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传热学讲稿第1页，共35页，编辑于2022年，星期四0概概 述述 1.1.传热学（传热学（Heat TransferHeat Transfer）(1)(1)研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递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、计算和测试方法的机理、规律、计算和测试方法(2)(2)热量传递过程的推动力：温差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 低温热源低温热源 有温差就会有传热有温差就会有传热 温差是热量温差是热量 传递的推动力传递的推动力 第2页，共35页，编辑于2022年，星期四2.2.传热学与工程热力学的关系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系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程另一个平衡态的过程中传递热量的多少。中传递热量的多少。关心的是热量传递关心的是热量传递的过程，即热量传的过程，即热量传递的速率。递的速率。热力学：传热学：水，M220oC铁 块,M1300oC图0-1 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 始终是守恒的第3页，共35页，编辑于2022年，星期四3 3 传热学应用实例传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍传热很普遍 b b 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：2525度）的空气和水中的感觉不度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？一样。为什么？c 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？释其道理？越厚越好？(1)(1)日常生活中的例子：日常生活中的例子：a a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都冬天都保持保持2020度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一度，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？样？为什么？第4页，共35页，编辑于2022年，星期四(2)(2)建筑环境与设备工程专业领域大量存在传热问题建筑环境与设备工程专业领域大量存在传热问题例如：热源和冷源设备的选择、配套和合理有效利用；供热通例如：热源和冷源设备的选择、配套和合理有效利用；供热通风空调及燃气产品的开发、设计和实验研究；各种供热设备管风空调及燃气产品的开发、设计和实验研究；各种供热设备管道的保温材料及建筑围护结构材料的研制及其热物理性质的测道的保温材料及建筑围护结构材料的研制及其热物理性质的测试、热损失的分析计算；各类换热器的设计、选择和性能评价；试、热损失的分析计算；各类换热器的设计、选择和性能评价；建筑物的热工计算和环境保护等。建筑物的热工计算和环境保护等。第5页，共35页，编辑于2022年，星期四4 4 传热过程的分类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。按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类。第6页，共35页，编辑于2022年，星期四1 1 传热的三种基本方式传热的三种基本方式1 1 导热（热传导）导热（热传导）(Conduction)(Conduction)热量传递的三种基本方式：导热热量传递的三种基本方式：导热(热传导热传导)、对流、对流(热对流热对流)和热辐射和热辐射。(1)(1)定定义义：指指温温度度不不同同的的物物体体各各部部分分或或温温度度不不同同的的两两物物体体间间直直接接接接触触时时，依依靠靠分分子子、原原子子及及自自由由电电子子等等微微观观粒粒子子热热运运动动而而进进行行的的热热量传递现象量传递现象(2)(2)物质的属性：物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生(3)(3)导热的特点：导热的特点：a a 必须有温差；必须有温差；b b 物体直接接触；物体直接接触；c c 依依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。第7页，共35页，编辑于2022年，星期四(4)(4)一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 如图如图0-20-2所示，稳态所示，稳态 q=const q=const。第8页，共35页，编辑于2022年，星期四Q图图0-2 0-2 导热热阻的图示导热热阻的图示 t0 x dxdtQ导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻第9页，共35页，编辑于2022年，星期四例例 题题 1-11-1例题例题 1-1 1-1 一块厚度一块厚度=100=100 mm mm 的平板，的平板，两侧表面分别维持在两侧表面分别维持在试求下列条件下的热流密度。试求下列条件下的热流密度。(1)(1)材料为铜，材料为铜，=375=375 W/(m.K);W/(m.K);(2)(2)材料为钢，材料为钢，=36=36.4.4 W/(m.K);W/(m.K);(3)(3)材料为铬砖，材料为铬砖，=2.=2.3232 W/(m.K)W/(m.K)；(4)(4)材料为铬藻土砖，材料为铬藻土砖，=0.=0.242242 W/(m.K)W/(m.K)。解：参见图解：参见图1-21-2。及一维稳态导热公式有：及一维稳态导热公式有：第10页，共35页，编辑于2022年，星期四铬砖：铬砖：硅藻土砖：硅藻土砖：讨讨论论：由由计计算算可可见见，由由于于铜铜与与硅硅藻藻土土砖砖导导热热系系数数的的巨巨大大差差别别，导导致致在在相相同同的的条条件件下下通通过过铜铜板板的的导导热热量量比比通通过过硅硅藻藻土土砖砖的的导导热热量量大大三三个个数数量量级级。因因而而，铜铜是是热热的的良良导导体体，而而硅硅藻藻土土砖砖则则起起到到一一定定的的隔隔热作用热作用铜：铜：钢：钢：第11页，共35页，编辑于2022年，星期四(1)(1)定义定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之流体中（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。传递到另一处的现象。2 2 对流（热对流）对流（热对流）(Convection)(Convection)(2)(2)对流换热对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递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：过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：a a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差必须有温差 c c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)(3)对流换热的分类对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热有相变：沸腾换热和凝结换热第12页，共35页，编辑于2022年，星期四(4)(4)对流换热的基本计算公式对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式h 表面传热系数 热流量W，单位时间传递的热量q 热流密度A 与流体接触的壁面面积 固体壁表面温度 流体温度第13页，共35页，编辑于2022年，星期四 当当流流体体与与壁壁面面温温度度相相差差1 1度度时时、每每单单位位壁壁面面面面积积上上、单单位位时间内所传递的热量时间内所传递的热量影响影响h h因素：因素：流速、流体物性、壁面形状大小等流速、流体物性、壁面形状大小等（Convection heat transfer coefficientConvection heat transfer coefficient）(5)(5)对流换热系数对流换热系数(表面传热系数表面传热系数)第14页，共35页，编辑于2022年，星期四Thermal resistance for convectionThermal resistance for convection(6)(6)对流换热热阻：对流换热热阻：第15页，共35页，编辑于2022年，星期四(1)(1)定义定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象3 3 3 3 热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiation)(2)(2)特点特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停地向周围空间发，就会不停地向周围空间发出热辐射；出热辐射；b b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d d 具有强烈的具有强烈的方向性；方向性；e e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；f f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4 4次方。次方。(3)(3)生活中的例子：生活中的例子：a a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服；要舒服；c c 太阳能传递到地面太阳能传递到地面 d d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在冬天，蔬菜大棚内的空气温度在00以上，但地面却可能以上，但地面却可能 结冰。结冰。第16页，共35页，编辑于2022年，星期四(5)(5)辐射换热的特点辐射换热的特点a a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在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真空中就可以传递能量b b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能c c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、相波能、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)(4)辐射换热：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。射不同，就像对流和对流换热一样。第17页，共35页，编辑于2022年，星期四(6)(6)辐射换热的研究方法：辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共假设一种黑体，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的热辐射规律(7)(7)黑体的定义：黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，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最强 (8)(8)黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程：Stefan-Boltzmann Stefan-Boltzmann 定律定律，真实物体则为：真实物体则为：（9 9）两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 第18页，共35页，编辑于2022年，星期四图图0 03 3 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热第19页，共35页，编辑于2022年，星期四例例 题题 0-2 0-2 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：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：第20页，共35页，编辑于2022年，星期四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第21页，共35页，编辑于2022年，星期四2 2 传热过程和传热系数传热过程和传热系数1 1 传热过程的定义：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热2 2 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射导热、对流、热辐射辐射换热、辐射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导图图0 04 4 墙壁的散热墙壁的散热第22页，共35页，编辑于2022年，星期四3 3 一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递图图0 05 5 一维稳态传热过程一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻左侧对流换热热阻固体的导热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻第23页，共35页，编辑于2022年，星期四上面传热过程中传递的热量为：上面传热过程中传递的热量为：(1-10)传热系数传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，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。不是物性参数，与过程有关。传热系数传热系数单位热阻或面积热阻单位热阻或面积热阻第24页，共35页，编辑于2022年，星期四a k k 越大，传热越好。若要增大越大，传热越好。若要增大 k k，可增大，可增大c h h1 1、h h2 2的计算方法及增加的计算方法及增加k k值的措施是本课程的重要值的措施是本课程的重要 内容内容注意：注意：b 非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法第25页，共35页，编辑于2022年，星期四概念理解：概念理解：1.热量传递的三种基本方式。热量传递的三种基本方式。2.一维大平壁导热的基本表达式及其中各物理量的定义。一维大平壁导热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。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。的定义。5.传热过程及传热系数的定义及物理意义。传热过程及传热系数的定义及物理意义。6.热阻的概念热阻的概念.对流热阻对流热阻,导热热阻的定义及基本表达式。导热热阻的定义及基本表达式。7.对流换热和传热过程的区别对流换热和传热过程的区别.表面传热系数表面传热系数(对流换热系对流换热系 数数)和传热系数的区别。和传热系数的区别。8.导热系数导热系数,表面传热系数和传热系数之间的区别。表面传热系数和传热系数之间的区别。第26页，共35页，编辑于2022年，星期四1，导热学微分方程条件，导热学微分方程条件3 3 通用方程通用方程第27页，共35页，编辑于2022年，星期四2，导热学微分方程条件与最终方程，导热学微分方程条件与最终方程整理得到导热学非稳态微分方程：整理得到导热学非稳态微分方程：第28页，共35页，编辑于2022年，星期四3，导热学微分方程应用情况，导热学微分方程应用情况几种情况：几种情况：第29页，共35页，编辑于2022年，星期四几种情况：几种情况：第30页，共35页，编辑于2022年，星期四4，导热学微分方程应用例子，导热学微分方程应用例子例子说明：例子说明：第31页，共35页，编辑于2022年，星期四例子说明：例子说明：第32页，共35页，编辑于2022年，星期四1，导热系数导热系数(W/mK)：芯片：芯片：150 银浆：银浆：2.4 塑封树脂：塑封树脂：0.89 框架：框架：170 PCB(FR4):6 焊锡：焊锡：602，对流系数，对流系数h（W/m2K）（目前取了）（目前取了8）自然对流：自然对流：空气：空气：1-10，水：水：2001100 强制对流：强制对流：气体：气体：20100，高压水蒸汽：高压水蒸汽：5003500，水：，水：1000-15000 水的相变：沸腾：水的相变：沸腾：250035000，蒸汽凝结：，蒸汽凝结：5000-250004 4 ABAQUS热仿真参数输入热仿真参数输入第33页，共35页，编辑于2022年，星期四3，内热源（内热源（W/m3)=芯片发热功率芯片发热功率/芯片体积芯片体积4，线路板尺寸：，线路板尺寸：1，Low Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages (JEDEC标准）标准）2，Test Boards for Through-Hole Perimeter Leaded Package Thermal Measurements(JEDEC标准）标准）5,边界条件边界条件 外界温度外界温度25度度第34页，共35页，编辑于2022年，星期四参参 考考 书书 教材教材:传热学传热学 章熙民等编著，第四版章熙民等编著，第四版传热学传热学 杨世铭、陶文铨编著，第三版杨世铭、陶文铨编著，第三版传热学传热学 戴锅生，第二版戴锅生，第二版数值传热学数值传热学 陶文铨编著陶文铨编著传热学传热学 赵镇南编著赵镇南编著凝结和沸腾凝结和沸腾施明恒等编著施明恒等编著辐射换热辐射换热 余其铮编著余其铮编著 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 第35页，共35页，编辑于2022年，星期四