传热学-第1章绪论.ppt
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1、欢迎参加传热学课程学习,2023年9月4日,Heat Transfer,第1章 绪论 Introduction,1.1 概述初识传热现象 1.2 传热的三种方式与规律1.3 传热过程和传热系数1.4 传热学的研究方法和发展简史,研究由温差引起的热量传递规律的科学,具体来讲主要有热量传递的机理、规则、计算和测试方法。,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,传热过程的分类,按温度与时间的依变关系,可分为稳态过程和非稳态过程两大类。,稳态传热过程(定常过程)凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程
2、。,非稳态传热过程(非定常过程)凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程均称非稳态传热过程。,各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程;而在启动、停机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热过程。,稳态导热非稳态导热稳态温度场非稳态温度场,传热的三种基本方式与规律(Three basic ways of heat transfer and their laws),1.2 传热方式与规律,传导(Heat conduction)对流(Convection;Convective heat transfer)辐射(Radiation;Radiation heat trans
3、fer),返回,Heat Transfer,我们的任务掌握这三种传热方式的特点及其传热规律,包括两个方面内容:(1)它们在什么情况下发生?(2)传递了多少热量?,热传导与Fourier定律Fouriers Law of Heat Conduction,热传导机理,Heat Transfer,热传导发生的范畴,物体各部分之间不发生相对位移时(宏观上静止),依靠分子、原子及电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。,回答了我们热传导在什么情况下发生!,回答了我们传导在什么地方发生!,可以在固体、液体、气体中发生,三者的导热机理是不同的。发生在固体、静止流体内部。举例说明,声子和电子,声子/分子运动,
4、分子热运动,热传导与Fourier定律Fouriers Law of Heat Conduction,热传导的特点,Heat Transfer,热传导Fourier定律,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。,The heat flux,q(W/m2),is proportional to the magnitude of the temperature gradient and opposite to its sign.Joseph Fourier,1822,回答了我们热传导发生的关键要素,回答了
5、我们传导了多少热量!,1.热传导与Fourier定律,Heat Transfer,tw1,tw2,q,Hot wall,Cold wall,热流是矢量(大小+方向),负号表示热流与温度增加的方向相反,即导热是沿着温度降低的方向进行!单位时间内通过某一给定面积的传热量(Heat transfer rate)为:,理解Fourier定律,式中(采用国际标准制单位SI):q 热流(Heat flux,W/m2)k 热导率或导热系数(Thermal conductivity,W/mK)t 温度(Temperature,K)x 坐标(Coordinate,m),上述热传导Fourier定律仅适用于最简单
6、的一维情况,但它是整个传热学的基础,应该熟练掌握!复杂的二维、三维Fourier定律将在以后的章节中介绍,这虽然是传热学的重点与难点,但由于它通常要借用计算机进行求解,目前对于我们仅做一般了解。,掌握每个物理量所代表的含义与单位,及应用的场合。,1.热传导与Fourier定律,Heat Transfer,tw1,tw2,q,Hot wall,Cold wall,如何计算导热?,t,x,温度变化过程,第一,查阅材料的导热系数(k),见附录或参考手册;第二,计算温度梯度(d t/d x)。对于单一介质(k一定),温度梯度可表示为(如左图):,x1,x2,Next,文字表述:在热传导现象中,单位时间
7、内通过给定截面的热流量,正比于该截面方向上的温度变化率和截面面积,而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。,(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 0,说明热量沿 x 增加的方向传递。,导热系数,Heat Transfer,导热系数 k 是表征材料导热性能优劣的一种物性参数,不同材料的导热系数不同。通常来说,固体 液体 气体。如:,固体金属:铜 398;铝 240;铝合金 107 建筑材料:红砖 0.49;混凝土 0.79 液 体:水 0.6 气 体:空气 0.026,另外,材料的导热系数往往与温度有关。,详见教材传热学附录214,返回
8、,单位:W/(m K),热流与温度变化之间的关系及Fourier定律的简易计算,Heat Transfer,q,Hot wall,Cold wall,q,Cold wall,Hot wall,q与x方向相同,q与x方向相反,可以清楚地看到热总是沿着温度降低的方向进行传导!根据这种热流与温度变化之间的对应关系,我们通常采用一种简易计算方法:,热流的大小:,而热流的方向由问题直接给出。,温度变化过程,温度变化过程,1.热传导与Fourier定律,Heat Transfer,解 首先,根据内外墙的温度确定热流的方向(300 100);然后,根据热流方向,判断中间分界面的温度范围;(100 t 300
9、);其次,在两层墙体内分别应用Fourier定律;,例2,两块厚度分别为50、10mm,材料分别为砖、混凝土组成的双层墙面,内外墙温度分别为300、100。求中间分界面温度与热流。,50,Cold,Hot,300,100,10,红砖,混凝土,红 砖:,混凝土:,最后,根据能量守恒原则得:,注意,检查上述温度分布曲线的正确性!,一块厚度=50 mm 的平板,两侧表面分别维持在,材料为铜,=375 w/(mK);材料为钢,=36.4 w/(mK);材料为铬砖,=2.32 w/(mK);材料为铬藻土砖,=0.242 w/(mK)。,解:,试求下列条件下的热流密度。,例3,铬砖:,硅藻土砖:,讨论:由
10、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:,1.热传导与Fourier定律,Heat Transfer,例4,A copper slab(k=372W/mK)is 3 mm thick.It is protected from corrosion by a 2-mm-thick layers of stainless steel(k=17W/mK)on both sides.The temperature is 400 on one side of this
11、 composite wall and 100 on the other.Find the temperature distribution in the copper slab and the heat conduction through the wall.摘自美国麻省理工学院(MIT)Heat Transfer Textbook,30,400,100,20,copper,Stainless steel,Stainless steel,20,2.对流换热与牛顿冷却定律 Newtons Law of Cooling,对流机理,Heat Transfer,对流传热的特点,由于流体的宏观运动,从
12、而使流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。由于流体流动(moving fluid)所导致的传热。,当流体流过一个物体表面时的热量传递过程,它与单纯的热对流不同,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)壁面处会形成速度和温度梯度很大的边界层,2.对流换热与牛顿冷却定律 Newtons Law of Cooling,Heat Transfer,对流传热方式,自然对流(Natural Convection)强迫对流(Forced Convection)混合对流(Mixed Convection)
13、,Next,2.对流换热与牛顿冷却定律,对流换热Newton冷却定律,Heat Transfer,所有的对流换热都涉及热(冷)固体壁面与周围流体之间的热交换。传热量的大小就由Newton冷却定律计算,如下:,式中(采用国际标准制单位SI):q 热流(Heat flux,W/m2)h 表面传热系数(Convective heat transfer coefficient,W/m2K)t 温度差(Temperature,K),注意:(1)热流是矢量,大小由上式确定,方向则由物理问题本身确定;(2)公式单位的一致性。,如果固体表面面积为A,则对流换热量为:,当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积
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