2传热学基本知识.ppt

2 2 传热学基本知识2.1 2.1 稳定传热的基本概念稳定传热的基本概念2.2 2.2 对流换热对流换热2.3 2.3 辐射换热的基本概念辐射换热的基本概念2.4 2.4 传热传热2.1 2.1 稳定传热的基本概念稳定传热的基本概念温度温度宏观定义：表示物体冷热程度的物理量。宏观定义：表示物体冷热程度的物理量。微观定义：表示物体内部大量粒子热运动的剧烈程度，反微观定义：表示物体内部大量粒子热运动的剧烈程度，反映了物体内粒子热运动平均动能的大小。映了物体内粒子热运动平均动能的大小。温标：温度的标尺温标：温度的标尺绝对温标：国际单位制规定热力学温度温标，符号为绝对温标：国际单位制规定热力学温度温标，符号为T，单位为单位为K（开尔文），中文代号为开。热力学温标规定纯水（开尔文），中文代号为开。热力学温标规定纯水三相点温度（即水的汽、液、固三相平衡共存时的温度）三相点温度（即水的汽、液、固三相平衡共存时的温度）为基本定点，并指定为为基本定点，并指定为273.16K。摄氏温标：实用温标，又称百分温标。它是把在标准大摄氏温标：实用温标，又称百分温标。它是把在标准大气压下，纯水开始结冰的温度（冰点）定为零度，把纯水气压下，纯水开始结冰的温度（冰点）定为零度，把纯水沸腾时的温度（沸点）定为沸腾时的温度（沸点）定为100100度，将度，将0 0与与100100之间的尺面分之间的尺面分为为100100等份，每一等份就是等份，每一等份就是1 1度。用符号度。用符号t t表示，单位为摄氏表示，单位为摄氏度，代号为度，代号为。两者关系：两者关系：1 1=1K =1K 且且 T=t+273.16T=t+273.16t+273 Kt+273 K2.1.1 2.1.1 温度场温度场导热与物体内的温度场密切相关。温度场是某一时导热与物体内的温度场密切相关。温度场是某一时刻空间中各点温度分布的总称。一般来说，温度场刻空间中各点温度分布的总称。一般来说，温度场是空间坐标和时间的函数，即是空间坐标和时间的函数，即上式表示物体内部温度在上式表示物体内部温度在x x、y y、z z三个方向和在时三个方向和在时间上均发生变化的三维非稳态温度场。如果温度场间上均发生变化的三维非稳态温度场。如果温度场不随时间变化，则上式变为不随时间变化，则上式变为 如果在上式的基础上温度场内的温度变化仅如果在上式的基础上温度场内的温度变化仅与两个或一个坐标有关，则称为二维或一维与两个或一个坐标有关，则称为二维或一维稳态温度场，即稳态温度场，即 或或 或或 或或 或或可以看出在直角坐标中将温度场分为不随时可以看出在直角坐标中将温度场分为不随时间变化的和随时间变化的两种，即稳态温度间变化的和随时间变化的两种，即稳态温度场和非稳态温度场。场和非稳态温度场。2.1.2 2.1.2 等温面与等温线等温面与等温线等温面是同一时刻在温度场中所有温度相同的点连等温面是同一时刻在温度场中所有温度相同的点连接构成的面。接构成的面。不同的等温面与同一平面相交所得到的一簇曲线为不同的等温面与同一平面相交所得到的一簇曲线为等温线。等温线。同时刻两个不同等温线不会彼此相交。同时刻两个同时刻两个不同等温线不会彼此相交。同时刻两个不同等温线不会彼此相交。不同等温线不会彼此相交。2.1.3 2.1.3 温度梯度温度梯度 热传递的基本条件热传递的基本条件：在温差的作用下，才有热量传递，而：在温差的作用下，才有热量传递，而在等温面（线）上不可能有热量传递，所以热量传递只能在等温面（线）上不可能有热量传递，所以热量传递只能发生在不同的等温线之间。发生在不同的等温线之间。温度梯度：两个等温线之间的变化以垂直于法线方向上温温度梯度：两个等温线之间的变化以垂直于法线方向上温度的变化率最大，这一温度最大变化率为温度梯度，用表度的变化率最大，这一温度最大变化率为温度梯度，用表示。即示。即温度梯度在直角坐标系中可表示为温度梯度在直角坐标系中可表示为温度梯度的负值称为温度降度。温度梯度的负值称为温度降度。例题例题2.12.1 在稳态情况下，有一厚度为50mm的平壁，其材料的导热系数为定值，平壁两侧的温度为400和600。如图2.2所示的温度梯度是多少？解解 由于在稳态情况下，再根据给出的条件。情况(a)的温度梯度为 情况(b)的温度梯度为 2.1.4 2.1.4 导热定律导热定律 单位时间内通过单位给定截面的导热量，称为热流量，记单位时间内通过单位给定截面的导热量，称为热流量，记作作q q，单位是，单位是W/mW/m2 2 。傅里叶定律：傅里叶定律：表明热流量是一个向量表明热流量是一个向量(热流向量热流向量)，它与温度梯度位于等，它与温度梯度位于等温面同一法线上，但指向温度降低的方向，式中的负号表温面同一法线上，但指向温度降低的方向，式中的负号表示热流量和温度梯度的方向相反，永远顺着温度降低的方示热流量和温度梯度的方向相反，永远顺着温度降低的方向。向。2.1.5 2.1.5 导热系数导热系数2.1.5.1 2.1.5.1 导热系数的定义导热系数的定义导热系数在数值上等于温度降度为导热系数在数值上等于温度降度为1/m1/m时单位时间内单位时单位时间内单位导热面积的导热量，单位是导热面积的导热量，单位是w/(mw/(m)。导热系数是材料固。导热系数是材料固有的热物理性质，其数值表示物质带热能力的大小。有的热物理性质，其数值表示物质带热能力的大小。表表2.12.1列出了列出了00时物质的导热系数。时物质的导热系数。2.1.5.2 2.1.5.2 导热系数的影响因素导热系数的影响因素(1)(1)温度温度许多工程材料，在一定温度范围内，导热系数可以认为是温度的许多工程材料，在一定温度范围内，导热系数可以认为是温度的线性函数，它们的关系可以用下式表达线性函数，它们的关系可以用下式表达(2)(2)密度密度 习惯上把导热系数小于习惯上把导热系数小于0.2W/(m0.2W/(m)的材料定义为保温隔热材料。的材料定义为保温隔热材料。如岩棉、矿渣棉、玻璃棉、微孔硅酸钙、膨胀珍珠岩、泡沫塑料如岩棉、矿渣棉、玻璃棉、微孔硅酸钙、膨胀珍珠岩、泡沫塑料和发泡石棉等。和发泡石棉等。结论：密度越小，这些材料中所含的导热系数小的介质越多，材结论：密度越小，这些材料中所含的导热系数小的介质越多，材料的导热系数越小。料的导热系数越小。(3)(3)湿度湿度保温隔热性的多孔材料很容易吸收水分，吸水后，由于孔隙中充满保温隔热性的多孔材料很容易吸收水分，吸水后，由于孔隙中充满了水，水导热系数大于空气导热系数，加之在温度梯度的推动下了水，水导热系数大于空气导热系数，加之在温度梯度的推动下引起水分迁移而传递热量。引起水分迁移而传递热量。结论：物质湿度越大，它的导热系数较大；反之，结论：物质湿度越大，它的导热系数较大；反之，导热系数较小导热系数较小。所以，在寒冷地区保温隔热时要特别注意防潮。所以，在寒冷地区保温隔热时要特别注意防潮。传热的基本方式：传热存在的条件：有温度差存在。（热量的转移总是由高温传热存在的条件：有温度差存在。（热量的转移总是由高温物体向低温物体传送。物体向低温物体传送。热量传递的三种方式：导热、热对流、热辐射。热量传递的三种方式：导热、热对流、热辐射。a.a.导热：温度不同的物体直接接触，温度较高的物体把热能传导热：温度不同的物体直接接触，温度较高的物体把热能传给温度较低的物体，或在同一物体内部，热能从温度较高给温度较低的物体，或在同一物体内部，热能从温度较高的部分传给温度较低的部分的传热现象。的部分传给温度较低的部分的传热现象。导热的特点：在传热过程中没有物质的迁移。导热的特点：在传热过程中没有物质的迁移。导热存在条件：单纯导热只发生在密实的固体中。导热存在条件：单纯导热只发生在密实的固体中。导热的计算导热的计算:或或b.b.热对流：依靠流体的运动，热量由一处传递到另一处的热对流：依靠流体的运动，热量由一处传递到另一处的现象。现象。对流换热：流体与固体壁间的换热，它是热对流与导热的对流换热：流体与固体壁间的换热，它是热对流与导热的综合作用，所以，它已不再是基本的传热方式。综合作用，所以，它已不再是基本的传热方式。热对流的特点：传热过程中，流体质点发生了相对位移。热对流的特点：传热过程中，流体质点发生了相对位移。C.C.热辐射及其特点在第三节介绍。热辐射及其特点在第三节介绍。稳态传热的基本概念：稳态传热的基本概念：a.a.稳态传热：温差保持定值，不随时间变化。稳态传热：温差保持定值，不随时间变化。b.b.非稳态传热：温差不能保持定值，温差随时间发生变化。非稳态传热：温差不能保持定值，温差随时间发生变化。c.c.根据热传递的方向性，传热可分为：一维传热、二维传热、根据热传递的方向性，传热可分为：一维传热、二维传热、三维传热。三维传热。2.2 2.2 对流换热对流换热2.2.1 2.2.1 对流换热过程的特点对流换热过程的特点对流换热是一种复杂的热交换过程，它已不是导热的基本方对流换热是一种复杂的热交换过程，它已不是导热的基本方式，这种过程既包括流体分子之间的导热作用，同时也包括式，这种过程既包括流体分子之间的导热作用，同时也包括流体位移所产生的对流作用。流体位移所产生的对流作用。对流时热量转移，则是依靠流体产生的位移。对流时热量转移，则是依靠流体产生的位移。一切支配流体导热和热对流作用的因素诸如流动起因、流一切支配流体导热和热对流作用的因素诸如流动起因、流动状态、流体的种类和物性、壁面几何参数等因素都会影响动状态、流体的种类和物性、壁面几何参数等因素都会影响对流换热。对流换热。2.2.2 2.2.2 影响对流换热的因素影响对流换热的因素(1)(1)流动的起因流动的起因一种是自然对流，即由于流体各部分温度不同所引起的密度一种是自然对流，即由于流体各部分温度不同所引起的密度差异产生的流动；差异产生的流动；一种是受迫运动，即受外力影响，例如受风力、风机、水泵的作一种是受迫运动，即受外力影响，例如受风力、风机、水泵的作用所发生的流体运动。用所发生的流体运动。在一般情况下，流体发生受迫对流时，也会发生自然对流。在一般情况下，流体发生受迫对流时，也会发生自然对流。(2)(2)流体流动状态流体流动状态层流：流动速度较小时，流体各部分均沿流道壁面做平行运动，层流：流动速度较小时，流体各部分均沿流道壁面做平行运动，互不干扰，这种流动称为层流。（导热）互不干扰，这种流动称为层流。（导热）紊流：当流动速度较大时，流体各部分的运动呈不规则的混乱状紊流：当流动速度较大时，流体各部分的运动呈不规则的混乱状态，并有旋涡产生，这种流动称为紊流。（导热、对流换热）态，并有旋涡产生，这种流动称为紊流。（导热、对流换热）(3)(3)流体的物理性质流体的物理性质影响换热过程的物理参数有：导热系数影响换热过程的物理参数有：导热系数、热容、热容C C、密度、密度、动、动力粘度力粘度 等。等。(4)(4)换热表面的几何尺寸、形状与大小换热表面的几何尺寸、形状与大小壁面的几何因素影响流体在壁面上的流态、速度分布、温度壁面的几何因素影响流体在壁面上的流态、速度分布、温度分布。分布。2.2.3 2.2.3 表面换热系数表面换热系数一般情况下，计算流体和固体壁面问的对流换热量q是以牛顿公式(牛顿1701年提出)为基础，其公式如下 表面传热系数将是众多因素的函数，即 2.3 2.3 辐射换热的基本概念辐射换热的基本概念2.3.1 2.3.1 基本概念基本概念辐射（宏观定义辐射（宏观定义)：是波或大量微观粒子从发射体是波或大量微观粒子从发射体向四周传播的过程。向四周传播的过程。辐射（微观定义辐射（微观定义)：电磁波理论解释说，物质是由电磁波理论解释说，物质是由分子、原子、电子等基本粒子组成的，当原子内部分子、原子、电子等基本粒子组成的，当原子内部的电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，的电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。发出电磁波向空间传播，这就是辐射。2.3.1.2 2.3.1.2 热射线热射线波长波长 之间的电磁波称为热射线，它之间的电磁波称为热射线，它们投射到物体上能产生热效应。热射线包括部分紫们投射到物体上能产生热效应。热射线包括部分紫外线、可见光和红外线。外线、可见光和红外线。紫外线连同伦琴射线、紫外线连同伦琴射线、射线，是波长射线，是波长 范围的电磁波；范围的电磁波；可见光是波长可见光是波长 范围的电磁波；范围的电磁波；红外线是红外线是 范围的电磁波。范围的电磁波。2.3.1.3 2.3.1.3 热辐射热辐射热辐射是物体因自身具有温度而向外发射能量的现象。热辐射是物体因自身具有温度而向外发射能量的现象。或者说，如果是由于自身温度或热运动的原因而激发或者说，如果是由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播，就称为热辐射。产生的电磁波传播，就称为热辐射。2.3.1.4 2.3.1.4 辐射换热的特点辐射换热的特点第一，辐射换热不依靠物质的接触就可以进行热量传递，第一，辐射换热不依靠物质的接触就可以进行热量传递，这是因为电磁波可以在真空中进行；这是因为电磁波可以在真空中进行；第二，辐射换热伴随着能量形式的转化，第二，辐射换热伴随着能量形式的转化，物体内能物体内能 电磁波电磁波 物体内能物体内能 ；第三，物体间的辐射换热无时无刻不在进行，只要物体温第三，物体间的辐射换热无时无刻不在进行，只要物体温度大于度大于0K0K，就会有热辐射发生。，就会有热辐射发生。2.3.1.5 2.3.1.5 辐射强度辐射强度辐射强度是指物体表面朝向某给定方向，对垂直于该方向辐射强度是指物体表面朝向某给定方向，对垂直于该方向的单位面积，在单位时间、单位立体角内所发射的全波长的单位面积，在单位时间、单位立体角内所发射的全波长总能量，用符号总能量，用符号I I表示，单位为表示，单位为W W(m(m2 2sr)sr)。srsr为球面度，是立体角的单位。所谓立体角又称球为球面度，是立体角的单位。所谓立体角又称球面角或空间角，是指在以，面角或空间角，是指在以，r r为半径的球面上，某为半径的球面上，某割切的面积割切的面积F F所对应的球心角度，用符号所对应的球心角度，用符号表示，表示，单位为单位为srsr。立体角大小用下式计算。立体角大小用下式计算 2.3.1.6 2.3.1.6 单色辐射强度单色辐射强度 若若辐辐射射强强度度仅仅指指某某波波长长 下下波波长长间间隔隔 范范围围内内所所发发射射的的能能量量，即称单色辐射强度。用符号表示，单位为即称单色辐射强度。用符号表示，单位为 。2.3.1.7 2.3.1.7 辐射力辐射力辐辐射射力力是是指指发发射射物物体体每每单单位位表表面面积积在在单单位位时时间间内内向向半半球球空空间间所所发发射的全波长能量，用符号射的全波长能量，用符号E E表示，单位为表示，单位为 。2.3.1.8 2.3.1.8 单色辐射力单色辐射力单单色色辐辐射射力力是是指指在在某某波波长长 下下波波长长间间隔隔 范范围围内内所所发发射射的的能能量量，用符号表示，单位为用符号表示，单位为 。2.3.1.9 2.3.1.9 定向辐射力定向辐射力定向辐射力指在某方向上单位立体角内所发射的能量，用定向辐射力指在某方向上单位立体角内所发射的能量，用符号符号 表示，单位为表示，单位为 。2.3.1.10 2.3.1.10 吸收、反射和透射吸收、反射和透射假设投射到物体上的总能量为假设投射到物体上的总能量为G G，被吸收，被吸收 、反射、反射 ，透射透射 ，根据能量守恒原理：，根据能量守恒原理：2.3.1.11 2.3.1.11 黑体、白体和透明体黑体、白体和透明体如果物体能完全吸收外来的投射能量，即如果物体能完全吸收外来的投射能量，即 ，这样的物体，这样的物体称为绝对黑体，简称黑体。称为绝对黑体，简称黑体。如果物体能完全反射外来的投射能量即如果物体能完全反射外来的投射能量即 ，这样的物体，这样的物体称为绝对白体，简称白体。称为绝对白体，简称白体。如果物体能完全透射外来的投射能量，即如果物体能完全透射外来的投射能量，即 ，这样的物体，这样的物体称为透明体，或称透热体。称为透明体，或称透热体。2.3.2 2.3.2 热辐射的基本定律热辐射的基本定律热热辐辐射射的的基基本本定定律律主主要要有有普普朗朗克克定定律律、维维恩恩(位位移移)定定律律、斯斯蒂蒂芬芬玻耳兹曼定律和基尔霍夫定律。玻耳兹曼定律和基尔霍夫定律。2.3.2.1 2.3.2.1 普朗克定律普朗克定律普普朗朗克克定定律律表表达达了了黑黑体体单单色色辐辐射射力力与与波波长长、热热力力学学温温度度之之间间的的函函数数关系，这种函数关系可以表示为关系，这种函数关系可以表示为 2.3.2.2 2.3.2.2 维恩（位移）定律维恩（位移）定律维维恩恩（位位移移）定定律律表表达达了了这这种种波波长长极极值值与与热热力力学学温温度度之之间间的的函函数数关关系：系：2.3.2.3 2.3.2.3 斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律斯斯蒂蒂芬芬-玻玻尔尔兹兹曼曼定定律律表表达达了了黑黑体体辐辐射射力力和和绝绝对对温温度度之之间间的的关关系：系：黑体辐射常数，黑体辐射常数，黑体辐射系数，黑体辐射系数，2.3.2.4 2.3.2.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律表达了实际物体的辐射能力和吸收能力之间的关系：基尔霍夫定律表达了实际物体的辐射能力和吸收能力之间的关系：根据发射率的定义，基尔霍夫还有以下形式根据发射率的定义，基尔霍夫还有以下形式:（适用于漫（适用于漫-灰表面）灰表面）2.3.3 2.3.3 辐射隔热辐射隔热推推论论：当当加加入入n n块块与与板板面面发发射射率率相相同同的的遮遮热热板板后后，两两平平行行平平板板间间的辐射换热量将减少到原来的的辐射换热量将减少到原来的 。2.4 2.4 传热传热2 24 41 1 通过平壁及圆筒壁的传热通过平壁及圆筒壁的传热2.4.1.1 2.4.1.1 通过平壁的传热通过平壁的传热传热：这种热流体通过固体壁将热量传给冷流体的过程叫传热。传热：这种热流体通过固体壁将热量传给冷流体的过程叫传热。设有一单层平壁如图设有一单层平壁如图2 22323所示，在稳定状态所示，在稳定状态 下，热流体将热量传给壁面，通过平壁的导热传下，热流体将热量传给壁面，通过平壁的导热传 到另一侧壁面，然后由另一侧壁面传给冷流到另一侧壁面，然后由另一侧壁面传给冷流 体。忽略热量损失，有体。忽略热量损失，有 将上面公式整理得将上面公式整理得 令 称为传热系数，单位 是 ，所以通过单层平壁的传热量可以表示 为 W W 我们把单位面积平壁的传热量称为热流通量，于是根据上式，热我们把单位面积平壁的传热量称为热流通量，于是根据上式，热流通量可以表示为流通量可以表示为因为传热系数的倒数是热阻因为传热系数的倒数是热阻R R，即，即多层平壁的热流通量为：多层平壁的热流通量为：例题例题2.6P342.6P342.4.2 2.4.2 传热的增强和削弱传热的增强和削弱2.4.2.1 2.4.2.1 增强传热的基本途径增强传热的基本途径由由传传热热的的基基本本公公式式可可以以看看出出，传传热热与与传传热热系系数数、传传热热面面积积、传传热热温温差差有有关关系系，因因此此增增强强传传热热的的基基本本途途径径有有：提提高高传传热热系系数数、增大传热面积、加大传热温差、增加传质。增大传热面积、加大传热温差、增加传质。(1)(1)提高传热系数提高传热系数 (2)(2)增大传热面积增大传热面积 (3)(3)增大传热温差增大传热温差(4)(4)增加传质增加传质2.4.2.2 2.4.2.2 增强传热的方法增强传热的方法(1)(1)改变流体的流动情况改变流体的流动情况(2)(2)改变流体的物性改变流体的物性(3)(3)改变换热表面情况改变换热表面情况 2.4.2.3 2.4.2.3 削弱传热的方法削弱传热的方法(1)(1)热绝缘热绝缘 真空热绝缘真空热绝缘 多层热绝缘多层热绝缘 粉末热绝缘粉末热绝缘 泡沫热绝缘泡沫热绝缘 (2)(2)改变表面状况改变表面状况