不停地向，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；周圍空間發(fā)出熱輻射；b b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c c 伴隨能量形伴隨能量形

30、式的轉(zhuǎn)變；式的轉(zhuǎn)變；d d 具有強烈的方向性；具有強烈的方向性；e e 輻射能與溫度和波長均輻射能與溫度和波長均有關(guān)；有關(guān)；f f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4 4次方。次方。 (3) (3) 生活中的例子：生活中的例子： a a 當(dāng)你靠近火的時候，會感到面向火的一面比背面熱；當(dāng)你靠近火的時候，會感到面向火的一面比背面熱； b b 冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會感到比沒有窗簾時冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會感到比沒有窗簾時 要舒服；要舒服； c c 太陽能傳遞到地面太陽能傳遞到地面 d d 冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在00以上，但地面卻可能以上，但

31、地面卻可能 結(jié)冰。結(jié)冰。圖圖1 16 6(5) (5) 輻射換熱的特點輻射換熱的特點a a 不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在 真空中就可以傳遞能量真空中就可以傳遞能量b b 在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能 電磁波能電磁波能 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能c c 無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁 波能、相波能、相 互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物 體輻射

32、給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫體輻射給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫(4) (4) 輻射換熱：輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同，就像對流和對流換熱一樣，熱輻射不同，就像對流和對流換熱一樣，( (參照圖參照圖1 16)6)。 (6) (6) 輻射換熱的研究方法：輻射換熱的研究方法：假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他因素，然后，真實物體的輻射射的共性規(guī)律，忽略其他因素，然后，真實物體的輻射則與黑體進(jìn)行比較和修正，通過實驗獲得修正系數(shù)，從則與黑體進(jìn)行比較和修正，通過實

33、驗獲得修正系數(shù)，從而獲得真實物體的熱輻射規(guī)律而獲得真實物體的熱輻射規(guī)律(7) (7) 黑體的定義：黑體的定義：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長，因此，相同溫度下，物體，包括所有方向和所有波長，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強黑體的吸收能力最強 黑體輻射的控制方程：黑體輻射的控制方程： Stefan-Boltzmann Stefan-Boltzmann 定律定律 ，4TA4Tq ，4TA真實物體則為：真實物體則為： 式中A為輻射表面積m2,T為熱力學(xué)溫度K，為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，或稱黑體輻射常數(shù)，其值為5.67*10-8W/(

34、m2K4)為實際物體的發(fā)射率，又稱黑度，其值小于1。由于實際物體的輻射能不完全與溫度的4次方成正比，為簡化按4次方計算，所產(chǎn)生的誤差放到中修正。)(424121TTq42T1T2T圖圖1 17 7 兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱41T（9 9） 兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱 ( (參見圖參見圖1 17)7)：)(4241TTA（10）物體被包圍在大表面空腔內(nèi)時兩表面間的輻射換熱 當(dāng)一溫度為T1，面積為A1，發(fā)射率1的實際物體被包圍在溫度為T2，面積為A2，發(fā)射率2的大表面空腔內(nèi)時兩表面間的輻射換熱可按下式計算： =1*A1*(T14-T24）v上式的推導(dǎo)將在第八章

35、講解例例 題題 1-21-2v 一根水平放置的蒸汽管道， 其保溫層外徑d=583 mm，外表面實測平均溫度及空氣溫度分別為 ，此時空氣與管道外表面間的自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42 W /(m2 K), 保溫層外表面的發(fā)射率CtCtfw23,489 . 0問：（1） 此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式； （2）計算每米長度管道的總散熱量。解：解：（1）此管道的散熱有輻射換熱和自然對流換熱兩種方式。（2）把管道每米長度上的散熱量記為lq量為：)(,fwclttdhthdq)/( 5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW近似地取室內(nèi)物體及墻壁表面溫度為室內(nèi)空氣溫度，

36、于是每米長度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為：)(4241,TTdqrl)/(7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW討論： 計算結(jié)果表明， 對于表面溫度為幾十?dāng)z氏度的一類表面的散熱問題， 自然對流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級，必須同時予以考慮。當(dāng)僅考慮自然對流時，單位長度上的自然對流散熱作業(yè)v1-6，8，9，12，13，14v第四版：1-9，11，12，15，17，181-2 1-2 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù)1 1 傳熱過程的定義：傳熱過程的定義：兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的換熱兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的換熱2 2 傳熱

37、過程包含的傳熱方式：傳熱過程包含的傳熱方式：導(dǎo)熱、對流、熱輻射導(dǎo)熱、對流、熱輻射輻射換熱、輻射換熱、對流換熱、對流換熱、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)圖圖1 18 8 墻壁的散熱墻壁的散熱3 3 一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞圖圖1 19 9 一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程忽略熱輻射換熱，則忽略熱輻射換熱，則左側(cè)對流換熱熱阻左側(cè)對流換熱熱阻111AhRh固體的導(dǎo)熱熱阻固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對流換熱熱阻右側(cè)對流換熱熱阻221hRAhAR 1w1f1Ah tt1w111fttAhf1w11httRw1w2ttAw1w2ttAw1w2ttR2w2f2Ah ttw2f221ttAhw2f22ht

38、tR穩(wěn)態(tài)時上面三式的穩(wěn)態(tài)時上面三式的相等，相等，傳熱過程中傳遞的熱量為：傳熱過程中傳遞的熱量為：2121212111)()(AhAAhttRRRttffhhff(1-10)tAkttAkff)(21傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) ，是表征傳熱過程強烈程度的標(biāo)尺，是表征傳熱過程強烈程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。KmW2 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)21211111hhrrrhhk單位熱阻或面積熱阻單位熱阻或面積熱阻串聯(lián)熱阻的疊加原理v傳熱系數(shù)的表達(dá)式可以改寫為傳熱系數(shù)的表達(dá)式可以改寫為v稱為傳熱過程單位熱阻或面積熱阻，適用平壁情況。稱為傳熱過程單位熱阻或面積熱阻，適用平壁情況。v或或v稱

39、為傳熱過程熱阻，適用面積變化情況。稱為傳熱過程熱阻，適用面積變化情況。21111hhK21111AhAAhAKv串聯(lián)熱阻的疊加原則是：在一個串聯(lián)的熱量傳遞過程中，如果各個環(huán)節(jié)的熱流量都相等，則各串聯(lián)環(huán)節(jié)的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻的和。？問題：書思考題7a ） k k 越大，傳熱越好。若要增大越大，傳熱越好。若要增大 k k，可增大，可增大或減小21 , ,hhc ） h h1 1、h h2 2的計算方法及增加的計算方法及增加k k值的措施是本課程的重要值的措施是本課程的重要 內(nèi)容。內(nèi)容。d) Kd) K與過程有關(guān)，不是物性參數(shù)。與過程有關(guān)，不是物性參數(shù)。注意：注意：b ）非穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及有內(nèi)

40、熱源時，不能用熱阻分析非穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及有內(nèi)熱源時，不能用熱阻分析法法4.例題（1-23）123tf1tf21）室內(nèi)外無風(fēng)2）室外有風(fēng) h2變大，K變大，tf1-tf2不變，則變大。 由=Ah1(tf1-tw1)，A,h1不變時，tf1-tw1變大；由=A /(tw1-tw2),A、不變時， tw1-tw2變大；同理，tw2-tf2變小。tAkttAkff)(2121211111hhrrrhhk1-3.分析傳熱問題的方法1）能量的守恒要求v控制體積中的能量守恒問題：v控制體積：被一個控制表面所包圍的某一確定的空間，能量和物質(zhì)可以通過這個控制表面?？刂票砻嬗锰摼€表示。v控制體積的能量守恒要求表達(dá)

41、如下：v進(jìn)入控制體積的能量（熱能和機械能）減去流出控制體積的能量加上控制體積內(nèi)產(chǎn)生的能量等于控制體內(nèi)能量的變化量貯存的能量 in-out+g=st （1） 進(jìn)入-流出+產(chǎn)生=貯存vin和out包括導(dǎo)熱、對流、輻射三種方式傳遞的能量。如果是流體還包括流體輸入、輸出的能量。如h+v2+gz,即熱能、動能、勢能，一般動能和勢能忽略不計。g可用化學(xué)能，核變反應(yīng)，通電電能，電磁能等。當(dāng)產(chǎn)生時為正，稱熱源。如吸熱，為負(fù)，稱熱匯。st，只和控制體積內(nèi)能量增加（st0）和減少（st0）有關(guān)，如熱平衡時，控制體內(nèi)能量不增不減，就沒有能量的貯存，st=0。2）表面能量平衡 常在介質(zhì)表面運用能量守恒解法。因表面之內(nèi)

42、既無質(zhì)量也無體積，所以方程（1）中的產(chǎn)生項g和貯存項st都不存在。 只有：in-out=0 （2） 式（2）在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)都適用。對圖一.可列出表面熱平衡式：cond= conv+ rad （3） 再利用 cond= -Adt/dx (一維，恒溫，穩(wěn)態(tài)) conv=hAt=hA (tw-t) qad=A(Tw-tsur) (表示大空腔問題)帶入方程（3） ，即可求解tw(即t2)。3）應(yīng)用能量守恒的解法（1）確定所研究系統(tǒng)的邊界 用虛線劃出控制體和表面。（2）仔細(xì)考慮問題的物理內(nèi)容，判明能量傳輸過程， 并用箭頭標(biāo)明每一種傳輸過程。（3）寫出能量守恒方程，并把方程中的各項用能量傳輸方程代入。 v解題步驟要求按以下程式：*（1）已知： 仔細(xì)閱題寫出和題中提供相同的已知條件*（2）求：*（3）示意圖： 幾何邊界，控制表面，用箭頭標(biāo)出傳輸過程*（4）假定： 列出全部你認(rèn)為恰當(dāng)?shù)暮喕僭O(shè)（5）