石油工程传热学第1章-绪论(xu)课件.ppt

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1、1注意事项要求：上课请关闭手机；考 勤：不 定 期 点 名，有 事 必 须 请 假，不 得 旷 课，旷 课1/3 以 上 者 不得参加考试；不得抄作业，发现一次，抄与被抄同等处罚，成绩为零；作 业：每 次 课 前 上 交，拖 欠 作 业 不 予 批 改，仅 登 记；作 业 缺1/3 以上者不允许参加考试，每章交一次作业；答疑：课前课后；总复习答疑 地点：D230v 实验安排：2 个实验：看时间是否合适？2传热学实验一 一、Bi0.1 物体在空气中自然冷却地点：基础实验楼B103时间：石工13-1 班，第八周周三（10 月29 日）上午3-4 节，全班一组 如 有 冲 突 变 动，请 联 系 王

2、 老 师。联 系 电 话：地 点：基 础 实 验 楼B108。实验前自行网上，密码regong 下载实验指导书，做好实验预习工作。3传热学实验二 二、横管自然对流换热实验地点：基础实验楼B103时间：石工13-1 班，第十周周一（11 月11 日）上午3-4 节，全班一组 如 有 冲 突 变 动，请 联 系 王 老 师。联 系 电 话：地 点：基 础 实 验 楼B108。实验前自行网上，密码regong 下载实验指导书，做好实验预习工作。4生活中的诸多现象v 人感到冷和热究竟是怎么回事？v 大风降温我们就感到冷，天气炎热我们就感到热有人说是以环境温度为标准吗？你认为呢？v 夏天吹风扇并不改变环

3、境温度，为什会感到凉快呢？因为有风。为什么有风就比没风凉快呢？v 夏天游泳，为什么呆在水里比在空气中凉快呢？6生活中的诸多现象v 天冷我们盖被子，盖被子为什么会感到暖和呢？白天在太阳下晒晒被子、再敲打一下，晚上盖起来更暖和？为什么？v 吃火锅的时候，有辣椒油的火锅会比清汤锅开得快，为什么？v 为了让大家更明白地生活着，来学习一门新课程传热学。7第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务1 关于传热学v 定义：传热学是研究由于温度差而引起的热量传递规律的科学，它属于工程热物理的分支之一。概念中的两个基本概念：热量、温度（1）热量：热能的数量，本质上就是热能，热能是能量的一种。8第1章 绪论11 传

4、热学的研究对象和任务1 关于传热学v 热能、内能、热力学能：构成物体的微观粒子热运动所具有能量v 物质的微观粒子如分子、原子，这些热运动包括粒子的平移运动、旋转运动、振动运动内动能；由于分子之间还有相互作用力存在而具有的位能内位能。v 热能还有另一个说法，即物体因温度而具有的能量。10第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务1 关于传热学（2）温度 温度是热物理学中所特有的概念，它来自于日常生活中对冷热的感觉，因此将温度定义为是物体冷热程度的标志。实际上，这种感觉未必是可靠的，例如冬天用手触摸室外树木和铁器，感觉是不同的1 1第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务1 关于传热学（3）热量传递

5、的方向性v 传热学研究的是温差作用下的热能传递规律v 当然，经验以及热力学第二定律告诉我们，热量只能自发地由高温处传向低温处 13第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务1 关于传热学（4）传热现象普遍存在 人类和环境的温差是永恒存在的 人类一切活动有一定的温度要求 人类的各种活动均处于温度不断变化的环境中15第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务1 关于传热学 只要有温度差，就有热量的传递，而且，热量总是自发地从高温传向低温。因为温度差是普遍存在的，所以热量传递就成为一种很普遍的自然现象，在日常生活和工农业生产中都有广泛的应用。16第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用（

6、2）工业领域 传热的应用与影响几乎遍及现代所有的工业部门传统的工业领域：能源动力、冶金、化工、交通、建筑建材、机械、食品传热学占主导高新技术领域：航空航天、核能、微电子、材料、环境工程、新能源有赖于应用传热学的最新研究成果 交叉学科：相变与多相流传热、低温传热、微尺度传热、生物传热 18第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用传统工业领域热能工程 电力对各个国家重要性是不言而喻的。目前电力：水电、火电、核电、风电等，从发电的角度讲，上面所述的都是将机械能通过发电机产生电能。但是机械能的来源不同，水力落差；核电通过裂变反应将核能释放，风利用气流；火电燃烧等。目前我国电能的70%来

7、自于火力发电。19第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用火力发电厂中的能量转换原理：燃料（低品位的煤）的化学能烟气热能水蒸气的热能机械能电能这种转换不是直接的，需要一系列的设备电厂的三大设备分别是：锅炉、汽轮机和发电机20第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用21第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用高新技术领域 传热学在高新技术领域内的应用不仅范围广，而且有时还起着关键性作用。电子设备中大规模集成电路的散热已成为保证设备的可靠性和安全性的重要问题。22第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用v 安装时应确认CPU上的散热片

8、与风扇能够产生最佳的空气循环状态，另外最好还要定期维护（除去灰尘）。否则容易导致中央处理器和系统产生过热，系统过热产生死机现象。v 必要的时候，还可以再加装辅助风扇来增强散热v 计算机机房内的空调也主要是为计算机而装设的24第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用 在航空航天领域传热学所起的作用也是功不可没。美国航空和宇宙航行局（NASA）所作的技术分析，美国航天飞机的技术关键只有“一个半”“半个”是大推力的液氢一液氧火箭发动机“一个”关键则是所谓“热防护系统”（TPS），即指以航天飞机外表面的防热瓦为主的整个热防护结构25第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应

9、用举几个数字为证：航天飞机在地球轨道上将反复地经受困太阳直接辐照产生的高温和进入地球阴影时面对接近0K的宇宙空间导致的低温，温度变化范围达到-15755同时还要经受 1.3310-4Pa的高真空环境26第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用v 严酷环境要保证飞行安全，内部的人员、设备不受任何干扰，必须采取特殊有效的热防护措施。v 目前采用的是由氧化硅纤维和氧化铝纤维组成的第三代陶瓷瓦构成的热防护系统。28第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用（3）石油工业 目前在石油工业中导致传热学的地位和作用越来越重要的背景有两个：高粘、高凝原油的开发 我国油田开发的由浅

10、到深、由易到难的开发过程29第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用高凝油含蜡量高，凝固点高的原油 其特点是存在析蜡点和凝点 温度低于析蜡点时，原油中的重质组分开始析出。当原油温度进一步降低至凝点时，原油将失去流动性。31第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用 实践证明，热处理油层采油技术是开发稠油和高凝油的一种行之有效的方法v 热处理油层的作用：提高油层温度，降低油层流体的粘度，防止油层中的结蜡现象，增加油藏驱油能力，减小油层流动阻力，以达到更好地开采稠油和高凝油的目的32第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用 目前常用的热处理油层采油技术

11、包括注热流体和火烧油层两类方法注热流体工艺v 注入的热流体可以是蒸汽，也可以是热水v 高凝油通常采用注热水的方法以维持原油温度，防止原油中的重质组分析出使流动性变差33第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用v 注蒸汽工艺通常应用于稠油开发，主要机理：充分利用稠油粘度对温度非常敏感这一特点，通过提高油藏温度来降低流体粘度以改善其流动性油藏岩石受热后的膨胀作用，可以减少最后的残余油饱和度v 注蒸汽工艺可分为蒸汽吞吐和蒸汽驱两种方法，注入的蒸汽通常是湿蒸汽 34第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用35第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用v 火

12、烧油层又称为就地燃烧是将空气（或氧气、液氧）连续地注入到油层中，通过自燃或点火使油层中的部分原油燃烧，利用燃烧释放出的热量来加热油层v 目前正处于试验阶段，它对油层的适应性较广，有前途v 实际控制较难，还没有到工业化应用的阶段36第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用37第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用v 井筒降粘的必要性 当稠油和高凝油由井底沿井筒被举升到地面时，由于存在着井筒热损失，原油温度不断降低，使原油粘度升高或重质组分析出导致原油在井筒内的流动性变差 为维持油井的正常生产，必须对井筒采取降粘措施38第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2

13、传热学的应用v 热力降粘技术就是常用的一种v 热力降粘技术通过提高井筒流体温度，降低其粘度的技术v 有热流体循环加热技术和电加热降粘技术 39第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用v 对深层、超深层油藏，4000-5000米很常见v 深井的问题：井口和井底温差增加，井口、井底温差一般在150-180，有的甚至超过了200v 大温差无论对钻井、固井和采油工艺都会产生影响 40第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务2 传热学的应用v 石油工业既是产能大户，也是耗能大户，其中油气生产中的能耗费用在生产成本中约占20%50%v 现在石油石化总公司对各油田公司的成本控制很严，而油田沿

14、袭下来的传统是管理粗放、工艺落后、设备陈旧v 要实施可持续发展战略，必须降低成本，提高效益，为此应该狠抓节能降耗，其中许多问题都与传热学有直接的关系 41第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务3 工程热力学与传热学之间的关系v 工程热力学和传热学都是研究与“热”有关的问题。但是二者研究的角度是不同的 v 工程热力学主要研究热能和机械能之间相互转换的规律，它的研究对象是处于平衡状态的系统，与环境不存在温差或压力差 42第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务3 工程热力学与传热学之间的关系v 传热学则是专门研究存在温度差异时的热量传递规律，是典型的不可逆过程。热量传递的快慢以及不同时刻物体内的

15、温度分布是传热学所关心的主要内容v 放在桌上的一杯热水，工程热力学能告诉：（1）它的最终温度是室温（2）热水从初始平衡态到最终的平衡态散失的总热量43第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务3 工程热力学与传热学之间的关系 但是：这杯热水冷却到室温需要多长时间呢？中间某个时间热水的温度是多少呢？这些问题就是传热学所要解决的：通过传热学，可以计算任意时刻水的温度变化到多少、怎样才能更快地喝到水等44第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务3 工程热力学与传热学之间的关系 由此可见，工程热力学与传热学这两门课程是从不同的角度来研究“热”的问题。45第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务3 工程热

16、力学与传热学之间的关系v 研究角度的不同反映在工程热力学与传热学中广泛使用的物理参数在单位上是有区别的:v 热力学研究的是平衡态，物理量中的各参数都不包括时间。v 传热学的主要物理量都是以时间做分母的，它关心的是单位时间内能传递多少热能。46第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务3 工程热力学与传热学之间的关系v 为了衡量热量传递过程中热量传递能力的大小，引入热流量（heat transfer rate）和热流密度（heat flux）v 热流量：单位时间内通过某一给定面积A的热量，记为，单位为W47第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务3 工程热力学与传热学之间的关系 通过单位面积的热流

17、量则称为热流密度（或称面积热流量），记为q，单位是W/m2 计算热量传递过程中的热流量或热流密度是传热学的主要任务之一 48第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务4 传热学学习的目标v 热量传递的三种基本方式热传导、热对流和热辐射，早已熟悉v 但是对具体的细节问题：某个特定的传热问题中究竟以这三种方式中的哪一种或哪几种传递热量 传递的速率有多大49第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务4 传热学学习的目标v 但是对具体的细节问题：需要多长时间才能达到所希望的温度 在热量传递的全过程中物体内的温度分布状态如何以及热应力会不会超过允许限度等50第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务4 传热学

18、学习的目标在工程实际中经常出现的传热问题主要有两类：第一类是以求出局部或者平均传热速率为基本目的v 应用背景往往涉及对热量传递速率的计算和控制，与增强或削弱传热有关的各种技术和设备的设计与开发v 在注蒸汽热力采油中，需要计算热损失，计算的目的一方面要保证油井的安全，另一方面就要降低井筒热损失 51第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务4 传热学学习的目标 第二类以求得研究对象（固体或流体）内部的温度分布为主要目的v 应用背景：涉及对各种热力发动机、机械热加工过程（如焊接、铸造、热处理、切削，甚至激光加工），特别是精密加工时工件内部的热应力、热变形的控制等v 对于保证热力发动机的机械加工精度和

19、安全经济运行往往起着至关重要的作用。52第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务4 传热学学习的目标石油工程中，两类问题都很重要：v 热应力、热变形控制主要应用在注蒸汽工艺中，保证油气井的安全v 更多的是计算热损失，从而求出流体的温度变化，进而计算出流体的物性，从而为相关的工艺设计提供依据。v 实际上，很多情况下这两种类型的问题是交织在一起的。53第1章 绪论11 传热学的研究对象和任务4 传热学学习的目标v 要决这两类问题的基础：必须具备传热学的基本理论知识和分析传热问题的基本能力。v 课程学习的目的：理解各类传热现象的机理、掌握计算工程传热问题的基本方法。54第1章 绪论11 传热学的研究

20、对象和任务4 传热学学习的目标课程学习的具体要求：（1）能够准确地分析传热过程的构成，即在某个特定的传热问题中究竟以这三种方式中的哪一种或哪几种传递热量（2）如何计算传热过程的温度分布和（或）传热量 55第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式v 传热学的总体结构：按传热的基本方式：导热、对流和辐射而展开各类传热学教材的课程体系都是以这三种基本的传热方式展开的总的层次非常清楚。v 绪论的侧重点：对传热的三种基本方式作总体的、简要的介绍56第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式v 总体假设：本课程的研究范围内始终把研究对象（固体或流体）看作连续介质各点的有关物理量，如速度、温度及相关的物性参数

21、都是空间位置的连续函数57第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式传热学的研究范畴：由于传热学是面向工程的，不从微观的角度对传热现象进行研究，仅限于在宏观范畴内研究各类不同传热方式所遵循的基本规律也就是说课程只从宏观角度讨论各种传热现象。只是对某些问题，从微观上给出定性的解释 58第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）导热实例1：将金属棒的一端伸入火炉中烧，另一端用手拿着，过了一会儿手就感到热，显然是金属棒将热量从火炉传到我们的手中 位于火炉中的金属棒是高温端、手是低温端，这样热量就从高温端传向了低温端59第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）导热实例2

22、：冬天用手触摸木制门上的铁把手，会感到凉，是由于作为高温物体的手将热量传递给了低温物体的铁把手的缘故。实例特点：热量的传递是发生在物体内部或相互接触的物体之间，与物体的宏观运动没有关系60第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）（1）热传导：当物体内部存在温差或不同温度的物体相互接触，在不存在宏观相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而热量传递过程称为热传导或导热。thermal conduction,heat conduction 微观粒子的热运动与物体的宏观运动无关，也就是说热量传递不是因为物体的宏观运动而产生的，导热现象发生与否与物体的宏观运动无关。61

23、第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）v 单纯的导热只发生在密实的固体和静止的流体中v 微观上，由于构成不同状态的不同物质的微观粒子是不同的，因而物体导热的能力和机理是有差别的 下面依据物质所处状态的不同，分别予以讨论62第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）（2）导热的机理 导热是物质的固有属性，对不对？答案是肯定的，导热是物质的固有属性v 因为导热是依靠微观粒子的热运动而进行的，所有物质都是由不断地进行无规则热运动的微观粒子构成的v 所有的物质，无论是固相、气相还是液相，均具有一定的热传导能力63第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导

24、热）气体：各种气体是由相应的气体分子构成的，气体分子在做无规则的热运动，具有较大的自由度当气体内部存在温差时，分子不规则热运动的能量水平是不同的，相互碰撞的结果就使热量由高温区传向低温区。气体的导热机理是气体分子不规则热运动时相互碰撞而进行能量交换的结果。64第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）导电固体（金属等）由原子和自由电子构成的，自由电子在金属晶格中能够象气体分子那样运动导电固体导热就象他的导电原理一样，依靠自由电子的定向运动传递热量65第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）非导电固体没有自由电子，只有构成物质的原子，各种不同的原子按一定的排列形

25、成特定的晶格，原子基本上固定在其晶格上。原子是在其平衡位置附近不断地振动，这种振动的传递称为弹性波，就象水库里的波浪的传递类似。66第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）温度不同、振动的剧烈程度不同，非导电固体的导热就是依靠其原子在各自平衡位置附近的振动实现热量的传递。和自由电子的运动相比，晶格振动所传递的能量要弱得多，其导热能力比导电体的要差得多。67第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）液体自身的结构比较复杂，导热机理不明确，还存在不同的观点。一种观点认为类似于气体，只是情况更复杂，因为液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大。

26、一种观点则认为其导热机理类似于非导电固体，主要靠晶格结构的振动（弹性波）传递热量。68第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）（3）最简单情形下导热的计算大平壁的导热v 大平壁（板）既是几何概念，又是物理模型v 可以想象：是由无限多个彼此平行的平面构成的69第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）v 温度在每个平面上是均匀分布的，温度主要沿其厚度方向变化v 设平板两侧温度分别为tw1、tw2，平板面积为A，厚度为v 试计算通过平壁的导热量 70第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）影响因素分析（1）平板面积：A越大，将越大：人冷的时候缩成

27、一团，或起鸡皮疙瘩，为的是减小传热面积（2）平板的厚度：越厚，越大，越小，天冷穿更多的衣服 71第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）（3）平板两侧的温差：越大，将越大，人越冷 平板材料一定时，没有其他的影响因素。若引入比例系数，将单位时间内通过平板的导热量为：72第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）v 为比例系数，称为热导率，又称导热系数 v thermal conductivity v 单位：W/(mK)v 传热学中引入的非常重要的热物理参数73第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）现在回答一开始提到的问题：冷、热的感觉并不是以

28、环境温度为标准的，是以人体向周围环境散失热量的速率大小为标准。环境温度是影响人类冷、热感觉的重要因素，但不能作为标准。74第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式1 热传导（导热）引入了热流密度之后，可以给出人体散热的热流密度与舒适度的关系，如下：当q=58W/m2时，感到很热；当q=232W/m2时，感到舒适；当q=646W/m2时，感到凉；当q=928W/m2时，感到很冷。75第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流v“一去二三里，烟村四五家”小山村中几户人家，炊烟袅袅。山里几座亭台错落有致地排列着，树上、路边盛开着各种美丽的花。热烟气在上飘过程中与空气的换热热对流v 类似的例子

29、：抽烟人烟头处的烟的上升 76第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流77第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流78第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流（1）热对流 定义：是指流体中温度不同的各部分发生相互混合的宏观运动而引起的热量传递现象，称为热对流（Thermal Convection）概念要点 发生热对流时流体中存在温差，导热依然存在：热对流总是和流体的导热同时发生。79第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流v 可以想象，流体的宏观速度越大，热对流的强度越强v 诗中所提的炊烟袅袅，烟气的流动是由烟气自身的密度差所引起的，称为自然对流。v 流

30、体的流动是在外力（在泵或风机）作用下产生的，称为受迫对流。80第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流其他的例子：暖气片附近的热空气与房间冷空气间的换热 烧水时水的加热 热对流仅发生在流体（液体或气体）中81第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流（2）对流传热工程中更为常见的热量传递现象 又称为：表面对流传热、对流换热 定义：流动的流体与温度不同的固体壁面之间的热量传递过程，Convection Heat Transfer 对流换热发生的三个条件：（1）固体壁面；（2）流动着的流体；（3）壁面和流体间存在温差 82第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流生活和工

31、程中的例子有：热量由人体表面的散失暖气表面和空气的热交换热水在管内与管壁的换热钻井液、油井产液等在管内或管外与管壁的换热等等都属于对流换热的范畴v 传热学是面向工程，研究有实际意义的对流换热83第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流（3）对流传热的计算 牛顿冷却公式（Newtons cooling law）进行计算 当流体被加热时：当流体被冷却时：84第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流v h-表面传热系数(convective heat transfer coefficient)v 以前又称对流换热系数v 单位是：W/(m2K)85第1章 绪论12 热量传递的三种基

32、本方式2 热对流v 传热学不关注单纯的热对流，而只研究具有工程意义的对流传热v 和平壁导热计算公式中的导热系数不同，表面传热系数h不是物性参数，是与具体对流传热过程有关的过程量86第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式2 热对流 虽然牛顿冷却公式简单，但这并不意味着对流传热过程也简单，它将影响对流传热过程的诸多因素都集中在表面传热系数h上。因此对流传热的研究目标是如何确定各种情形下的表面传热系数 影响因素：流动的起因、流体的种类、温度、流速、壁面的形状和温度。87第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式v 大家有这样的经历，烤火时如果火很旺，我们会感觉到强烈的灼热感v 虽然在这种情况下也存在

33、着导热和对流的传热方式，但是这种灼热感主要来自另外一种热量传递方式热辐射，才能迅速地传到人的身上。88第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式 日常生活中最常见的辐射是太阳辐射。屈原的九歌中的第七篇的东君歌颂的是太阳。为什么？v 万物生长靠太阳，靠的是太阳为我们提供的能量。因为她为我们送来了温暖，使得万物生长、五谷丰登v 她提供的能量是以辐射的方式从一亿五千万公里外发射过来的 再如亮着的灯泡摸起来很烫手，是由于高温下的钨丝（2000-3000K）不断地发出强烈的辐射能的缘故89第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射（1）热辐射 辐射与辐射能：物体通过电磁波传递能量的现象称为辐射，被

34、传递的能量称为辐射能 物体会因为各种原因向外界发射辐射，例如受到外来电子或中子的轰击，受到高频振荡电路的作用而发射无线电波，或受到化学反应的作用等。在研究工业上的金属冶炼时候，人们发现物质因热而发光乃至发射辐射能，这就是热辐射。90第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射热辐射：由于自身温度（热）的原因而发出辐射能的现象称为热辐射（heat radiation）v 热辐射中能量来自于物体的内能。由于自然界中所有物质的温度都大于0K，都具有一定的热能，因而都能够不停地向外界发出热辐射v 热辐射也是物质的固有属性91第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射v影响物体发射辐射的因

35、素：物体的温度不同，辐射能力不同同温下，不同的物体的结构、表面状况不同，向外界发射辐射能的本领不同 92第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射v 为了研究方便，人们引入了一种称为绝对黑体的理想物体，简称黑体（black body）能够全部吸收投射到其表面上的所有辐射能的物体。v 黑体在单位时间内发出的热辐射热量可由斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltamann）定律来计算 93第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射v 式中，为辐射热流量，W；A为黑体的辐射表面积；T为黑体的热力学温度，K；b为斯蒂芬-波尔兹曼常数，又称黑体辐射常数，其值为5.6710-8W/(m2K

36、4)斯蒂芬-波尔兹曼定律表明黑体发射热辐射的能力与表面绝对温度的四次方成正比，也称为四次方定律94第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射 实际物体的辐射能力都小于同温度下黑体的。实际物体发射辐射能的大小可用斯蒂芬-波尔兹曼定律的经验修正形式计算，v 式中，称为物体的发射率（emissivity），习惯上也称为黑度，它表示物体接近黑体的程度，其值总小于1v 发射率取决于物体的种类和表面状况，是重要的辐射热物性参数之一 95第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射（2）辐射传热v 物体间辐射和吸收过程的综合结果就造成了物体以辐射的方式进行热量的传递v 物体之间因为相互辐射、相

37、互吸收而引起的热量传递过程称为辐射传热v 是热量传递的又一种方式 96第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射v 两个面积相同、平行放置的黑体表面间的辐射传热是辐射传热最简单的情形，如图所示v假设两个表面之间充满了透明介质（没有辐射和吸收能力）97第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射v 二者相距很近时，可以认为任一表面辐射的能量能够全部落到另一表面上，并且被全部吸收。v 这样两个表面间的辐射传热量就是各自辐射能量之差。若表面1的温度Tw1大于表面2的温度Tw2时，则有 辐射传热计算中的温度必须是热力学温度 98第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射v 对仅由

38、两个物体组成的辐射换热系统，它们之间的辐射换热量可由下式计算 v 式中，s称为系统的发射率，它与两个表面的面积、位置、表面的几何形状等因素有关 99第1章 绪论12 热量传递的三种基本方式3 热辐射 当物体与周围环境处于热平衡（即温度相同）时，辐射传热量为零，但物体间的发射和吸收仍在不停地进行，处于动态平衡状态。100第1章 绪论13 传热过程与热阻1 传热过程生活中的热量传递现象：在炉子上烧水房间内暖气的加热作用v 总传热过程：将热量由固体一侧的流体通过固体壁面传给另一侧的流体的热量传递过程v 简称传热过程v 英文：overall heat transfer process101第1章 绪论

39、13 传热过程与热阻1 传热过程定义表明，它至少由三个环节构成：高温流体与固体壁面的对流传热通过固体壁面的导热固体壁面与低温流体的对流传热v 稳态时，三个环节的热流量应相等102第1章 绪论13 传热过程与热阻1 传热过程v 注意：传热学中“传热过程”这一术语已被赋予了特定的内涵只有冷、热流体通过固体壁面的热量交换过程才能称为传热过程v 导热、对流、辐射中的任何一种热量传递方式，虽然也传递了热量，但不能称为传热过程 103第1章 绪论13 传热过程与热阻1 传热过程传热过程中的热流量 v 称为传热方程式，是传热过程计算的基本公式 v 式中：tf1、tf2分别是高温和低温流体的温度，；A为传热面

40、积，m2；k称为（总）传热系数（overall heat transfer coefficient，W/(m2K)104第1章 绪论13 传热过程与热阻1 传热过程物理意义：v 数值上等于热、冷流体在单位温差、单位面积时的热流量v 过程量，表征了传热过程的剧烈程度。传热系数越大，过程越强烈v 有时为了和对流传热的表面传热系数相区别，有时也将其称为总传热系数 105第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻自然界中存在着许多传递现象：温差作用下的热量传递电势差作用下的电量转移浓度差作用下的质量的转移这些转移过程的共同规律性可归结为106第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻电学中的欧姆定律：过程

41、的动力：电势差阻力：电阻转移量：电流 107第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻热量传递仍遵循这种规律性：过程的动力：温差过程的转移量：热流量或热流密度过程的阻力自然就称为热阻。108第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻通过大平壁的导热，热流量和热流密度的计算公式可改写为:为通过面积A的导热热阻，单位是K/W 为单位面积的导热热阻，单位是Km2/W 109第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻将对流传热过程的牛顿冷却公式：Rh=1/hA为对流传热过程的表面传热热阻 rh=1/h称为单位面积的表面传热热阻 1 10第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻传热过程的传热方程式:rk=1/

42、k称为单位面积的传热热阻 Rk=1/kA为传热过程的传热热阻 1 1 1第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻 借助于电工学的电路图，引入等效热阻网络图表示传热体系中的热量传递与温差、热阻间的关系 1 12第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻 在分析一些复杂的热量传递问题时，将热量传递过程比拟为电量转移过程，可以直接应用直流电路分析中的相关原则，这往往使问题大大简化。这是在传热学中引入热阻和等效热阻网络图的目的。1 13第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻直流电路的相关原则在传热学中可表述为：（1）串联热路的总热阻等于各串联换热环节的热阻之和，在热流方向上各热阻引起的温度降与热阻成正

43、比（2）并联热路总热阻的倒数等于各并联支路热阻的倒数之和，各支路的热流与其热阻成反比1 14第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻利用热阻的概念分析传热过程：高温流体以对流传热的方式将热量传给固体壁面固体壁内以导热的方式将热量传到壁面的另一侧另一侧壁面以对流传热的方式将热量传给低温流体。显然，这是串联的热量传递过程，等效热阻网络图为：1 15第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻传热过程的总热阻等于三个串联换热环节的热阻之和：1 16第1章 绪论13 传热过程与热阻2 热阻v 利用热阻和等效热阻网络图分析传热问题是传热学的一种基本的方法，特别有利于分析复合传热过程v 只要能够画出了等效热阻

44、网络图，可以借助熟悉的电路串并联知识来求解v 能够正确地分析传热过程的组成，并画出热路图v 能够记住热阻表达式1 17第1章 绪论13 传热过程与热阻3 例题v 内燃机气缸壁厚15 mm，热导率46.5 W/(m.K)，燃气与气缸内表面的对流传热系数475W/(m2.K)，辐射传热系数25 W/(m2.K)，气缸壁外表面与冷却水的对流传热系数2000 W/(m2.K)。设内燃机气缸壁可近似为平壁，试计算内燃机气缸壁传热的总热阻Rtv 运行一段时间后，冷却水侧结了2 mm厚的水垢，水垢的热导率为1.5 W/(m.K)，试估算由于水垢引起的总热阻的相对变化 1 18第1章 绪论13 传热过程与热阻

45、3 例题分析：（1）参与热量传递的物质：燃气、气缸壁、水（2）热量传递的方式高温：燃气低温：水热量由燃气传给水二者由固体壁面隔开典型的传热过程1 19第1章 绪论13 传热过程与热阻3 例题（3）固体壁面的简化气缸圆柱形相对于圆柱直径，壁厚较薄可以近似简化为大平壁常用的简化方法整个问题的物理模型：通过大平壁的传热过程（4）计算目的确定总热阻只要传热环节搞清楚画出热路图，按串并联原理即可得到120第1章 绪论13 传热过程与热阻3 例题结垢前:单层平壁的传热121第1章 绪论13 传热过程与热阻3 例题结垢后:双层平壁的传热122第1章 绪论13 传热过程与热阻3 例题已知：通过大平壁的传热过程

46、（理想模型）=15 mm,=46.5 W/(m.K),f=2 mm,f=1.5 W/(m.K),hci=475W/(m2.K)，hri=25 W/(m2.K)hco=2000 W/(m2.K)求：Rt,Rt 123第1章 绪论13 传热过程与热阻3 例题解：124第1章 绪论13 传热过程与热阻3 例题125第1章 绪论13 传热过程与热阻3 例题水垢热阻126第1章 绪论13 传热过程与热阻3 例题说明：水垢的危害增加了传热过程的总热阻，降低传热效率使壁面温度升高，降低设备的使用寿命防垢、除垢是工程中的永恒难题之一127第1章 绪论15 传热学中的研究方法1 理论分析法对实际传热问题：通过合

47、理的简化假设，建立起描述传热问题的数学模型（通常由微分方程或微分方程组和定解条件构成）然后借助于数学分析的手段求解该模型，得到传热问题的精确解（也称为解析解或分析解）这就是传热学研究的理论分析法。方法严格准确、但由于实际问题的复杂性，目前只能得到简单问题的精确解。128第1章 绪论15 传热学中的研究方法2 实验研究法 实验研究法是目前传热学研究的主要手段，也是基本的研究方法 由于实际传热问题的影响因素众多，并且相互间的影响因素复杂，因此实验必须在相似理论的指导下进行 掌握初步的实验研究技能、学习和应用通过实验研究获得的成果是传热学学习的基本要求之一。129第1章 绪论15 传热学中的研究方法3 数值分析法v 由于采用数学分析的方法难以求解传热问题的数学模型，随着计算技术的飞速发展，将模型中的微分方程（组）转化为求解区域上的代数方程组，利用计算机求解出其近似解的方法称为数值模拟法。v 这是研究传热问题的新方法，近年来数值模拟法已成为传统研究方法的有力补充。130