杨世铭-陶文铨传热学B第1章.ppt

《杨世铭-陶文铨传热学B第1章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《杨世铭-陶文铨传热学B第1章.ppt（47页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、传热学传热学B B （Heat Transfer）12/30/20221成绩分布成绩分布考试考试成绩成绩 7070分分平时平时成绩成绩 3030分分传热学传热学（第四版）（第四版）杨世铭，陶文铨编杨世铭，陶文铨编 高等教育出版社高等教育出版社教材教材：其中，平时成绩含出勤、作业、实验。其中，平时成绩含出勤、作业、实验。12/30/20222作业作业:l l 1-9,1-12,1-201-9,1-12,1-20l l 2-4,2-9,2-14,2-18,2-50,2-55 2-4,2-9,2-14,2-18,2-50,2-55l l 3-10,3-13,3-21 3-10,3-13,3-21l

2、l 5-3,5-8,5-20 5-3,5-8,5-20l l 6-7,6-14,6-41 6-7,6-14,6-41l l 8-6,8-8,8-20 8-6,8-8,8-20l l 9-6,9-23,9-30 9-6,9-23,9-3012/30/20223 第一章第一章 绪绪 论论 CHAPTER 1:Introduction 12/30/202241.传热学的研究内容传热学的研究内容(1)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（单单位时间内传递热量与物体温差之间的关系，以及不同位时间内传递热量与物体温差之间的关系，以及不同条件下物体中各点的温度分布条件下物体

3、中各点的温度分布）具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法（和测试方法（传递过程中的热能称为热量传递过程中的热能称为热量）1.1 传热学的研究内容及其传热学的研究内容及其 在科学技术和工程中的应用在科学技术和工程中的应用12/30/20225(3)传热学的基本任务传热学的基本任务求解温度分布求解温度分布(temperature distribution)求解热量传递速率求解热量传递速率(heat transfer rate)(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(temperature difference)热力学第二定律：

4、热量可以自发地由高温热源传给低温热源热力学第二定律：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有温差就会有传热温差是热量传递的推动力温差是热量传递的推动力12/30/20226为什么水壶的把手要包上橡胶？为什么水壶的把手要包上橡胶？生活实例生活实例若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否 一样？为什么？一样？为什么？暖房子工程的意义？暖房子工程的意义？12/30/20227人居环境与城市规划人居环境与城市规划The Urban Heat Island Effect

5、 12/30/20228工程实例几何尺度工程实例几何尺度micro-eletrome chanical systemnano-eletro mechanical system12/30/20229工程实例时间尺度工程实例时间尺度12/30/202210 热力学热力学 +传热学传热学 =热科学热科学系统从一个平衡系统从一个平衡态到另一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递态的过程中传递热量的多少。热量的多少。关心的是热量传关心的是热量传递的过程，即热递的过程，即热量传递的速率。量传递的速率。3.传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系2.传热学研究中连续介质的假定传热学研究中连续介质的假定

6、假定所研究的物体中的温度、密度、速度、压力等假定所研究的物体中的温度、密度、速度、压力等物理参数都是空间的连续函数。物理参数都是空间的连续函数。水，水，M220oC铁铁 块块,M1300oC*稳态过程与非稳态过程稳态过程与非稳态过程*热力学第一、二定律为热力学第一、二定律为研究基础研究基础12/30/202211l强化传热，即在一定条件下增加所传递的热量；强化传热，即在一定条件下增加所传递的热量；l削弱传热，即在一定的温差下使热量的传递减到削弱传热，即在一定的温差下使热量的传递减到最小；最小；l温度控制，满足生产产品或设备安全运行要求。温度控制，满足生产产品或设备安全运行要求。4.传热学在科学

7、技术各个领域中的应用传热学在科学技术各个领域中的应用动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核动力、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（能、航空航天、微机电系统（MEMSMEMS）、纳机电系统（）、纳机电系统（NEMS)NEMS)、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术12/30/202212a a 航航空空航航天天：高高温温叶叶片片气气膜膜冷冷却却与与发发汗汗冷冷却却；火火箭箭推推力力室室的的再再生生冷冷却却与与发发汗汗冷冷却却；卫卫星星与与空空间间站站热热控控制制；空空间间飞飞行行器器重重返返大大气

8、气层层冷冷却却；超超高高音音速速飞飞行行器器（Ma=10Ma=10）冷冷却却；核核热热火火箭箭、电电火火箭箭；微微型型火火箭箭（电电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机b 微电子：微电子：电子芯片冷却电子芯片冷却c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器 官的冷冻保存官的冷冻保存d 军军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e 制制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温热泵；高温 水源热泵水源热泵f 新新 能能 源：太阳能；燃料电池源：太阳能；燃料电池1

9、2/30/202213电子器件冷却12/30/202214航天飞行器航天飞行器12/30/202215航空母舰12/30/202216航空发动机高温航空发动机高温叶片冷却叶片冷却高压透平工况：气体温度1800K叶片温度1200K冷却气体800K12/30/202217冷却技术失效时12/30/202218超临界直流锅炉12/30/202219新材料12/30/202220压水堆核电站示意图12/30/2022211.2 热能传递的三种基本方式热能传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式：热传导、热对流和热辐射热量传递的三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。1.1.热传导热传导(heat con

10、duction)(heat conduction)(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热运动而进行的热能传递现象，简称导热。子热运动而进行的热能传递现象，简称导热。(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 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递依靠分子、原子及自由电子等微观

11、粒子热运动而传递热量；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。12/30/202222气体的导热：由于分子的热运动和相互碰撞时 发生的能量传递12/30/202223(4)(4)导热的基本定律：导热的基本定律：1822年，法国数学家Fourier:上式称为上式称为FourierFourier定律，称为导热基本定律，上式是定律，称为导热基本定律，上式是一维稳态导热时一维稳态导热时FourierFourier定律的数学表达式定律的数学表达式。其中。其中：热流量（：热流量（heat transfer rate)，单位时间传递的热量，单位时间传递的

12、热量W；q：热流密度：热流密度(heat flux)，单位时间通过单位面积传递的热量；，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：垂直于导热方向的截面积m2；：导热系数（热导率：导热系数（热导率,thermal conductivity）W/(m.K)。一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热WW/m212/30/202224(6(6)一维稳态导热及导热热阻一维稳态导热及导热热阻 如图如图1-21-2所示，稳态所示，稳态 q=const，于是积分，于是积分FourierFourier定律公定律公式，有：式，有：(5(5)导热系数导热系数 (thermal conductivity

13、)表征表征材料导热能力的大小材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。类和温度有关。导热热阻导热热阻conduction resistance12/30/202225例例例例 题题题题 1-11-11-11-1例题例题 1-1 1-1 一块厚度一块厚度=50=50 mm mm 的平板，的平板，两侧表面分别维两侧表面分别维持在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/(mKw/(mK););(2)(2)材料为钢，材料为钢，=36=36.4.4 w/(mKw/(mK););(3)(3)材料

14、为铬砖，材料为铬砖，=2.=2.3232 w/(mKw/(mK)；(4)(4)材料为硅藻土砖，材料为硅藻土砖，=0.=0.242242 w/(mKw/(mK)。解：参见解：参见图图1-21-2。根据一维稳态导热公式有：根据一维稳态导热公式有：12/30/202226铬砖：铬砖：硅藻土砖：硅藻土砖：讨论：讨论：由计算可见由计算可见,由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别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，而硅藻土砖则热量大三个数量级。因而，铜是热的良导体，而

15、硅藻土砖则起到一定的隔热作用。起到一定的隔热作用。铜：铜：钢：钢：12/30/202227(1)(1)定定义义：流流体体中中（气气体体或或液液体体）温温度度不不同同的的各各部部分分之之间间，由由于于流流体体的的宏宏观观运运动动而而引引起起的的流流体体各各部部分分之之间间发发生生的的相相对对位位移移，冷冷热热流体相互掺混所导致的热量传递过程。流体相互掺混所导致的热量传递过程。2.2.热对流热对流(heat convection)(2(2)对流传热：对流传热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，与单纯当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，与单纯的对流不同，具有如下特点：的对流不同，具有如下特

16、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；也必须有温差必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差 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)对流传热的分类对流传热的分类 无相变：自然对流无相变：自然对流（natural convection)强制对流强制对流(forced convection)有相变：沸腾换热有相变：沸腾换热(boiling heat transfer)凝结换热凝结换热(condensation heat transfer)12/3

17、0/202228 对流换热中边界层的示意图对流换热中边界层的示意图12/30/202229convective heattransfer coefficient(4)(4)对流换热的基本计算式对流换热的基本计算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Newtons law of cooling12/30/202230 部分表面传热系数的数值范围部分表面传热系数的数值范围部分表面传热系数的数值范围部分表面传热系数的数值范围 对流换热类型对流换热类型对流换热类型对流换热类型 表面传热系数表面传热系数表面传

18、热系数表面传热系数 h(W/m2K)空气自然对流换热空气自然对流换热空气自然对流换热空气自然对流换热110 水自然对流换热水自然对流换热水自然对流换热水自然对流换热2001000 空气强制对流换热空气强制对流换热空气强制对流换热空气强制对流换热10100 水强制对流换热水强制对流换热水强制对流换热水强制对流换热10015000 水沸腾水沸腾水沸腾水沸腾250035000 水蒸气凝结水蒸气凝结水蒸气凝结水蒸气凝结50002500012/30/202231 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、单位时间内所传递的热量单位时间内所传递的热量影响影响

19、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（convective heat transfer coefficient）(5(5)表面传热系数表面传热系数(对流换热系数对流换热系数)12/30/202232(1)(1)定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象3 3 3 3 热辐射热辐射(radiativeradiative heat transfer)heat transfer)(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，就会不停地向周围空间发出热

20、辐射；周围空间发出热辐射；b b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c c 伴随能量形伴随能量形式的转变；式的转变；d d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e e 辐射能与温度和波长均辐射能与温度和波长均有关；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

21、 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。12/30/202233 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热辐射换热辐射换热12/30/202234(5)(5)(5)(5)辐射换热的特点辐射换热的特点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 辐射能辐射能 物体热力学能物体热力学能c

22、c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射辐射能、相互辐无论温度高低，物体都在不停地相互发射辐射能、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；总的结果是热量由高温物体传递给低温给高温物体的能量；总的结果是热量由高温物体传递给低温物体。物体。(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，就像热对流和对流换热一样。热辐射不同，就像热对流和对流换热一样。12/30/202235(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

23、，研究换热时只假设一种黑体，研究换热时只关心热辐射的共性规律，忽略其它因素，然后将真实物关心热辐射的共性规律，忽略其它因素，然后将真实物体的辐射与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系体的辐射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。数，从而获得真实物体的热辐射规律。(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能量能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力和辐射能力最强。一切实际物体的辐射黑体的吸收能力和辐射能力最强。一切实际物体的

24、辐射能力都小于同温度下的黑体。能力都小于同温度下的黑体。12/30/202236(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 实际物体则为实际物体则为：（9 9）两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 ：物体的发射率（黑度）：物体的发射率（黑度）12/30/202237 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热12/30/202238例例例例 题题题题 1-21-21-21-2l 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

25、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12/30/202239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12/30/20224

26、01.3 1.3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数传热过程的定义：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另传热过程的定义：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程。一侧流体中去的过程。传热过程包含的传热方式：热传导、热对流、热辐射。传热过程包含的传热方式：热传导、热对流、热辐射。墙壁的散热墙壁的散热12/30/2022411 1、传热方程式、传热方程式 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，则固体的导热量固体的导热量右侧对流换热量右侧对流换热量左侧对流换热量左侧对流换热量12/30/202242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：总传热

27、系数总传热系数k单位热阻或面积热阻单位热阻或面积热阻传热系数传热系数 ，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。或写为或写为12/30/2022432、传热热阻、传热热阻传热过程热阻分析传热过程热阻分析12/30/2022441.4 1.4 传热学发展简史与研究方法传热学发展简史与研究方法1818世纪世纪3030年代工业化革命促进了传热学的发展年代工业化革命促进了传热学的发展l导热（导热（Heat conductionHeat conduction）钻炮筒大量发热的实验（钻炮筒大量发热的实验（B.T.Rumford,179

28、8B.T.Rumford,1798年）年）两块冰摩擦生热化为水的实验（两块冰摩擦生热化为水的实验（H.Davy,1799H.Davy,1799年）年）导热热量和温差及壁厚的关系（导热热量和温差及壁厚的关系（J.B.J.B.BiotBiot,1804,1804年）年）Fourier Fourier 导热定律导热定律 (J.B.J.Fourier,1822(J.B.J.Fourier,1822 年）年）G.F.B.Riemann/H.S.G.F.B.Riemann/H.S.CarslawCarslaw/J.C./J.C.Jaeger/M.Jaeger/M.JakobJakob 12/30/2022

29、45l对流换热对流换热 （Convection heat transferConvection heat transfer）不可压缩流动方程不可压缩流动方程 （M.Navier,1823M.Navier,1823年年)流体流动流体流动NavierNavier-Stokes-Stokes基本方程基本方程 (G.G.Stokes,1845(G.G.Stokes,1845年）年）雷诺数雷诺数(O.Reynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年）自然对流的理论解（自然对流的理论解（L.LorentzL.Lorentz,1881,1881年）年）管内换热的理论解（管内换热的理论解（L.

30、GraetzL.Graetz,1885,1885年；年；W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年）凝结换热理论解凝结换热理论解 （W.NusseltW.Nusselt,1916,1916年）年）强制对流与自然对流无量纲数的原则关系强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909W.Nusselt,1909年年/1915/1915年）年）流体边界层概念流体边界层概念 （L.PrandtlL.Prandtl,1904,1904年）年）热边界层概念热边界层概念 （E.PohlhausenE.Pohlhausen,1921,1921年）年）湍流计算模型湍流计算

31、模型 （L.Prandtl,1925L.Prandtl,1925年；年；Th.VonTh.Von Karman,Karman,19391939年；年；R.C.R.C.MartinelliMartinelli,1947,1947年）年）12/30/202246l热辐射及辐射换热热辐射及辐射换热(Thermal radiation)(Thermal radiation)黑体辐射光谱能量分布的实验数据黑体辐射光谱能量分布的实验数据(O.Lummer,1889(O.Lummer,1889年）年）黑体辐射能量和温度的关系黑体辐射能量和温度的关系(J.StefanJ.Stefan and and L.Bo

32、tzmann,1889L.Botzmann,1889年）年）黑体辐射光谱能量分布的公式黑体辐射光谱能量分布的公式l维恩公式（维恩公式（18961896年）年）/Rayleigh-Jeans/Rayleigh-Jeans公式公式l能量子假说能量子假说 （M.Planck,1900M.Planck,1900年）年）/光量子理论光量子理论（A.Einstein,1905A.Einstein,1905年）年）物体的发射率与吸收比的关系（物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff,1859G.Kirchhoff,1859年年/1860/1860年）年）物体间辐射换热的计算方法物体间辐射换热的计算方法 （波略克，（波略克，19351935年；年；H.C.HotelH.C.Hotel,1954,1954年；年；A.K.Oppenheim,1956A.K.Oppenheim,1956年年)l数值传热学数值传热学 （19701970年）年）12/30/202247