《传热学》杨世铭陶文铨 第一章绪论ppt课件.ppt

传 热 学,（Heat Transfer）,常立民 Tel：15117219518,参 考 书,教材: 传热学 杨世铭、陶文铨编著，第四版传热学 戴锅生，第二版数值传热学 陶文铨编著对流换热 V. S. 阿巴兹凝结和沸腾施明恒等编著辐射换热 余其铮编著 Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Mills Heat Transfer , by J.P.Holman Fundamentals of Heat Transfer, by F. P. Incropera, D.P. DeWitt,考 核 方 法,平时成绩: 30% (包括：实验、出勤及作业)期末考试: 70%,常立民 Tel：15117295518,答疑时间:周四下午4:306:00 地点:热动办公室,第一章 绪 论,1-1 传热学的研究内容及其在科学技术和工程中的应用 1. 传热学（Heat Transfer）的研究内容 (1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递 的机理、规律、计算和测试方法,(2) 热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给 低温热源 有温差就会有传热 温差是热量 传递的推动力,2.传热学研究中的连续介质假定,假定所研究的物体中的温度、密度、压力等物理参数都是空间的连续函数。对于气体，只要被研究物体的几何尺度远大于分子间的平均自由度，假定就成立。微机电系统，即尺寸在1m1mm间的器件组成的系统，其流动和传热问题不适合上面的假定,3. 传热学与工程热力学的关系,(1) 热力学 + 传热学 = 热科学(Thermal Science), 系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。,关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。,热力学： 不讨论与时间的关系传热学：,图1-1 传热学与热力学的区别,(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始终从高温热源向低温热院传递，如果没有能量形式的转化，则 始终是守恒的,4 传热学应用实例,自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍科学技术领域中遇到的传热问题大致可归纳为三类：（1）强化传热（2）削弱传热（热绝缘）（3）温度控制,b 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？,c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？,(1) 日常生活中的例子：,a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？,(2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题,(3) 几个特殊领域中的具体应用,a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机,动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术,b 微电子： 电子芯片冷却c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器 官的冷冻保存d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温 水源热泵f 新 能 源：太阳能；燃料电池,5 传热过程的分类,按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类。,1-2 热量传递的三种基本方式,1 导热（热传导）(Conduction),热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。,(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象,(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,(3)导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。,(4)导热的基本定律： 1822年，法国数学家Fourier:,上式称为Fourier定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：,：热流量，单位时间传递的热量W；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积m2；：导热系数（热导率）W/( m K)。,图1-2 一维稳态平板内导热,傅立叶定律又称导热基本定律，上式是一维稳态导热时傅立叶定律的数学表达式。通过分析可知： （ 1 ）当温度 t 沿 x 方向增加时， 而 q ，说明此时热量沿 x 减小的方向传递； （ 2 ）反之，当 时， q 0 ，说明热量沿 x 增加的方向传递。 （ 3 ）导热系数 表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位： w/mk 。 不同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。,(6) 一维稳态导热及其导热热阻 如图1-3所示，稳态 q = const，于是积分Fourier定律有：,(5) 导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。,图1-3 导热热阻的图示,例 题 1-1,例题 1-1 一块厚度=50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在,试求下列条件下的热流密度。,材料为铜，=375 w/(mK );材料为钢， =36.4 w/(mK );材料为铬砖， =2.32 w/(mK )；材料为硅藻土砖， =0.242 w/(mK )。,解：参见图1-3。 及一维稳态导热公式有：,铬砖：,硅藻土砖：,讨论：由计算可见， 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别， 导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。 因而，铜是热的良导体， 而硅藻土砖则起到一定的隔热作用,铜：,钢：,定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之 间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处 传递到另一处的现象。,2 对流（热对流）(Convection),(2) 对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点： a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层,对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热,1 ）自然对流：由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动。 如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。 2 ）强制对流：流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的。 3 ）沸腾换热及凝结换热： 液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对流沸腾）。,图1-4 对流换热中边界层的示意图,(4) 对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式, 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量,影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等,（Convection heat transfer coefficient）,(5) 对流换热系数(表面传热系数),Thermal resistance for convection,(6) 对流换热热阻：,一般地，就介质而言：水的对流换热比空气强烈； 就换热方式而言：有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。 对流换热研究的基本任务： 用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面换热导数的关系式。,(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象,3 热辐射(Thermal radiation),(2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 辐射换热伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。,(3) 生活中的例子： a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热； b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服； c 太阳能传递到地面 d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0以上，但地面却可能 结冰。,图16,(5) 辐射换热的特点,a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在 真空中就可以传递能量b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温.,(4) 辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样，(参照图16)。,(6) 辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律,(7) 黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强,黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律,，,，,真实物体则为：,（9） 两黑体表面间的辐射换热 (参见图17)：,导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。 在辐射时，辐射体内热能 辐射能；在吸收时，辐射能 受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。 辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体也可向高温物体辐射热能, 辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又称其为非接触性传热。 热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。 物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。,例 题 1-2,一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为 ，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率,问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式； （2）计算每米长度管道的总散热量。解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为,量为：,近似地取管道的表面温度为室内空气温度， 于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：,讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几上几十摄氏度的一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。,当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热,1-3 传热过程和传热系数,1 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热,2 传热过程包含的传热方式：,导热、对流、热辐射,3 一维稳态传热过程中的热量传递,图19 一维稳态传热过程,忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻,固体的导热热阻,右侧对流换热热阻,上面传热过程中传递的热量为：,(1-10),传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。,传热系数,a k 越大，传热越好。若要增大 k，可增大,c h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要 内容,注意：,b 非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法,传热过程 传递热量的基本方式：导热、对流、热辐射，由这三个基本方式组成不同的传热过程。如： 暖气：热水 管子内壁 管子外壁 室内环境 冷凝器：蒸汽 管子外壁 管子内壁 水 分析一个实际传热过程的目的，就是分析该过程由哪些串联环节组成。以及每一环节中有哪些传热方式起主要作用，它是解决实际传热的核心基础。 上述分析导热、对流、热辐射的基本定律，即傅里叶定律、牛顿冷却公式、斯忒藩玻耳兹曼定律，适用于稳态和非稳态热传递过程，若是非稳态时 (1-1) 、 (1-6) 、 (1-7) 中的温度是瞬时温度， t 不仅仅是坐标的函数，而且与时间有关。,1-4 传热学发展简史,18世纪30年代工业化革命促进了传热学的发展导热（Heat conduction）钻炮筒大量发热的实验（B. T. Rumford, 1798年）两块冰摩擦生热化为水的实验（H. Davy, 1799年）导热热量和温差及壁厚的关系（J. B. Biot, 1804年）Fourier 导热定律 (J. B. J. Fourier , 1822 年）G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M. Jakob,对流换热 （Convection heat transfer）不可压缩流动方程 （M.Navier,1823年)流体流动Navier-Stokes基本方程 (G.G.Stokes,1845年）雷诺数(O.Reynolds,1880年）自然对流的理论解（L.Lorentz, 1881年）管内换热的理论解（L.Graetz, 1885年；W.Nusselt,1916年）凝结换热理论解 （W.Nusselt, 1916年）强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909年/1915年）流体边界层概念 （L.Prandtl, 1904年）热边界层概念 （E.Pohlhausen, 1921年）湍流计算模型 （L.Prandtl,1925年；Th.Von Karman, 1939年；R.C. Martinelli, 1947年）,热辐射及辐射换热(Thermal radiation)黑体辐射光谱能量分布的实验数据(O.Lummer,1889年）黑体辐射能量和温度的关系(J.Stefan and L.Botzmann,1889年）黑体辐射光谱能量分布的公式维恩公式（1896年）/Rayleigh-Jeans公式能量子假说 （M. Planck,1900年）/光量子理论（A.Einstein,1905年）物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff,1859年/1860年）物体间辐射换热的计算方法 （波略克，1935年；H.C.Hotel, 1954年；A.K.Oppenheim,1956年)数值传热学 （1970年）,本章小结：,(1) 导热 Fourier 定律：(2) 对流换热 Newton 冷却公式：(3) 热辐射 Stenfan-Boltzmann 定律： (4) 传热过程,思考题：1.热量传递的基本方式及传热机理。2.一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义。3.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。4.黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其中各物理量 的定义。5.传热过程及传热系数的定义及物理意义。6.热阻的概念. 对流热阻, 导热热阻的定义及基本表达式。7.接触热阻,污垢热阻的概念。8.使用串连热阻叠加的原则和在换热计算中的应用。9.对流换热和传热过程的区别. 表面传热系数(对流换热系 数)和传热系数的区别。10.导热系数, 表面传热系数和传热系数之间的区别。,作业：1-4，1-8，1-9， 1-12， 1-17，1-21，1-26，,