傳熱學(xué)第一章(研究生)

傳熱學(xué)

HeatTransfer

冶金機(jī)械系機(jī)械學(xué)院張興中教材：《傳熱學(xué)》張興中等編著國(guó)防工業(yè)出版社參考書：《傳熱學(xué)》楊世銘、陶文銓編著,第三、四版《HeatTransfer》J.P.Holman第九版《傳熱學(xué)》戴鍋生《傳熱學(xué)》章熙民等編著，第四版?zhèn)鳠釋W(xué)的研究對(duì)象研究傳熱學(xué)的目的、意義傳熱學(xué)在工程和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用熱量傳遞的基本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射傳熱過程及熱阻概念傳熱學(xué)發(fā)展歷史傳熱學(xué)的研究、學(xué)習(xí)方法第一章緒論§1-1引言一、傳熱學(xué)（Heattransfer）的研究對(duì)象

研究熱量傳遞規(guī)律及其應(yīng)用的一門工程技術(shù)學(xué)科。熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律；溫度場(chǎng)、傳熱量的計(jì)算和測(cè)試方法；增強(qiáng)及削弱傳熱的措施；換熱器設(shè)計(jì)。

二、學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的必要性從碩大無朋的行星到渺小絕倫的納米級(jí)的微電子設(shè)備；從航空、航天到地?zé)崮艿拈_發(fā)及深海潛艇的航行；從生產(chǎn)、生活，到科學(xué)實(shí)驗(yàn)；從民用工業(yè)，到軍事工業(yè)；從任何機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)、到任何工藝過程······

熱力學(xué)第二定律：

熱量自發(fā)地從高溫處傳到低溫處，溫差是熱量自發(fā)傳遞的動(dòng)力。1.掌握熱量傳遞規(guī)律，使熱量有效傳遞或阻止熱量傳遞2.控制溫度場(chǎng)。到處存在溫差，熱量傳遞現(xiàn)象非常普遍。摩擦生熱、機(jī)械功轉(zhuǎn)化為熱、化學(xué)反應(yīng)生熱、電磁生熱、相變生熱、輻射傳熱······傳熱學(xué)研究的兩個(gè)任務(wù)：存在大量傳熱問題的技術(shù)領(lǐng)域：

冶金、動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)······具體事例冶金工業(yè)：連續(xù)鑄鋼鋼鐵公司燒結(jié)設(shè)備燒結(jié)機(jī)臺(tái)車的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力計(jì)算、熱蠕變的防止鋼水包鋼包的耐火層設(shè)計(jì)，熱損失計(jì)算鍛件的加熱機(jī)械制造：快速鍛造設(shè)備機(jī)械制造：磨削加工熱電廠熱能工程領(lǐng)域航空航天返回艙火箭發(fā)射衛(wèi)星與空間站熱控制超高音速飛行器（Ma=10）幾何模型重返大氣層飛行器熱力耦合分析熱傳導(dǎo)分析得到的溫度場(chǎng)安全性評(píng)估Mises應(yīng)力熱力耦合分析得到的應(yīng)力場(chǎng)及安全性評(píng)估電子系統(tǒng)的溫度控制對(duì)于使用可靠性至關(guān)重要電子芯片冷卻、納米器件、裝置溫度控制微電子：節(jié)約能源、建設(shè)環(huán)境友好住宅是當(dāng)代一個(gè)重要課題民生：軋制過程的溫度控制燒結(jié)、高爐、煉鋼、連鑄設(shè)備的冷卻機(jī)床切削加工時(shí)的冷卻、溫度控制液壓系統(tǒng)的冷卻減速機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)的冷卻機(jī)電裝置的溫度控制·····機(jī)械設(shè)計(jì)及理論學(xué)科相關(guān)專業(yè)中的傳熱學(xué)應(yīng)用：傳熱學(xué)的任務(wù)研究增強(qiáng)或削弱的傳熱技術(shù)確定溫度分布和控制溫度分布散熱器熱力管道飛行器溫度場(chǎng)分析齒輪熱處理§1-2熱量傳遞的三種基本方式

熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射一、熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)(Heatconduction)定義：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)行的熱量傳遞現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)：可以發(fā)生在固體、液體、氣體中，以及邊界處依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)傳遞熱能，不發(fā)生物質(zhì)移動(dòng)一般，在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中導(dǎo)熱基本定律(Fourier’sLaw,1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier)Q：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量[W]δ:平壁的厚度[m]；tw1：表面1的溫度，[℃]tw2：表面2的溫度，[℃]λ：導(dǎo)熱系數(shù)W/(m.K)ThermalconductivityF：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2平壁的導(dǎo)熱量計(jì)算：圖1-1通過平板的導(dǎo)熱(1-1)

導(dǎo)熱熱阻：比擬電路的歐姆定律I=U/R，把式(1-1)改寫為：

(1-2)

tw1tw2

圖1-2導(dǎo)熱熱阻的模擬電路:平板導(dǎo)熱的熱阻。模擬電路圖:二、熱對(duì)流（HeatConvection）熱對(duì)流定義：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。

對(duì)流換熱（Convectionheattransfer）

：流體與固體壁間的換熱對(duì)流換熱（Convectionheattransfer）：流體與固體壁間的換熱對(duì)流換熱：流體流過與它溫度不同的固體壁面使的熱量交換過程。自然對(duì)流換熱：流體流動(dòng)由于各部分溫度不同引起密度差異產(chǎn)生的浮升力作用引起的流動(dòng)，此時(shí)對(duì)流換熱稱為自然對(duì)流換熱。強(qiáng)迫對(duì)流換熱：

流體流動(dòng)由于泵、風(fēng)機(jī)或其它壓差作用而進(jìn)行流動(dòng)，此時(shí)對(duì)流換熱為強(qiáng)迫對(duì)流換熱對(duì)流換熱的基本計(jì)算式

牛頓冷卻公式（1701）：

(1-3)Q——單位時(shí)間通過固體表面的對(duì)流換熱量，W；F——固體表面的面積，m2；

——比例系數(shù)(對(duì)流換熱系數(shù)convectiveheattransfercoefficient)，W/(m2·K)；Δt——流體與固體表面間的溫度差，℃。對(duì)流換熱系數(shù)表示換熱的強(qiáng)度.影響的因素：流速、流體物性、物體表面形狀等研究對(duì)流換熱的基本任務(wù)：用理論或?qū)嶒?yàn)的方法來具體研究各種情況下對(duì)流換熱系數(shù)

的計(jì)算式。對(duì)流換熱的熱阻：

套用歐姆定律的形式，式(1-3)可以寫成：

(1-4)－－對(duì)流換熱的熱阻（℃/W）

模擬電路圖：

tftw

圖1-3對(duì)流熱阻的模擬電路過

程[W/(m2·K)]

自然對(duì)流

空氣1～10

水200～1000

強(qiáng)迫對(duì)流

氣體20～100

高壓水蒸氣500～3500

水1000～15000

水的相變換熱

沸騰2500～35000

蒸汽冷凝5000～25000表1-1對(duì)流換熱系數(shù)的數(shù)值范圍三、熱輻射（Thermalradiation

）

溫度大于絕對(duì)溫度零度的物體都具有輻射能力.SolidT1SurroundingsT2vacuumradiation什么是輻射？物體通過電磁波來傳遞能量的過程稱為輻射。什么是熱輻射？物體因熱的原因而發(fā)射輻射能的過程稱為熱輻射。什么是輻射換熱？物體間通過熱輻射方式進(jìn)行的熱量傳遞過程稱為輻射換熱。黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng)。與同溫度的物體比較）。輻射換熱與導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的本質(zhì)區(qū)別什么是黑體？輻射換熱不需要介質(zhì)的存在，在真空中可以進(jìn)行；能夠吸收投射到其表面上的全部熱輻射能的物體。在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換:熱能—輻射能—熱能。無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射，吸收電磁波能、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量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。黑體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱輻射能量：

Q——黑體表面單位時(shí)間發(fā)射出去的熱輻射能量，W；F——黑體的表面積，——黑體的輻射常數(shù)，T——黑體的熱力學(xué)溫度，K。實(shí)際物體單位時(shí)間的熱輻射能量

ε實(shí)際物體的發(fā)射率(黑度)，與物體的種類和表面狀態(tài)有關(guān)，0≤ε≤1。實(shí)際問題的換熱過程當(dāng)中，可能有幾個(gè)換熱環(huán)節(jié)，在同一個(gè)換熱環(huán)節(jié)中可能同時(shí)存在兩種或三種換熱方式。高溫?zé)煔?/p>

去蒸發(fā)器熱面

鍋爐補(bǔ)給水(a)省煤器

(b)冷凝器蒸汽凝結(jié)液

冷卻水進(jìn)

冷卻水出

§1-3傳熱過程

什么是傳熱過程？傳熱過程的傳熱量計(jì)算tf1α1α2tf2QF熱流體冷流體圖1-4傳熱過程熱量由壁面一側(cè)熱流體通過間壁傳給另一側(cè)冷流體的過程稱為傳熱過程。單位時(shí)間熱流體與平壁左側(cè)面的對(duì)流換熱量為：?jiǎn)挝粫r(shí)間平壁的左側(cè)面與右側(cè)面之間的導(dǎo)熱量為：

單位時(shí)間冷流體與平壁右側(cè)面的對(duì)流換熱量為：式中：Q

——

單位時(shí)間的傳熱量，W

F

——

平壁的側(cè)面積，m2tf1

——

熱流體溫度，℃(K)tf2

——

冷流體溫度，℃(K)α1

——熱流體與壁面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)α2

——熱流體與壁面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)λ

——平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)δ

——平壁的厚度，m由于是穩(wěn)態(tài)換熱，這三個(gè)換熱量相等，由以上三式可得：傳熱過程的傳熱量計(jì)算式中：——傳熱過程的熱阻——傳熱過程的傳熱系數(shù)傳熱過程的總熱阻等于各熱阻的串聯(lián)，模擬電路如圖1-5

上式可寫成熱阻串聯(lián)形式：傳熱過程的傳熱量計(jì)算圖1-5傳熱過程的模擬電路tf1tw1tf2tw2例1-1某板式氟里昂冷凝器，一側(cè)水對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為，另一側(cè)氟里昂凝結(jié),壁厚δ=1.5mm，板材導(dǎo)熱系數(shù)λ=383W/(mK)，計(jì)算三個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻和總傳熱系數(shù)。欲增強(qiáng)傳熱應(yīng)從哪個(gè)環(huán)節(jié)入手？三個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻比例為17.0%、0.6%、82.4%。蒸汽側(cè)的熱阻占主要部分，要從這一環(huán)節(jié)入手增強(qiáng)換熱。解：三個(gè)環(huán)節(jié)的單位面積的熱阻為：水側(cè)對(duì)流：壁導(dǎo)熱：蒸汽凝結(jié)：總傳熱系數(shù)：§1-4傳熱學(xué)的發(fā)展歷史與發(fā)展方向18世紀(jì)30年代開始的工業(yè)革命促進(jìn)了生產(chǎn)力的空前發(fā)展。傳熱學(xué)就是在這種背景下發(fā)展起來的。

導(dǎo)熱和對(duì)流早已認(rèn)識(shí)熱輻射則在1830年發(fā)現(xiàn)紅外線才被認(rèn)識(shí)1900年以前萌芽狀態(tài)—Fourier定律

—Newton冷卻定律—Stefen--Boltzman定律1900-1945年（德國(guó)人時(shí)代）形成獨(dú)立的學(xué)科—Nusselt,Schmidt,Prandtl,Pohlhausen1945年以后近代傳熱學(xué)—航天、電子、核能、能源危機(jī)導(dǎo)熱：19世紀(jì)初，J.H.Lambert，J.B.Boit，F(xiàn)ourier對(duì)一維導(dǎo)熱的研究。1822年，F(xiàn)ourier發(fā)表“熱的解析理論”，創(chuàng)建了導(dǎo)熱理論。

1904年普朗特提出邊界層理論，簡(jiǎn)化了方程組，推動(dòng)了理論求解的發(fā)展。1921年波爾豪森提出熱邊界層概念，與施密特、貝爾曼聯(lián)合求解了豎壁附近空氣的自然對(duì)流換熱。湍流計(jì)算模型的發(fā)展，1925年的普朗克比擬，1939年的卡門比擬。

對(duì)流：1823、1845年，Navier、Stokes建立了流體流動(dòng)基本方程。1880—1883年，Reynolds指出無量綱的雷諾數(shù)決定流動(dòng)狀態(tài)。1881年洛侖茲自然對(duì)流的理論解、1885年格雷茨和1910年努塞爾管內(nèi)換熱的理論解及1916年努塞爾凝結(jié)換熱的理論解。1909和1915年努塞爾開辟了在無量綱數(shù)原則關(guān)系指導(dǎo)下，通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)流換熱的基本方法。輻射：19世紀(jì)末斯蒂芬（后為玻爾茲曼證實(shí)）提出四次方輻射定律。1900年普朗克基于量子假說，提出黑體輻射的光譜能量分布。1860年基爾霍夫給出了物體發(fā)射率和吸收率的關(guān)系。關(guān)于物體間輻射換熱的計(jì)算法：1935年波略克提出凈輻射法；1954年提出、1967年改進(jìn)的交換因子法；1956年奧本海姆提出的模擬網(wǎng)絡(luò)法。發(fā)展方向：引進(jìn)新的科學(xué)技術(shù)成果，內(nèi)容更加豐富新概念－微尺度傳熱、微重力傳熱；新理論－混沌等；新方法－數(shù)值方法、微觀和介觀。學(xué)科內(nèi)的綜合與學(xué)科間的交叉將更加強(qiáng)烈隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代開始形成的數(shù)值傳熱學(xué)顯示出巨大活力。BaronJeanBaptisteJosephFourier1768-1830Fourier法國(guó)數(shù)學(xué)家傳熱學(xué)的大師們：OsborneReynolds1842-1912Reynolds英工程師JosefStefan1835-1893AustrianPhysicistFranzGrashof1826-1893AGermanengineer，alsoservedasProfessorofAppliedMechanicsandMechanicalEngineeringWilhelmNusselt1882-1957Nus