傳熱學(xué)1-2 緒論

1、長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering1-3 熱量傳遞的三種基本方式 一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流三、熱輻射 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering一、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)1 、概念 定義：物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導(dǎo)熱。 如：固體與固體之間及固體內(nèi)部的熱量傳遞。 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of M

2、echanical Engineering 氣體、液體、導(dǎo)電固體與非金屬固體的導(dǎo)熱機(jī)理： （ 1 ）氣體：由分子的熱運(yùn)動(dòng)和相互碰撞產(chǎn)生的能量傳遞。 一、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering（ 2 ）導(dǎo)電固體：通過(guò)自由電子在晶格之間的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)熱。（ 3 ）非導(dǎo)電固體：通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)所產(chǎn)生的彈性波來(lái)實(shí)現(xiàn)，即原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 一、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)（4）液體：存兩種不同觀點(diǎn)：一觀點(diǎn)類似于氣體，認(rèn)為是分子熱運(yùn)動(dòng)相互碰撞的結(jié)果；一觀點(diǎn)類似于非導(dǎo)電固體，主要依靠彈性波的作用

3、。 說(shuō)明：只研究導(dǎo)熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律。 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering2 、導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律dxdtA 式中是比例系數(shù)，稱為熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)，負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。 一、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering21qwwttA:熱流量,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某給定面積的熱量W; q:熱流密度,單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量W/m2;A:垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2；：熱導(dǎo)率或?qū)嵯禂?shù), W/(mK).12wwttA 一、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Co

4、nduction)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering 不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同，即使同一種材料導(dǎo)熱系數(shù)值與溫度等因素有關(guān)。金屬材料最高，良導(dǎo)電體也是良導(dǎo)熱體，液體次之，氣體最小。 一、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)例1：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？長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering(1)材料為銅，=375 W/(mK );(2)材料為鋼，=36.4 W/(mK );(3)材料為鉻磚，=2.32 W/(mK )；(4)材料為鉻藻土磚，=0.242 W/(

5、mK )。例題2: 一塊厚度=50 mm 的平板， 兩側(cè)表面分別維持在tw1=300，tw2=100，試求下列條件下的熱流密度：長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering2321mW1028. 905. 010030032. 2wwttq鉻磚：2221mW1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土磚：2621mW105 . 105. 0100300375wwttq銅：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq鋼：解：由一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Eng

6、ineering二、對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)1) 熱對(duì)流：指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程。對(duì)流僅發(fā)生在流體中，對(duì)流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。 1、概念2) 對(duì)流換熱：流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過(guò)程，稱為對(duì)流換熱。 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering2 、對(duì)流換熱的分類 二、對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering1 ）自然對(duì)流： 由于溫度差導(dǎo)致流體各部分的密度不同而引起流體的流動(dòng)。2 ）強(qiáng)

7、制對(duì)流： 由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所造成的流體流動(dòng)。 3 ）沸騰換熱及凝結(jié)換熱 液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對(duì)流換熱，稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱。二、對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering3. 對(duì)流換熱的基本規(guī)律流體被加熱流體被冷卻()()wffwhA tthA thA tt tw 及tf 分別為壁面溫度和流體溫度；h表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2K)牛頓冷卻公式二、對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineeringh的大小與傳熱過(guò)程

8、中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小、相對(duì)位置，而且與流體的流速有關(guān)。 一般地，就介質(zhì)而言，水的對(duì)流換熱比空氣強(qiáng)烈；就換熱方式而言，有相變的強(qiáng)于無(wú)相變的；強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)于自然對(duì)流。 二、對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)對(duì)流換熱研究的基本任務(wù)：用理論分析或?qū)嶒?yàn)的方法推出各種場(chǎng)合下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)系式。 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering自然對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流水相變換熱空氣水氣體高壓水蒸氣水沸騰蒸汽凝結(jié) 1102001000201005003500100015000250035000500025000換熱形式介質(zhì)h/ W/(m

9、2K)表面對(duì)流傳熱系數(shù)的數(shù)值范圍二、對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering三、熱輻射 (Thermal radiation)1. 輻射和熱輻射 物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。 特點(diǎn)：a. 任何物體，只要溫度高于0 K，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)化；d. 具有強(qiáng)烈的方向性；e. 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering 輻射換熱是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，

10、當(dāng)物體與周圍環(huán)境溫度處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過(guò)程仍在不停的進(jìn)行，只是輻射熱與吸收熱相等。三、熱輻射 (Thermal radiation)2. 輻射換熱 輻射與吸收過(guò)程的綜合作用造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering 黑體：把吸收率等于 1 的物體稱黑體，是一種假想的理想物體。 黑體的吸收和輻射能力在同溫度的物體中是最大的，且輻射熱量服從于斯忒藩玻耳茲曼定律。 3. 熱輻射的基本規(guī)律玻耳茲曼定律三、熱輻射 (Thermal radiation)4bAT 斯忒藩玻耳茲曼定律： 其中

11、: T 黑體的熱力學(xué)溫度 K ； b玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），其值為5.6710-8W/(m2K4) ； A輻射表面積，m2 。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering 物體自身向外輻射的熱流量，而不是輻射換熱量； 物體的發(fā)射率（黑度），其值總小于1，它與物體的種類及表面狀態(tài)有關(guān)。4bAT 實(shí)際物體輻射熱流量： 三、熱輻射 (Thermal radiation)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering要計(jì)算輻射換熱量，必須考慮投到物體上的輻射熱量的吸收過(guò)程，即收支平衡量，詳見(jiàn)第八、九章。 僅有兩個(gè)物體的

12、系統(tǒng)，它們之間的輻射換熱熱流量為： 4412()sbA TT s系統(tǒng)發(fā)射率（黑度）。三、熱輻射 (Thermal radiation)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering 導(dǎo)熱、對(duì)流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在的條件下才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可在真空中傳遞，且在真空中輻射能的傳遞最有效。故又稱為非接觸性傳熱。 4. 導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射的評(píng)述 在輻射換熱過(guò)程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。 三、熱輻射 (Thermal radiation)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering

13、熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子運(yùn)動(dòng)的一種宏觀表象。物體的輻射能力與其溫度有關(guān)。 輻射換熱是一種雙向熱流同時(shí)存在的換熱過(guò)程，即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物體向高溫物體輻射熱能。三、熱輻射 (Thermal radiation)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering四、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)既有表面輻射傳熱又有對(duì)流傳熱的現(xiàn)象統(tǒng)稱表面?zhèn)鳠帷r4412()rsbATT 物體表面的總熱流量：A() ()Ah ()crcrwfwfhhtttt Atthfwrr)(rchhh表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanic

14、al Engineering例1-2：一根水平放置的蒸汽管道，其保溫層外徑d=583mm，外表面實(shí)測(cè)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)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42W /(m2K), 保溫層外表面與外空間的系統(tǒng)發(fā)射率s=0.9。問(wèn)：（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(zhǎng)度管道的總散熱量。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering解：（1）管道的散熱方式 （2）把管道每米長(zhǎng)度上的散熱量記為l,c，當(dāng)僅考慮自然對(duì)流時(shí)，單位長(zhǎng)度上的自然對(duì)流散熱：,()l cwfd h tdh tt )/(

15、5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering 近似取室內(nèi)物體及墻壁溫度為室內(nèi)空氣溫度，每米長(zhǎng)度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為：44,12()l rsdTT )/( 7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering1-4 傳熱過(guò)程（總）傳熱過(guò)程：熱量由壁面一側(cè)的流體通過(guò)壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過(guò)程稱傳熱過(guò)程。 1.概念熱水對(duì)流換熱對(duì)流換熱、輻射換熱導(dǎo)熱管內(nèi)壁管

16、外壁周圍環(huán)境管內(nèi)熱水長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering傳熱過(guò)程包括串聯(lián)著的三個(gè)環(huán)節(jié)組成，即： 熱流體 壁面高溫側(cè)； 壁面高溫側(cè) 壁面低溫側(cè)； 壁面低溫側(cè) 冷流體。 2.傳熱過(guò)程的組成若是穩(wěn)態(tài)過(guò)程則通過(guò)串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同。1-4 傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程的剖析長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering3. 傳熱過(guò)程的計(jì)算 )()()(22221111cttAhbttAattAhfwwwwf 針對(duì)穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程，其傳熱環(huán)節(jié)有三種情況，則其熱流量的表達(dá)式如下： 1-4 總傳熱過(guò)程)()(/)(22221111fAh

17、tteAttdAhttfwwwwf長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering1212()11ffA tthh 12()ffAk ttAk t 式中，k 稱為傳熱系數(shù)，單位為W/(m2K)。或：1-4 總傳熱過(guò)程k 的表達(dá)式: 12111khhkA t意義：用來(lái)表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的指標(biāo)。數(shù)值上等于冷熱流體間溫差t1，傳熱面積 A=1m2 時(shí)熱流量的值。k 值越大，傳熱過(guò)程越強(qiáng)，反之，則弱。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering 傳熱系數(shù)的表達(dá)式揭示了傳熱系數(shù)的構(gòu)成，即它等于組成傳熱過(guò)程諸環(huán)節(jié)的1/h1、/及

18、1/h2之和的倒數(shù)。12111khh12111khh串聯(lián)熱阻疊加原則：在一個(gè)串聯(lián)的熱量傳遞過(guò)程中，如果通過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量都相等，則串聯(lián)熱量傳遞過(guò)程的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻之和。1-4 總傳熱過(guò)程長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering 說(shuō)明：若流體與壁面間有輻射換熱現(xiàn)象，則表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)取復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，包含由輻射換熱折算出來(lái)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在內(nèi)。Ak t1A tk1211hh1-4 總傳熱過(guò)程長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering例3：一房屋的混凝土外墻的厚度為=150mm，混凝土的熱導(dǎo)率為=1

19、.5W/(mK)，冬季室外空氣溫度為tf2=-10，有風(fēng)天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=20W/(mK)，室內(nèi)空氣溫度為tf1=25，和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h1=5W/(mK)。假設(shè)墻壁及兩側(cè)的空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都不隨時(shí)間而變化，求單位面積墻壁的散熱損失及內(nèi)外墻壁面的溫度。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering解：已知=150mm，=1.5W/(mK)，tf2=-10，h2=20W/(mK)，tf1=25，h1=5W/(mK) 求：q、tw1、tw2長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering根據(jù)牛

20、頓冷卻公式，對(duì)于內(nèi)、外墻面與空氣之間的對(duì)流換熱，222111fwwftthqtthqChqttfwo551100251111Chqttfwo5201100101222長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering例4：一外徑為0.3m，壁厚為5mm的圓管，長(zhǎng)為5m，外表面平均溫度為80。200的空氣在管外橫向掠過(guò)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為80 (W/m2K）。入口溫度為20的水以0.1m/s的平均速度在管內(nèi)流動(dòng)。如果過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)，試確定水的出口溫度。水的比定壓熱容為4184(J/kgK)，密度為980kg/m3。tw=80 水tin=20u=0.1m/s5m2h=8

21、0/()200fWm KtC，3005長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering解：(1)管外空氣與管子之間的換熱量：WttdlhtthAwfwf45239)80200(53 . 014. 380)()(tw=80 水tin=20u=0.1m/s5m2h=80/()200fWm KtC，3005長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering(2) 過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)，管外空氣所加的熱量由管內(nèi)水帶走，因此：)(inoutpcpsttcuAtcmCtcuAtinpcouto7 .212041844)2005. 03 . 0(

22、1 . 0980452392長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering紙制容器煮開(kāi)水 設(shè)用來(lái)做容器的紙的耐熱溫度 為 1 8 0 ， 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 為0.93W/mK。容器中裝有水，在容器底下用1100的火焰加熱，使水在大氣壓下沸騰?；鹧?zhèn)鹊姆艧嵯禂?shù)為93W/m2K，水側(cè)放熱系數(shù)為2330W/m2K，紙的厚度為0.2mm。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering1001100長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering解法1：設(shè)暴露在火焰之上的紙的表面溫度為t，此時(shí)火

23、焰?zhèn)鬟f給紙與紙傳遞給水的熱流密度q相等，故：21100 10010.0002193.10.93233085900/ mqW212111)(qhhttff長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering熱流密度又與火焰對(duì)紙的放熱量相等。?176t 由計(jì)算可知，紙的實(shí)際溫度在它的耐熱溫度以下，因此也就不怕火焰了。85900) t1100(0 .93q長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering解法2：設(shè)紙的火焰?zhèn)葘?shí)際溫度已經(jīng)達(dá)到180，此時(shí)熱流密度為：25m/108556.0)8011100(0 .93qW?與這一熱流密度

24、相對(duì)應(yīng)的t值在飽和水的沸騰曲線上讀取，大約為15。100twswttto115wtC 即紙的水側(cè)溫度為115。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering設(shè)紙的厚度為m，于是有：593.0q(180115)0.855610?mm71. 0所用紙的最大厚度可達(dá)0.71mm。長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering解法2：設(shè)紙的火焰?zhèn)葘?shí)際溫度已經(jīng)達(dá)到180，此時(shí)熱流密度為：25m/108556. 0)8011100(0 .93qW?設(shè)紙的水側(cè)溫度為tw，則tw=136。wq2330(t100)520.8556 10/mW長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of Mechanical Engineering設(shè)紙的厚度為m，于是有：ww 2tt180136q=/ 0.9310.48mm所用紙的最大厚度可達(dá)0.48mm。520.8556 10/mW長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院School of