傳熱學(xué)教學(xué)課件：heat transfer lecture （conduction）1.2

第一講1.緒論什么是熱？1.1熱的科學(xué)認(rèn)識(shí)史1761年，蘇格蘭化學(xué)家JosephBlack區(qū)分了熱強(qiáng)度(溫度temperature)與熱數(shù)量（熱量calorie）的概念，

1797年TompsonBenjamin和JamesP.Joule等發(fā)現(xiàn)了功可以轉(zhuǎn)換成熱。首次可以不用火將水煮沸。Watt（1736-1819）蒸汽機(jī)的發(fā)現(xiàn)，可以將熱能轉(zhuǎn)化為功。19世紀(jì)中葉，Willian

Tomson提出了比較現(xiàn)代的熱觀點(diǎn)：Heatisnotasubstance,butadynamicalformofmechanicaleffect。直至20世紀(jì)，在對(duì)原子結(jié)構(gòu)、量子認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)熱的本質(zhì)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。1600年,英國(guó)哲學(xué)家FrancisBacon提出：Heatitself,itsessenceismotionandnothingelse.

(Macroscopicview)熱不是一種物質(zhì)，而由高溫物體向低溫物體傳遞的能量。

(Microscopicview)所有物質(zhì)都是由分子和原子組成的，而分子和原子在不停地運(yùn)動(dòng)，因此任何物質(zhì)都具有一定的能量。熱是因物質(zhì)的微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化而引起的能量傳遞,溫度代表運(yùn)動(dòng)的激烈程度(分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能），而熱量則代表熱的多少與規(guī)模，熱傳遞即是運(yùn)動(dòng)的變化或傳遞。。能量有許多存在形式，可以從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，熱能是一種能級(jí)較低的能量形式，其他能量的形式都可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換成熱能，如：ThermalenergyLightElectricalMechanicalChemicalNuclearSound打球前后球的的表面溫度°F°C=(°F-32)/1.8

熱力學(xué)第一定律物質(zhì)的能量可以傳遞，形式可以轉(zhuǎn)換，其能量總和守恒。煤燃燒發(fā)電工廠流程圖煙囪燃燒爐脫飛灰脫硫脫氮煤倉(cāng)空氣灰水蒸汽汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)FoodHeat新陳代謝所需能量Insleeping:40W/m2Inexcitingstate:60W/m2Woman:×1.3Man:×1.8Averagemetabolicenergydemandm,weight,kg;h,height,m熱力學(xué)第二定律物質(zhì)能自動(dòng)從高溫向低溫進(jìn)行熱傳遞，但這一過程是不可逆的；

某個(gè)系統(tǒng)中物質(zhì)自發(fā)進(jìn)行能量傳遞的過程總是一個(gè)熵的增量大于零的過程。1.2.傳熱學(xué)研究對(duì)象及意義。熱力學(xué)的研究對(duì)象：物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)和平衡狀態(tài)

傳熱學(xué)：熱的傳遞過程，最主要的問題是速率AB60°C0°C熱力學(xué)第一定律第二定律傳熱學(xué)的規(guī)律課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容強(qiáng)化轉(zhuǎn)熱弱化傳熱控制溫度控制熱流量傳熱學(xué)的重要性：范圍：日常生活（衣食住行玩)各種工業(yè)生產(chǎn)（能源動(dòng)力、冶金化工、機(jī)械材料、電信交通、建筑、航天等)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)工業(yè)革命中的作用化石能源的利用（煤、石油和天然氣）帶來(lái)了人類活動(dòng)革命性的變化，其中傳熱學(xué)起了很重要的作用實(shí)現(xiàn)節(jié)能型、環(huán)保型、能源可再生型社會(huì)都離不開傳熱學(xué)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中的作用研究問題的空間尺度范圍增大，涉及的學(xué)科領(lǐng)域增多計(jì)算機(jī)的應(yīng)用傳熱學(xué)本身的發(fā)展方向1.3.三種傳熱方式T1>T2T1T2ConductionTsT∞TsT∞>ConvectionT1T2T1>T2Radiation物體由于溫差通過微觀粒子運(yùn)動(dòng)發(fā)生的傳熱現(xiàn)象由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而發(fā)生在物體與流體表面之間的傳熱現(xiàn)象通過電磁波形式的熱傳遞，無(wú)需媒介初步分析一下熱傳遞過程（1）通過咖啡杯壁導(dǎo)熱（2）咖啡杯外壁對(duì)流傳熱還有呢？導(dǎo)熱輻射對(duì)流Iron0.450Lead0.129Lithium3.58Steel0.466Aluminum0.897Brick0.840Glass0.840Concrete0.880Granite0.790Wood1.2-2.3J/g.KWater4.18Beanoil1.97Petroleum2.12Phenol1.43Aceticacid2.04Alcohol2.37Milk3.93常見固體和液體的比熱容1.4.熱傳導(dǎo)基本方程1.4.1傅立葉定律(Fourierlaw）Φ，熱流量（J/sorW）;

λ，熱傳導(dǎo)系數(shù)(J.m-1.K-1.s-1）A，傳熱面積(m2)dT/dx，溫度梯度(K.m-1)式中熱流量或熱流密度q＝Φ/A

newton(N):m.kg.s-2;pascal(Pa):N.m-2;Joule(J):N.m;watt(W):J.s-1第二講幾種材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)(W.m-1.K-1)Silver 410Copper 385Aluminum 202Iron 73Steel ～16Diamond 2300Quartz 42Marble 2.1～3.0Sandstone 1.8Glass 0.78Glasswool 0.038Water 0.556Air 0.024低壓下導(dǎo)熱系數(shù)常壓下導(dǎo)熱系數(shù)，常數(shù)，壓力，氣體自由運(yùn)動(dòng)距離，絕對(duì)溫度1.4.2.熱傳導(dǎo)微分方程式問題：ΦT

保溫材料解決問題的基本方法：Fourier定律，能量守恒方程Ts散熱？貯熱？保溫材料升溫過程？溫度場(chǎng)變化非穩(wěn)態(tài)過程、

穩(wěn)態(tài)1.4.2.1直角坐標(biāo)系的微分方程式xyz式中ρ，密度(kg.m-3)cp，定壓比熱容(J.kg-1.K-1)

λ，熱傳導(dǎo)系數(shù)(W.m-1.K-1)

，單位體積微元體內(nèi)熱源在單位時(shí)間內(nèi)生成熱量(W.m-3)dxdydz簡(jiǎn)化形式（1）λ為常數(shù)式中

熱擴(kuò)散率(thermaldiffusivity)(2)無(wú)內(nèi)熱源(3)熱傳導(dǎo)系數(shù)為常數(shù)、無(wú)內(nèi)熱源、穩(wěn)定態(tài)thermalconductivity1.4.2.2園柱形坐標(biāo)系的微分方程式xyzφrdrφdrdz1.4.2.3球形坐標(biāo)系的微分方程式參見教材P441.5

對(duì)流傳熱基本速率方程u

TsT

Ф=hA(Ts–

T

)式中h對(duì)流傳熱系數(shù)(W.m-2.K-1)A傳熱面積(m2)

T

流體主體溫度(K)

Ts固體表面溫度(K)當(dāng)Ts>T

時(shí)，由固體表面向流體傳熱典型對(duì)流傳熱系數(shù)范圍(W.m-2.K-1)Naturalconvection:gas2-25;water~890Forcedconvection:gas25-250;water~35001.6輻射傳熱速率方程

Φ=σAT4理想黑體的輻射傳熱流量式中σ，Stefan-Boltzmann常數(shù)(=5.6710-8W.m-2.K-4)T，絕對(duì)溫度(K)A，輻射表面積(m2)對(duì)于非理想黑體Φ=εσAT4式中ε，物體的輻射率或稱黑度（0﹤ε﹤

1）大空間中輻射熱流量環(huán)境溫度作業(yè)1下次收集作業(yè)1-101-121-182.穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（steady-stateconduction)2.1.一維、無(wú)內(nèi)熱源(onedimension，nointernalheatgeneration)2.1.1平板T1T2Lx穩(wěn)態(tài)時(shí)積分通式：邊界條件：第三講熱阻(無(wú)內(nèi)熱源、傳導(dǎo)系數(shù)為常數(shù)）結(jié)果：2.1.2園筒體riroT1T2L穩(wěn)定態(tài)時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)通解：邊界條件：(無(wú)內(nèi)熱源、傳導(dǎo)系數(shù)為常數(shù)）熱阻結(jié)果：平板問題的另一求解方法T1T2Lx熱流量當(dāng)x=l時(shí),T=T2穩(wěn)定態(tài)，無(wú)內(nèi)熱源圓筒體問題的另一求解方法riroT1T2L單位圓筒體長(zhǎng)度上熱流量穩(wěn)定態(tài)、無(wú)內(nèi)熱源當(dāng)r=roT=T2rT2.1.3球體r1r2T1T2（無(wú)內(nèi)熱源，熱傳導(dǎo)系數(shù)為常數(shù)）如圖所示，一個(gè)錐體截面，導(dǎo)熱系數(shù)3.46W-1m-1K-1,直徑D=0.25x（m），小端x=0.050m,大端x=0.250m，兩端溫度T1=400K，T2=600K,側(cè)面被絕熱，只考慮軸向熱傳導(dǎo)，求熱傳導(dǎo)速率。x思考題：x2.1.4組合墻(compositewall)T,1T,2T1T2T3h1h2λ1λ2L1L2記住熱阻串聯(lián)性質(zhì)平墻討論很小時(shí)的傳熱情況第四講r1r2r3T,1h1T1T2T3T,2Lh2λ1λ2圓筒墻2.1.5

接觸熱阻（thermalcontactresistance)兩種材料接觸表面的不連續(xù)性引起的熱阻一般定義為：接觸表面兩端的溫差熱流密度熱阻Km2W-1接觸傳熱系數(shù)與對(duì)流傳熱系數(shù)形式相同2.1.6

考慮輻射傳熱的情況T

T1T2hL1qradiation黑體輻射傳熱系數(shù)與表明溫度的關(guān)系2.1.7

熱阻的串并聯(lián)性質(zhì)T1T2T3T4R1R2RcR3并聯(lián)性質(zhì)串聯(lián)性質(zhì)例題1一個(gè)薄硅片和一個(gè)8mm厚的金屬鋁片由0.02mm厚的樹脂黏結(jié)。硅片和鋁片各邊長(zhǎng)為10mm,外表面通過空氣冷卻，溫度為25°C，如果硅片在正常條件下生成熱量為104W.m-2,硅片是否會(huì)超過其最高承受溫度（85°C）？設(shè)硅片整體溫度均一，對(duì)流傳熱系數(shù)為100W.m-2.K-1,硅片與鋁片黏結(jié)的接觸熱阻為0.2~0.9×10-4

m2.K.W-1。例題2一個(gè)球形金屬容器，用于貯藏液氮（77K)，容體直徑為0.5m,貼有一層真空硅粉絕熱材料，厚25mm,其傳熱系數(shù)為0.0017W.m-1.K-1。其他數(shù)據(jù)：球外對(duì)流傳熱系數(shù)為20W.m-2.K-1,液氮蒸發(fā)潛熱與密度分別為2105J.kg-1和804kg.m-3。求液氮的蒸發(fā)速率（一天蒸發(fā)多少升？）。(環(huán)境溫度300K)AB作業(yè)22-92-12

2-32第五講潛熱（Latentheat)的概念LatentheatFreonWaterBoilingpoint1002501-30166N2-196199CH4-164112(°C)(kJ/kg)NH3-33.51371.2Propane-42.1425.3不同制冷劑的溫度與飽和壓力之間的關(guān)系CHClF2mixturesCCl2F2FinsofHeatExchangers2.2.翅片(肋）的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

T0xΦxΦx+dxT,對(duì)流傳熱P,翅片橫截面周長(zhǎng)L令2.2.1.矩形翅片的傳熱速率方程

邊界條件式中雙曲正弦函數(shù)雙曲余弦函數(shù)2.2.2矩形翅片效率(finefficiency)設(shè)其中最大傳熱速率mL00.20.40.60.8100.511.522.5翅片效率翅片效率隨mL的變化δ,thicknesszAc

=zδ;Af=2L(δ+z)L無(wú)量綱因子2.2.3.矩形翅片的設(shè)計(jì)δ,thicknesszL對(duì)于一定長(zhǎng)度和截面積的翅片，厚度越薄越好。導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)流傳熱系數(shù)的影響？各參數(shù)的選擇翅片的合理長(zhǎng)度L很大時(shí)翅片強(qiáng)化傳熱效果δ,thicknesszL與無(wú)翅片比較L很大時(shí)，例：邊界條件下三頁(yè)僅供參考式中當(dāng)L很大時(shí)，f實(shí)際頂端為非絕熱的情況，用Lc

=L+δ/2代替L進(jìn)行近似計(jì)算，已證明誤差不大。LD園柱體翅片翅片厚度δ,thicknessz(z>>δ)Ac

=zδ;Am=LδLηf不同幾何形狀翅片傳熱（見教材p63-65）由此，可根據(jù)翅片效率計(jì)算翅片散熱每個(gè)翅片面積非翅片區(qū)面積總的翅片效率LzH例題某墻面上設(shè)置一個(gè)厚3.0mm、長(zhǎng)7.5cm的鋁翅片進(jìn)行散熱(熱傳導(dǎo)系數(shù)為200W.m-1.K-1）?；繙囟葹?00°C,環(huán)境溫度為50°C,對(duì)流傳熱系數(shù)h=10W.m-2.K-1。

計(jì)算單位深度翅片的散熱。L=0.075mδ=0.003m1m2.3具有內(nèi)熱源的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

單位體積具有均一熱源場(chǎng)（如電發(fā)熱、化學(xué)反應(yīng)熱等）平板對(duì)稱情況邊界條件x=0,dT/dx=0x=L,T=TsT

T

hhxL-LTs第六講T,1T,2h1h2xL-LT2不對(duì)稱情況(學(xué)生自行推導(dǎo)）T1T(-L)=T1T(L)=T2邊界條件圓筒體情況r0hTs如圖所示，圓筒體鈾燃料棒其內(nèi)芯為鈾燃料，外殼為鋯錫合金，內(nèi)外徑長(zhǎng)分別為di=8.25mm和do=9.27mm,鈾燃料產(chǎn)生功率，管子浸于冷卻水流（400K)中，管子外部對(duì)流傳熱系數(shù)為，內(nèi)芯與外殼間的接觸熱阻為，試問內(nèi)芯和外殼的最高溫度分別為多少？riro例題1鈾燃料導(dǎo)熱系數(shù)為2.5W/(m.K),鋯錫合金導(dǎo)熱系數(shù)為17.0W/(m.K)Example2Aplanewalliscompositeoftwomaterials,AandB.ThewallofmaterialAhasuniformheatgeneration,andthickness.ThewallmaterialBhasnogenerationwithandthethickness.TheinnersurfaceofmaterialAiswellinsulated,whiletheoutersurfaceofmaterialBiscooledbyawaterstreamwithand.DeterminethetemperatureT0oftheinsulatedsurfaceandthetemperatureT2ofthecooledsurfaceunderthesteadystate.h=1000W.m-2.K-1

environmentaltemperature=30℃。LALBT0T1T2h2.4導(dǎo)熱形狀因子(Conductionshapefactor)T1和T2是兩個(gè)等溫面的溫度，S為形狀因子riroLd1d2wT1T2T1T2T1T2db不同幾何形狀兩個(gè)等溫面之間的傳熱T1T2qiqi長(zhǎng)度L只要適當(dāng)構(gòu)筑等溫線與熱流線，使NM多種幾何結(jié)構(gòu)的形狀因子見舊教材78-79頁(yè)形狀因子分析方法2-412-86作業(yè)第七講2.6.非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)(Unsteady-stateheatconduction)2.6.1集總?cè)萘糠?lumpedcapacitymethod)一個(gè)最簡(jiǎn)單的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，設(shè)物體內(nèi)部的熱量傳遞很快，內(nèi)部的溫差等參數(shù)視為一致，即物質(zhì)內(nèi)部的傳熱可以不予考慮。T0T,初始條件τ=0,令則物理意義？τ~的關(guān)系（稱時(shí)間常數(shù)）（稱過余溫度）至某一時(shí)間的熱傳遞量或集總?cè)萘糠ǖ某闪l件TiTsT

hλL引進(jìn)Biotnumber對(duì)流傳熱能力與熱傳導(dǎo)能力之比當(dāng)Bi數(shù)很小時(shí)Bi<0.1，用集總?cè)萘糠ㄓ?jì)算誤差小。一般，圓柱體、球體和平板立方體的情況用Bi數(shù)及Fo數(shù)表征非穩(wěn)態(tài)溫度變化Fouriernumber式中無(wú)量綱時(shí)間例題用熱電偶測(cè)定氣體溫度，氣體的溫度為400°C,熱電偶的初始溫度為20°C，將熱電偶與氣體的接觸端視為球形，直徑為0.2mm,表面對(duì)流傳熱系數(shù)為10Wm-2K-1,試計(jì)算當(dāng)熱電偶溫度接觸端溫度達(dá)到與氣體溫度的相對(duì)誤差不大于5%時(shí)所需的時(shí)間。熱電偶接觸端焊錫的導(dǎo)熱系數(shù)為67Wm-1K-1,密度7310kgm-3,比熱容228Jkg-1K-1。研究中遇到的一個(gè)集總?cè)萘糠ㄟM(jìn)行傳熱計(jì)算的例子煤顆粒夾在兩層金屬絲網(wǎng)中間進(jìn)行快速熱解，接通電源后，金屬絲網(wǎng)快速升溫，傳遞熱量給煤顆粒，煤受熱分解，揮發(fā)性物質(zhì)竄過金屬絲網(wǎng)逸出，目的是要計(jì)算揮發(fā)分隨加熱時(shí)間變化的逸出速率。這個(gè)問題中，首先要計(jì)算煤顆粒溫度隨時(shí)間的變化。金屬絲網(wǎng)的升溫線煤顆粒很小，內(nèi)部溫差可以忽略FuelProcessingTechnology1994,38,57-672.6.2含有對(duì)流的典型一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)(無(wú)內(nèi)熱源）2.6.2.1對(duì)流傳熱表面的平板熱傳導(dǎo)初始及邊界條件T(x,0)=TiT

hL-Lx第八講令初始和邊界條件式中而為超越方程(transcendentalequation)的正根當(dāng)Fo>0.2時(shí)，近似解Bi

，C1值第一個(gè)正根至某時(shí)間的熱量傳遞其中，物理意義？近似解中C1和?1與Bi數(shù)的對(duì)應(yīng)值平板Bi0.010.050.10.51.05.010500.09980.22170.31110.65330.86031.31811.42861.5400C11.00171.00821.01601.07011.11911.24021.26201.2727近似計(jì)算結(jié)果0.10400.23080.32290.66810.87011.30631.42261.5420p128A(即C1)1.01111.01541.02071.05951.09951.23701.26391.26752.6.2.2對(duì)流傳熱表面的球體熱傳導(dǎo)r0rT(r,0)=T0T

h令其中，F(xiàn)o>0.2,近似解其中，是超越方程的正根球形0.17300.38520.54231.16561.57082.57042.83633.0788C11.00301.01201.02981.14411.27321.78701.92491.9962近似計(jì)算公式見P128注意！諾謨圖(Heisler/Grobercharts)中心點(diǎn)溫度平板情況思考題一圓筒體鋼管直徑1m,壁厚40mm，外部充分絕熱，其初始溫度為-20°C,然后通入溫度為60°C的油品，油流向鋼管傳熱的對(duì)流傳熱系數(shù)為500W/(m2.K)。鋼管密度7823kg/m3,比熱容434J/(kg.K)，導(dǎo)熱系數(shù)63.9W/(m.K)。求：（1）油流開始經(jīng)8分鐘后的F0數(shù)；（2）經(jīng)8分鐘后，鋼管貼近絕熱材料處的溫度；（3）經(jīng)8分鐘后，油流向單位長(zhǎng)度鋼管傳遞了多少能量？注：因鋼管直徑遠(yuǎn)大于壁厚，可考慮為大平板問題例題解析不適合用集中容量法計(jì)算Lh以一維非穩(wěn)態(tài)平板問題進(jìn)行近似計(jì)算例題一個(gè)半徑為5mm的球形材料，在爐中加熱至平衡溫度為400°C,從爐中取出分兩步冷卻。第一步在20°C的空氣中冷卻至球體中心溫度T(0,τ1)=335°C,對(duì)流傳熱系數(shù)為10W.m-2.K-1.第二步在水浴中冷卻，對(duì)流傳熱系數(shù)為6000W.m-2.K-1.設(shè)球體材料密度為3000kg.m-3,導(dǎo)熱系數(shù)為20W.m-1.K-1,熱比容1000J.kg-1.K-1.求（1）完成第一步冷卻所需時(shí)間；(2)第二步球體中心溫度從335°C