第1章 緒論 傳熱學(xué) 南師大 蔡杰老師

1、(1) (1) 日常生活中的例子：日常生活中的例子：a. 人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持20，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？b. 夏天人在同樣溫度（如：25）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？c. 北方寒冷地區(qū)，建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？按溫度與時(shí)間的依變關(guān)系，可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩大類。1.2.1 導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對(duì)流(熱對(duì)流)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間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱

2、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(3)(3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)：導(dǎo)熱的特點(diǎn)：a.必須有溫差；b.物體直接接觸；c.依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；d.在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。Qw1tw2tA圖圖1-2 1-2 導(dǎo)熱熱阻的圖示導(dǎo)熱熱阻的圖示 w 1tw 2tt0 x dxdtQw1w2tttqrw1w2tttRArAR 導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻(4) (4) 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1-2所示，穩(wěn)態(tài) q=const。例題例題1-11-1：一塊厚度=100 mm 的平板， 兩側(cè)表面分別維持在tw1=3

3、00，tw2=100。試求下列條件下的熱流密度。材材料為銅，=375W/(mK )；料為鋼，=36.4W/(mK )；材料為鉻磚，=2.32W/(mK )；材料為鉻藻土磚，=0.242W/(mK )。解：參見圖1-2。及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：32w1w2300-1002.324.64 10 W m0.05ttq鉻磚： 22w1w2300-1000.2424.84 10 W m0.1ttq硅藻土磚：討論：討論：由計(jì)算可見，由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，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(gè)數(shù)量級(jí)。因而，銅是熱的良導(dǎo)體，而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用。62w1w2300

4、-1003750.75 10 W m0.1ttq銅：52w1w2300-10036.40.73 10 W m0.1ttq鋼：定義：定義：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(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。(2)(2)對(duì)流換熱：對(duì)流換熱：當(dāng)流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程，他與單純的對(duì)流不同，具有如下特點(diǎn)： a.導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程； b.必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)； c.也必須有溫差。對(duì)流換熱的分類對(duì)流換熱的分類 無相變：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流 有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱1.2.2 對(duì)流（熱對(duì)流）對(duì)流（熱對(duì)流）w() WhA tt2w(

5、) W/mq Ah tt(4)(4)對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式 熱流量，W；q熱流密度，W/m2；h表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2K) ； A與流體接觸的壁面面積，m2 ；tw固體壁表面溫度，K ；t流體溫度，K。當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量影響影響h因素：因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等1 () = 1hhtthARttqhr(5)(5)對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù)( (表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)) )2w/ ()W/(mK)hA tt1 ()1hhtthARttqhr1 () K/WhRhA21mK/Whrh(6)(

6、6)對(duì)流換熱熱阻：對(duì)流換熱熱阻： 定義：定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象(2)(2)特點(diǎn)：特點(diǎn)：a.任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b.可以在真空中傳播；c.伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d.具有強(qiáng)烈的方向性；e.輻射能與溫度和波長均有關(guān)；f.發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。(3)(3)生活中的例子：生活中的例子： a.當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱； b.冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒有窗簾時(shí)要舒服； c.太陽能傳遞到地面； d.冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0以上，但地面卻可能結(jié)冰。1.2.3 熱輻射熱輻射(Thermal radiati

7、on)(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，它與單純的熱輻射不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣。(5)(5)輻射換熱的特點(diǎn)輻射換熱的特點(diǎn)a.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。b.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)能電磁波能物體熱力學(xué)能c.無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、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。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)心熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他因素，然后，真實(shí)物體的輻射則與黑體進(jìn)行比較和修正，通過實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律。

8、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(qiáng)。 黑體輻射的控制方程：黑體輻射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律 真實(shí)物體則為：(9)(9)兩黑體表面間的輻射換熱：兩黑體表面間的輻射換熱：，4A T4Tq ，4A T4412()ATT)(424121TTq42T1T2T圖圖1-3 兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱41T例題例題1-21-2：一根水平放置的蒸汽管道，其保溫層外徑d=583 mm，外表面實(shí)測平均溫度及空氣溫度分別為tw=48，tf=23，此時(shí)空氣與管道外表面間的自然對(duì)流換熱的

9、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42 W /(m2K)，保溫層外表面的發(fā)射率=0.9。問：（1） 此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式； （2）計(jì)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(duì)流換熱兩種方式。 （2）把管道每米長度上的散熱量記為ql。量為：,wf()3.14 0.583 3.42 (4823)156.5W/ml cqdh tdh tt 近似地取管道的表面溫度為室內(nèi)空氣溫度， 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：44,12844()3.14 0.583 5.67 100.9 (48273)(23273) 274.7W/ml rqdTT 討論：討論：計(jì)算

10、結(jié)果表明，對(duì)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(duì)流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級(jí)，必須同時(shí)予以考慮。當(dāng)僅考慮自然對(duì)流時(shí)，單位長度上的自然對(duì)流散熱1.3 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù)1.3.1 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1.3.2 傳熱過程包含的傳熱方式：傳熱過程包含的傳熱方式：導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射輻射換熱、對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)圖圖1-4 1-4 墻壁的散熱墻壁的散熱1.3.3 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1-5 1-5 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，則左側(cè)對(duì)流換熱熱阻111AhRh固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對(duì)流換熱熱阻221hRAhAR 上面?zhèn)鳠徇^程中傳遞的熱量為：f1f2f1f2121211hh(tt )(tt )RRRAhAAh(1-10)f1f2()Ak ttAkt傳熱系數(shù)k/W/(m2K)，是表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。 傳熱系數(shù)21211111hhrrrhhk單位熱阻或面積熱阻注意：注意：a. k越大，傳熱越好。若要增大k，可增大h1，h2或減小。b. 非穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及有內(nèi)熱源時(shí)，不能用熱阻分析法。c. h1、h2的計(jì)算方法及增加k值的措施是本課程的重要內(nèi)容。思考題：思考題：1.熱量傳遞的三種基本方式。2.一維大平壁導(dǎo)熱的基本表達(dá)式及其中