課件-傳輸原理傳熱學-第一章

2023/2/71AAAA

傳熱學

（HeatTransfer）2023/2/72教材《材料加工冶金傳輸原理》吳樹森編著2023/2/73《HeatTransfer》(2ndEdition),byAnthonyF.Mills《FundamentalsofHeatandMassTransfer》F.P.Incropera,D.P.DeWitt《對流換熱》V.S.阿巴茲《凝結和沸騰》施明恒等編著《數值傳熱學》陶文銓編著《輻射換熱》余其錚編著《傳熱學》楊世銘、陶文銓編著，第三版參考書2023/2/74第一章緒論

1傳熱學的研究內容(1)

定義

2

傳熱學與熱力學的區(qū)別(2)屬性：

3傳熱學應用實例(3)

特點

4傳熱過程的分類(4)

基本定律

5熱傳導(5)

關鍵系數

6熱對流

7熱輻射

8傳熱過程和傳熱系數2023/2/75第一章緒論§1-0概述

1.傳熱學的研究對象

(2)

熱量傳遞過程的推動力？(1)傳熱學：研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學，研究熱能傳遞的規(guī)律以及控制和優(yōu)化熱能傳遞過程的方法。熱力學第二定律有溫差就會有傳熱2023/2/762.傳熱學與熱力學的區(qū)別熱力學

系統(tǒng)從一個平衡態(tài)到另一個平衡態(tài)的過程中傳遞熱量的多少。傳熱學

關心的是熱量傳遞的過程，即熱量傳遞的速率。熱力學：傳熱學：水，M220oC鐵塊,M1300oC2023/2/773.傳熱學應用實例

自然界與生產過程到處存在溫差

傳熱很普遍

b夏天人在同樣溫度（如：25度）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？(1)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？2023/2/78傳熱學的重要性傳熱學是熱工系列課程教學的主要內容之一，是本專業(yè)必修的專業(yè)基礎課，理論性、應用性極強。是否能夠熟練掌握課程的內容，直接影響到后續(xù)專業(yè)課的學習效果。通過學習能熟練掌握傳熱過程的基本規(guī)律、實驗測試技術及分析計算方法，從而達到認識、控制、優(yōu)化傳熱過程的目的。2023/2/7920世紀70年代20世紀90年代10w/cm2100w/cm2集成電路芯片航空航天（1）高溫葉片氣膜冷卻；（2）火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；（3）衛(wèi)星與空間站熱控制；（4）空間飛行器重返大氣層冷卻；（5）超高音速飛行器冷卻；（6）核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學火箭）；太陽能高空無人飛機3傳熱學應用實例(續(xù))2023/2/7103傳熱學應用實例(續(xù))生物醫(yī)學：腫瘤高溫熱療；生物芯片；組織與器官的冷凍保存軍事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存制冷：跨臨界二氧化碳汽車空調/熱泵；高溫水源熱泵新能源：太陽能；燃料電池2023/2/711高溫熱源吸熱Q1熱機Wnet放熱Q2低溫熱源

要想提高能源的利用率，必須具備傳熱學的基礎知識，掌握熱能傳遞的規(guī)律以及控制和優(yōu)化熱能傳遞過程的方法。

以火力發(fā)電廠為例：2023/2/712

汽車發(fā)動機冷卻2023/2/713壓縮制冷空調2023/2/714汽車空調機組2023/2/714后蒸發(fā)器后蒸發(fā)器節(jié)流閥壓縮機冷凝器2023/2/715

航空航天：發(fā)動機的冷卻問題2023/2/716

航空航天：載人航天器的熱控制與熱保護問題2023/2/717哥倫比亞航天飛機事故（2003）2023/2/718

電子器件的散熱問題2023/2/719掌握傳熱學的基本概念、基本理論與基本分析計算和實驗研究方法，為后續(xù)專業(yè)課程及研究生課程的學習，為今后研究、處理、解決實際的傳熱工程問題奠定必要的技術理論基礎。（3）傳熱學的主要研究方法:

理論分析數值模擬實驗研究比擬（類比）法

傳熱學課程學習的主要目的：2023/2/720t0xQ800C20C4傳熱過程的分類穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)t0x突然加熱到800C20C2023/2/721§1-1熱量傳遞的三種基本方式導熱對流輻射定義屬性特點2023/2/722一、導熱（熱傳導）1、概念

定義：物體各部分之間不發(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產生的熱量傳遞稱導熱。如：固體與固體之間及固體內部的熱量傳遞。2、導熱的特點必須有溫差物體直接接觸依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量不發(fā)生宏觀的相對位移2023/2/723一、導熱機理

氣體：導熱是氣體分子不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果，溫度升高，動能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使熱能從高溫傳到低溫處。2023/2/724導電固體：其中有許多自由電子，它們在晶格之間像氣體分子那樣運動。自由電子的運動在導電固體的導熱中起主導作用。非導電固體：導熱是通過晶格結構的振動所產生的彈性波來實現的，即原子、分子在其平衡位置附近的振動來實現的。

2023/2/725液體的導熱機理：存在兩種不同的觀點第一種觀點類似于氣體，只是復雜些，因液體分子的間距較近，分子間的作用力對碰撞的影響比氣體大；第二種觀點類似于非導電固體，主要依靠彈性波（晶格的振動，原子、分子在其平衡位置附近的振動產生的）的作用。

說明：只研究導熱現象的宏觀規(guī)律。

2023/2/726(1)

導熱的基本定律：

1822年，法國數學家Fourier:

1導熱（熱傳導）t0xdxdtQ2023/2/727(2)

導熱系數表征材料導熱能力的大小，是一種物性參數，與材料種類和溫度有關。1導熱（熱傳導）(續(xù))(3)

一維穩(wěn)態(tài)導熱及其導熱熱阻如圖右圖所示，穩(wěn)態(tài)q=const，于是積分Fourier定律有Qt0xdxdtQ以上結果在§2-3節(jié)中會進一步說明。2023/2/728Q圖1-3導熱熱阻的圖示1導熱（熱傳導）(續(xù))(4)

一維穩(wěn)態(tài)導熱及其導熱熱阻，

t0xdxdtQ導熱熱阻單位導熱熱阻w/m2w2023/2/729為什么水壺的提把要包上橡膠？2023/2/730不同材質的湯匙放入熱水中，哪個黃油融解更快？2023/2/731例題例題1-1有三塊分別由純銅（熱導率λ1=398W/(m·K)）、黃銅（熱導率λ2=109W/(m·K)）和碳鋼（熱導率λ3=40W/(m·K)）制成的大平板，厚度都為10mm，兩側表面的溫差都維持為tw1–

tw2=50℃不變，試求通過每塊平板的導熱熱流密度。解：這是通過大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導熱問題，對于黃銅板

對于碳鋼板

對于純銅板2023/2/732§1-1熱量傳遞的三種基本方式導熱對流輻射定義屬性特點2023/2/7331、基本概念

1)對流：是指由于流體的宏觀運動，從而使流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。對流僅發(fā)生在流體中，流體中有溫差—對流的同時必伴隨有導熱現象。自然界不存在單一的熱對流。。2)對流換熱：流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。2023/2/7341）根據對流換熱時是否發(fā)生相變分：有相變的對流換熱和無相變的對流換熱。沸騰換熱及凝結換熱：液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結的對流換熱，稱為沸騰換熱及凝結換熱（相變對流沸騰）。2）根據引起流動的原因分：自然對流和強制對流。自然對流：由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動。

如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動。強制對流：流體的流動是由于水泵、風機或其他壓差作用所造成的。2、對流換熱的分類

2023/2/7353、對流換熱的特點

對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導熱；不是基本傳熱方式導熱與熱對流同時存在的復雜熱傳遞過程必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差。2023/2/736(1)對流換熱的基本計算公式——牛頓冷卻公式h

—

表面?zhèn)鳠嵯禂怠?/p>

熱流量[W]，單位時間傳遞的熱量q—

熱流密度A—與流體接觸的壁面面積—固體壁表面溫度—流體溫度2023/2/737——

當流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面面積上、單位時間內所傳遞的熱量影響h因素：流速、流體物性、壁面形狀大小、流動成因流體流動的形態(tài)等(2)對流換熱系數(表面?zhèn)鳠嵯禂?圖1－6(3)

對流換熱熱阻

2023/2/738表1-1一些對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂档臄抵捣秶?/p>

對流傳熱類型hW/(m2K)

空氣自然對流傳熱1～10

水自然對流傳熱200～1000

氣體強制對流傳熱20～100

液體強制對流傳熱1000～15000

水沸騰傳熱2500～35000

蒸汽凝結傳熱5000～350002023/2/739例題例題1-2一室內暖氣片的散熱面積為3m2，表面溫度為tw=50℃，和溫度為20℃的室內空氣之間自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂禐閔=4W/(m2·K)。試問該暖氣片相當于多大功率的電暖氣?解：暖氣片和室內空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對流換熱，

Q=Ah(tw–

tf)=3m2×4W/(m2·K)×(50-20)K=360W=0.36kW

即相當于功率為0.36kW的電暖氣。2023/2/740§1-1熱量傳遞的三種基本方式導熱對流輻射定義屬性特點2023/2/741三、熱輻射1、基本概念

1）輻射和熱輻射

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因而發(fā)出輻射能的現象稱為熱輻射。2）輻射換熱

輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。

2023/2/742(1)熱輻射的研究方法：3熱輻射（續(xù)）

黑體修正（黑度）實際物體黑體的定義黑體的輻射控制方程Stefan-Boltzmann定律

2023/2/743(5)輻射換熱的特點a

不需要中間介質；b

在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉換物體熱力學能電磁波能物體熱力學能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體輻射給高溫物體的能量；總的結果是熱由高溫傳到低溫(4)輻射換熱：物體間靠熱輻射進行的熱量交換，它與單純的熱輻射不同，就像對流和對流換熱類似。3熱輻射（續(xù)）(6)兩黑體表面間的輻射換熱：2023/2/7443熱輻射（續(xù)）圖1－9兩黑體表面間的輻射換熱公式（1－9）不用看，因為用我們現在所學的知識還不能推導出來。2023/2/745傳熱學發(fā)展簡史18世紀30年代工業(yè)化革命促進了傳熱學的發(fā)展導熱（Heatconduction）鉆炮筒大量發(fā)熱的實驗（B.T.Rumford,1798年）兩塊冰摩擦生熱化為水的實驗（H.Davy,1799年）導熱熱量和溫差及壁厚的關系（J.B.Biot,1804年）Fourier導熱定律(J.B.J.Fourier,1822年）G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/M.Jakob

2023/2/746不可壓縮流動方程（M.Navier,1823年)流體流動Navier-Stokes基本方程(G.G.Stokes,1845年）雷諾數(O.Reynolds,1880年）自然對流的理論解（L.Lorentz,1881年）管內換熱的理論解（L.Graetz,1885年；W.Nusselt,1916年）凝結換熱理論解（W.Nusselt,1916年）強制對流與自然對流無量綱數的原則關系（W.Nusselt,1909年/1915年）流體邊界層概念（L.Prandtl,1904年）熱邊界層概念（E.Pohlhausen,1921年）湍流計算模型（L.Prandtl,1925年；Th.VonKarman,1939年；R.C.Martinelli,1947年）對流換熱（Convectionheattransfer）2023/2/747本章小結：(1)導熱