第1章 传热学.ppt

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1、中国 南京传 热 学学Heat Transfer讲讲 课：课：肖肖 军军能源与环境学院能源与环境学院电电 话：话：1367518827313675188273学时分配学时分配总时数总时数讲课讲课课堂讨论课堂讨论考试考试教学计划教学计划时数时数322842课时安排（第安排（第116周）：周）：n成成绩评分分标准：准：项项 目目平时成绩平时成绩 考试成绩考试成绩成绩比例成绩比例1090教材及参考书教材及参考书1.杨杨世世铭铭、陶陶文文铨铨.传传热热学学（第第四四版版）.高高等等教育出版社，教育出版社，20062.戴锅生.传热学（第二版）.高等教育出版社，19993.章熙民等.传热学（第五版）中国建

2、筑工业出版社，20074.J.P.Holman.传热学(英文版),机械工业出版社，2008第第 1 1 章章 绪绪 论论 传热学研究内容是什么？传热学研究内容是什么？传热学与工程热力学、流体力学的关系传热学与工程热力学、流体力学的关系如何？如何？为什么要学习传热学？为什么要学习传热学？传热学的主要研究方法有哪些？传热学的主要研究方法有哪些？1.1.传热学研究内容及其应用传热学研究内容及其应用1.1 传热学研究内容传热学研究内容1 1、传热学传热学：研究由温差引起的热能传递规律的科学研究由温差引起的热能传递规律的科学,即即：单位时间内所传递的热量与物体中相应温差之：单位时间内所传递的热量与物体中

3、相应温差之间的关系。间的关系。2 2、传热现象普遍存在，只要有温差存在，、传热现象普遍存在，只要有温差存在，就有热量就有热量传递。传递。3 3、热力学第二定律指出：、热力学第二定律指出：热量自发从热量自发从高温物体高温物体 低温物体低温物体。热量从高温物体传递到低温物体热量从高温物体传递到低温物体传热学传热学：研究热能（热量）传递的规律：研究热能（热量）传递的规律工程热力学工程热力学：研究热能和机械能之间的转换规律：研究热能和机械能之间的转换规律工程流体力学工程流体力学：研究流体的流动规律：研究流体的流动规律问题：问题：1kg 铝块放入铝块放入20水中，从水中，从300冷却到冷却到30：（1）

4、散失了多少热量？（）散失了多少热量？（2）需要多少冷却时间？）需要多少冷却时间？1.2 1.2 传热学与工程热力学、流体力学的关系传热学与工程热力学、流体力学的关系铝块铝块：300热力学热力学：热量平衡Q=mCp(t2-t1)=1kg0.9kJ/(kg.K)(300-30)K =243kJ研究研究：热量传递多少？水：20传热学传热学：冷却方式、过程的速率、温度场Q=kA t1.3 1.3 传热学在技术领域的应用传热学在技术领域的应用日常生活日常生活烧开水时，为什么一旦水烧干了，铝壶就很容易烧坏？为什么保温杯可以起到保温作用？能源动力工程：能源动力工程：锅炉、热交换器锅炉、热交换器发电厂的冷却塔

5、发电厂的冷却塔发电厂发电厂能源动力领域涉及大量的传热问题能源动力领域涉及大量的传热问题锅炉炉膛锅炉炉膛机械制造：机械制造：(1)热处理理过程程 (2)金属切削加工（金属切削加工（3）汽）汽车制制造造连铸连铸机械制造领域的热处理过程、机械制造领域的热处理过程、切削加工过程、汽车制造切削加工过程、汽车制造温度控制温度控制 连轧连轧机械制造领域的热处理过程、机械制造领域的热处理过程、切削加工过程、汽车制造切削加工过程、汽车制造温度控制温度控制 钢包的耐火层设计钢包的耐火层设计锻件加热锻件加热机械制造：机械制造：(1)热处理理过程程 (2)金属切削加工（金属切削加工（3）汽）汽车制制造造在航空航天领域

6、，高速飞行产生气动加热，航天飞机表面材在航空航天领域，高速飞行产生气动加热，航天飞机表面材料要求绝热良好料要求绝热良好大型客机大型客机航天飞机航天飞机 航空航天：航空航天：航天器的隔热航天器的隔热卫星上装有的太阳能吸收装置，可提供卫星工作所卫星上装有的太阳能吸收装置，可提供卫星工作所需的部分能量。需的部分能量。卫星与空间站热控制卫星与空间站热控制电脑内加强主板、芯片的散热电脑主板电子设备温度分布图 电子工业：电子工业：电子器件冷却电子器件冷却夏天有些笔记本电脑为夏天有些笔记本电脑为什么容易死机？什么容易死机？建筑工程：建筑工程：建筑物的空建筑物的空调、隔、隔热保温保温建筑物砖体的选用建筑物砖体

7、的选用建筑环境领域涉及到大量节能、建筑环境领域涉及到大量节能、保温、空调、温度场等。保温、空调、温度场等。暖气片地板辐射供暖其它：生物医学、食品干燥其它：生物医学、食品干燥（1 1）加强传热）加强传热 计算传递的热流量计算传递的热流量（2 2）削弱传热）削弱传热 计算传递的热流量计算传递的热流量（3 3）温度控制）温度控制 确定物体内各点的温度确定物体内各点的温度传热学解决的问题类型：传热学解决的问题类型：本课程讨论的范围本课程讨论的范围：假设所研究的物体中温度、密度、压：假设所研究的物体中温度、密度、压力、速度等物理参数是空间的连续函数力、速度等物理参数是空间的连续函数2.2.热量传递的三种

8、基本方式热量传递的三种基本方式1 1、热传导（导热）、热传导（导热）Heat Conduction2 2、热对流（对流）、热对流（对流）Heat Convection3 3、热辐射、热辐射 Thermal Radiation2.1 2.1 热传导（导热）热传导（导热）(heat conduction)（1 1）热传导：）热传导：指指物物体体温温度度不不同同的的各各部部分分没没有有发发生生相相对对位位移移时时，仅仅依依靠靠分分子子、原原子子及及自自由由电电子子等等微微观观粒粒子子的的热热运运动动所所发发生生的的热量传递现象。热量传递现象。热传导宏观角度：指物体各部分之间宏观角度：指物体各部分之间

9、没有发生相没有发生相对宏观运动对宏观运动时，物体内部热量从温度较高时，物体内部热量从温度较高部分传递到温度较低的部分，或者温度较部分传递到温度较低的部分，或者温度较高的物体把高的物体把热量传递给与之接触的热量传递给与之接触的温度较温度较低的物体。低的物体。微观角度：气体、液体、导电固体和非导微观角度：气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理有所不同。电固体的导热机理有所不同。导电固体导热导电固体导热：主要依靠自由电子的运动：主要依靠自由电子的运动非导电固体导热非导电固体导热：通过晶格结构的振动传递：通过晶格结构的振动传递气体导热气体导热：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结：气体分子不规则热运

10、动时相互碰撞的结果果液体导热液体导热：两种解释：两种解释 (a)(a)类似于气体，但分子间作用力对碰撞过程的影响类似于气体，但分子间作用力对碰撞过程的影响远比气体大远比气体大 (b)(b)类似于非导电固体，主要依靠晶格结构的振动类似于非导电固体，主要依靠晶格结构的振动导热微微观机理机理导电固体导热导电固体导热导电固体有相当多的自由电子在晶格之间像气导电固体有相当多的自由电子在晶格之间像气体分子那样运动。体分子那样运动。主要依靠自由电子的运动主要依靠自由电子的运动非导电固体导热非导电固体导热非导电固体：导热通过晶格结构的振动，非导电固体：导热通过晶格结构的振动，即原子、分子在其平衡位置附近的振动

11、来即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现。实现。气体分子不规则热运动时相互碰撞的结气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果，果，当温度升高，分子运动速度增加。当温度升高，分子运动速度增加。气体导热气体导热导热是物质的固有本质导热是物质的固有本质导热过程中，内部没有宏观相对运动，依导热过程中，内部没有宏观相对运动，依靠微观粒子的热运动靠微观粒子的热运动导热过程物体之间必须相接触导热过程物体之间必须相接触特点特点 平板一维导热平板一维导热平板两侧表面维持均匀温度平板两侧表面维持均匀温度t tw1w1，t tw2w2，温差温差ttt tw1w1-t-tw2w2板内各处温度不随时间变化板内各处温度不随时

12、间变化一侧表面积为一侧表面积为A A板厚度为板厚度为,A A物性为常数，则单位时间内导热热物性为常数，则单位时间内导热热量量,即即热流量热流量 =At/At/(W)(W)傅里叶定律傅里叶定律：=-Adt/dx =At/(W)式中：式中：t t 导热温差导热温差，(K)(K)A A 平板面积平板面积，m m2 2 平板厚度平板厚度，m m 热流量热流量，WW 比例系数，称为比例系数，称为热导率热导率，或导热，或导热系数，单位：系数，单位：W/(m),W/(m K W/(m),W/(m K）表征材料的导热性能表征材料的导热性能,是一物性参数，是一物性参数，与材料性质，温度等因素有关与材料性质，温度

13、等因素有关2.2 2.2 热对流热对流(heat convection)1 1）热对流热对流：流流体体的的宏宏观观运运动动而而引引起起温温度度不不同同的的各各部部分分之之间间发发生生相相对对位位移移，冷冷热热流流体体相相互互掺掺混混引引起的热量传递。起的热量传递。注意：注意：对流仅能发生在流体对流仅能发生在流体中，并伴随有热传导中，并伴随有热传导对流（2 2）对流传热对流传热：流流体体流流过过固固体体壁壁时时，对对流流和和导导热热联联合合起起作作用用的的热量传递过程。热量传递过程。n强迫对流强迫对流:流体的流动由于如泵，风机等机械流体的流动由于如泵，风机等机械作用或其它压差作用造成的。作用或其

14、它压差作用造成的。n自然对流自然对流:由于流体冷、热各部分密度不同而由于流体冷、热各部分密度不同而引起的引起的（3 3）对流传热分为：）对流传热分为：强迫对流和自然对流强迫对流和自然对流4 4）对流传热的基本计算式，称为）对流传热的基本计算式，称为牛顿牛顿(冷却冷却)公式公式：流体被加热时：流体被加热时：c=hcA(tw-tf)(W)流体被冷却时：流体被冷却时：c=hcA(tf-tw)(W)其中：其中：t tw w：壁面温度壁面温度 ；t tf f ：流体温度，流体温度，K K ，（，（）hc：比例系数，称为比例系数，称为(表面表面)对流传热系数对流传热系数单位：单位：W/(mW/(m2 2K

15、)K)，W/(mW/(m2 2 )（5 5）影响对流传热系数）影响对流传热系数hc因素：因素：流体的物性：密度流体的物性：密度，导热系数导热系数，粘度粘度，比热容比热容c cp p换热表面的形状与布置换热表面的形状与布置流体的流速流体的流速。表表1-1 1-1 对流传热系数的大致范围对流传热系数的大致范围过程W/(m2K)自然对流自然对流 空气空气110 水水2001 000 强迫对流强迫对流 气体气体20100 高压水蒸气高压水蒸气5003 500水1 00015 000 水的相变换热水的相变换热 沸腾沸腾2 50035 000 蒸汽冷凝蒸汽冷凝5 00025 0002.3 2.3 热辐射热

16、辐射(thermal radiation)（1 1）辐辐射射：物物体体通通过过电电磁波来传递能量的方式磁波来传递能量的方式 热辐射热辐射：因因热热的的原原因因而而发发出出辐射能的现象辐射能的现象辐射传热：辐射传热：物物体体间间相相互互进进行行热热的的辐辐射射和和吸吸收收所所形形成成的的换热过程换热过程热辐射热辐射（2 2）热辐射的特点）热辐射的特点：任何物体只要高于任何物体只要高于0 K,0 K,就会发出辐射热就会发出辐射热;热辐射的电磁波可以在真空中传播；热辐射的电磁波可以在真空中传播；物体与周围环境处于热平衡时，辐射传热物体与周围环境处于热平衡时，辐射传热量为零，但是动态平衡；量为零，但是

17、动态平衡；热辐射传递中伴随着能量形式的转换。热辐射传递中伴随着能量形式的转换。（3 3）物体的热辐射能力）物体的热辐射能力黑体黑体：一种理想物体，指能够吸收投入到其表面上：一种理想物体，指能够吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体，黑体的吸收和辐射能力的所有热辐射能量的物体，黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中最大。在同温度的物体中最大。黑体表面的辐射热流量黑体表面的辐射热流量(斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律Stefan-Boltzmann lawStefan-Boltzmann law）：）：r=b A T4=cbA(T/100)4 (W)T:黑体绝对温度黑体绝对温度，K；A:表面积

18、表面积，m2;b：黑体辐射常数黑体辐射常数,b 5.67108 W/（m2K4）cb：黑体辐射系数黑体辐射系数，cb 5.67 W/m2K4热辐射热辐射热辐射热辐射实际物体表面的辐射热流量：实际物体表面的辐射热流量：r=b A T4=cbA(T/100)4 (W):称为物体的称为物体的发射率发射率,又称又称黑度黑度，1，与与物体的种类及表面状态有关物体的种类及表面状态有关热辐射热辐射两物体间的辐射换热量：两物体间的辐射换热量：r=s A1T14 -T24 (W)=s A1 cb (T1/100)4 -(T2/100)4 (W)s:系统发射率，或系统黑度系统发射率，或系统黑度s与两物体的性质、现

19、状、表面状况和与两物体的性质、现状、表面状况和相对位相对位置置等因素有关等因素有关。热辐射热辐射（4 4）辐射传热与导热、对）辐射传热与导热、对流传热区别流传热区别热热辐辐射射可可以以在在真真空空中中传传播播，对对流流、导导热热只只在在有有物物质质存存在在的条件下才能实现。的条件下才能实现。辐辐射射传传热热不不仅仅产产生生能能量量的的转转移移，而而且且还还伴伴随随有有能能量量形形式式的转化，即：的转化，即：热能热能 辐射能辐射能 热能热能思考题：思考题：2.4 2.4 热量传递的复合过程热量传递的复合过程实际热量传递过程中经常是上述三种基本过程组合而成的实际热量传递过程中经常是上述三种基本过程

20、组合而成的复合过程。复合过程。高温烟气 去蒸发器热面 锅炉补给水省煤器 当一个物体表面既有对流当一个物体表面既有对流传热传热又有辐射又有辐射传热传热时，工程上常将二者结合到一起。时，工程上常将二者结合到一起。辐射辐射传热传热公式写为公式写为：r=hrA(tw tf)r=s A1Tw4 -Tf4 对流传热公式为对流传热公式为:c=hcA(tw tf)其中其中hr为为辐射传热系数辐射传热系数,hc为对流传热系数为对流传热系数则则：h=hr hc 称为称为表面传热系数表面传热系数总传热量可表示为总传热量可表示为：=hA(tw tf)例例题 一根水平放置的蒸汽管道，一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径

21、其保温层外径d=583 mm，外外表面实测平均温度及空气温度分别为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系数h=3.42 W/(m2 K),保温层外表面的发射率保温层外表面的发射率问：（问：（1）此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；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。）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。）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）把管道每米长度上的散热量记

22、为近似地取室内物体与墙壁表面温度为室内空气温度，近似地取室内物体与墙壁表面温度为室内空气温度，于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：是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：讨讨论论：计计算算结结果果表表明明，对对于于表表面面温温度度为为几几十十摄摄氏氏度度的的一一类类表表面面的的散散热热问问题题，自自然然对对流流散散热热量量与与辐辐射射具具有有相相同同的的数量级，必须同时予以考虑。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当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热3、传热过程和传热系数、传热过程和传热系数传热过程传热过程：指热流体通过将冷

23、、热流体隔开的固体：指热流体通过将冷、热流体隔开的固体壁面将热量传给冷流体的过程。壁面将热量传给冷流体的过程。tf1h1h2tf2（1 1）热流体传递给壁面高温侧的热量：）热流体传递给壁面高温侧的热量：=h1(tf1-tw1)A（2 2）从壁面高温侧传递给低温侧的热量：从壁面高温侧传递给低温侧的热量：=/(tw1-tw2)A（3 3）从壁面低温侧传递冷流体的热量：从壁面低温侧传递冷流体的热量：=h2(tw2 tf2)A 3.1 3.1 热量传递的三个环节热量传递的三个环节：上式上式改写为温差的形式改写为温差的形式：稳态换热，各温度值保持不变，此三部分热流量相等，消去tw1,tw2得：tf1h1

24、h2tf2=h1(tf1-tw1)A=/(tw1-tw2)A =h2(tw2 tf2)A传热方程式传热方程式：K：称为称为传热系数传热系数，单位，单位 W/(mW/(m2 2K)K)，W/(mW/(m2 2)K数学表达式：数学表达式：v 数值上等于冷、热流体间温差数值上等于冷、热流体间温差 t=1 K(t=1 K(）换热面积换热面积A=1mA=1m2 2时的热流量的值。时的热流量的值。v表征传热过程强烈程度的标尺，传热过程表征传热过程强烈程度的标尺，传热过程越强，传热系数越大越强，传热系数越大。将将传热方程式改写为下传热方程式改写为下面形式：面形式：其中其中 称为称为传热热阻传热热阻Rt具有类

25、似于电阻的作用具有类似于电阻的作用分别由分别由 、串联叠串联叠加组成加组成n电学中欧姆定律：电学中欧姆定律：n其中其中R R为电阻为电阻3.2 3.2 传热热阻传热热阻对单位面积的传热量，对单位面积的传热量，则传热方程式改写为下则传热方程式改写为下面形式：面形式：热流密度热流密度这时这时 为为面积传热热面积传热热阻阻r rt t：分别由面积热阻分别由面积热阻 、和和 串联叠加组成串联叠加组成n电学中欧姆定律：电学中欧姆定律：n其中其中R R为电阻为电阻例 内内燃燃机机气气缸缸壁壁厚厚=15mm，热热导导率率w=46.5W/(mK)，燃燃气气与与气气缸缸内内表表面面对对流流传传热热系系数数hci

26、=475W/(m2K),辐辐射射传传热热系系数数hri=25W/(m2K),气气缸缸外外表表面面冷冷却却水水对对流流传传热热系系数数h0=2000W/(m2K).设设内内燃燃机机气气缸缸壁壁可可近近似似视视为为平平壁壁，试试计计算算内内燃燃机机气气缸缸壁壁的的总总热热阻阻Rt。运运行行一一段段时时间间后后，冷冷却却水水侧侧结结了了2mm厚厚水水垢垢，水水垢垢的的热热导导率率f=1.5W/(mK)，试试计计算算由由于于水水垢垢引引起的总热阻相对变化。起的总热阻相对变化。(1)无水垢时Rt=Ri+Rw+Ro(2)结水垢时:Rt=Ri+Rw+Rf+Ro(3)总热阻相对增加1.4 传热学研究方法（1

27、1）理论研究理论研究 数学分析法、数值模拟、比拟法数学分析法、数值模拟、比拟法（2 2）实验研究实验研究 在相似原理指导下建立试验台，在相似原理指导下建立试验台，利用得出的充足的实验数据整理成特征利用得出的充足的实验数据整理成特征实验关联式。实验关联式。传热学学学学习方法、要点方法、要点:重视对基本概念和基本理论的学习基本概念和基本理论的学习,做到对所研究的物理过程有深刻的理解 学会传热学分析和解决实际问题的思路和方法传热学分析和解决实际问题的思路和方法,培养综合分析问题的能力和创造性的思维能力理论与实践相结合,培养工程分析能力和灵活应用工程分析能力和灵活应用经验公式、计算图表的能力经验公式、计算图表的能力充分认识自学的重要性,培养独立获取知识的能力及时复习与小结