傳熱學(xué)緒論2013 09

1、傳 熱 學(xué) 教材及參考書 教材：教材：傳熱學(xué)傳熱學(xué)楊世銘、陶文銓編著楊世銘、陶文銓編著 傳熱學(xué)傳熱學(xué)戴鍋生戴鍋生 編編 傳熱學(xué)傳熱學(xué)黃善波等黃善波等 編著編著 考核方法考核方法 閉卷考試閉卷考試 8590% 平時(shí)成績(jī)平時(shí)成績(jī) 1015% 第一章 緒 論 第一節(jié) 概 述 一、傳熱學(xué)與熱力學(xué)的區(qū)別：一、傳熱學(xué)與熱力學(xué)的區(qū)別： （1 1）研究工質(zhì)不一樣；（熱：氣體；傳：固、液、）研究工質(zhì)不一樣；（熱：氣體；傳：固、液、 氣）氣） （2 2）熱力學(xué)研究可逆過程，無(wú)溫差傳熱；而傳熱學(xué)）熱力學(xué)研究可逆過程，無(wú)溫差傳熱；而傳熱學(xué) 則是溫差傳熱，為不可逆過程。則是溫差傳熱，為不可逆過程。 （3 3）熱力學(xué)研究

2、熱量和功之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，而）熱力學(xué)研究熱量和功之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，而 傳熱學(xué)則是無(wú)做功過程。傳熱學(xué)則是無(wú)做功過程。 （4 4）熱力學(xué)研究熱量在一段時(shí)間內(nèi)總的交換量）熱力學(xué)研究熱量在一段時(shí)間內(nèi)總的交換量J J），）， 而傳熱學(xué)著重于單位時(shí)間的換熱量（而傳熱學(xué)著重于單位時(shí)間的換熱量（W W）。）。 傳傳 熱：由于溫差而引起的能量的轉(zhuǎn)移。熱：由于溫差而引起的能量的轉(zhuǎn)移。 傳熱學(xué)：研究熱量傳遞規(guī)律的一門學(xué)科。傳熱學(xué)：研究熱量傳遞規(guī)律的一門學(xué)科。 二、傳熱學(xué)的應(yīng)用實(shí)例二、傳熱學(xué)的應(yīng)用實(shí)例 1 1 日日常生活中的例子：常生活中的例子： (1) (1) 人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天人體為

3、恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天 都保持都保持2020度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣 服能否一樣？為什么？服能否一樣？為什么？ (2) (2) 夏夏天人在同樣溫度（如：天人在同樣溫度（如：2525度）的空氣和水中的感度）的空氣和水中的感 覺不一樣。為什么？覺不一樣。為什么？ ( (3) 3) 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于 保溫。如何解釋其道理？越厚越好？保溫。如何解釋其道理？越厚越好？ 為什么水壺的提把要包上橡膠？為什么水壺的提把要包上橡膠？ 不同材質(zhì)的湯匙放入熱水中，哪個(gè)黃油融解更

4、快？不同材質(zhì)的湯匙放入熱水中，哪個(gè)黃油融解更快？ 2 2 特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題 動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、 航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMSMEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生 命科學(xué)與生物技術(shù)命科學(xué)與生物技術(shù) 3 3 幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用 (1)(1)航空航天：火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站航空航天：火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站 熱控制；空間飛行器

5、重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（Ma=10Ma=10） 冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽(yáng)冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽(yáng) 能高空無(wú)人飛機(jī)能高空無(wú)人飛機(jī) 二、傳熱學(xué)的應(yīng)用實(shí)例二、傳熱學(xué)的應(yīng)用實(shí)例 (2) (2) 微電子：微電子： 電子芯片冷卻電子芯片冷卻 (3)(3)生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官 的冷凍保存的冷凍保存 (4)(4)軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存 (5)(5)制冷：跨臨界二氧化碳汽

6、車空調(diào)制冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/ /熱泵；高溫?zé)岜茫桓邷?水源熱泵水源熱泵 (6)(6)新能源：太陽(yáng)能；燃料電池新能源：太陽(yáng)能；燃料電池 二、傳熱學(xué)的應(yīng)用實(shí)例二、傳熱學(xué)的應(yīng)用實(shí)例 4 4 石油工業(yè)中的應(yīng)用石油工業(yè)中的應(yīng)用: : 輸油管道（埋深、保溫）輸油管道（埋深、保溫） 稠油開采（注蒸汽）稠油開采（注蒸汽） 三、兩種熱傳遞過程三、兩種熱傳遞過程 穩(wěn)態(tài)過程：溫度不隨時(shí)間變化而變化穩(wěn)態(tài)過程：溫度不隨時(shí)間變化而變化 非穩(wěn)態(tài)過程：溫度隨時(shí)間變化而變化非穩(wěn)態(tài)過程：溫度隨時(shí)間變化而變化 二、傳熱學(xué)的應(yīng)用實(shí)例二、傳熱學(xué)的應(yīng)用實(shí)例 b 減慢熱量傳遞減慢熱量傳遞 b. 模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn) 四、傳熱學(xué)解決兩大

7、類問題四、傳熱學(xué)解決兩大類問題 1.計(jì)算熱量傳遞速率計(jì)算熱量傳遞速率 a 加速熱量傳遞加速熱量傳遞 2. 傳熱物體的溫度分布傳熱物體的溫度分布 注汽井井筒溫度分布注汽井井筒溫度分布 五、研究方法五、研究方法 1. 理論分析法：理論分析法： a. 解析法解析法 2. 實(shí)驗(yàn)研究方法：實(shí)驗(yàn)研究方法： a. 測(cè)定有關(guān)熱物體的性質(zhì)測(cè)定有關(guān)熱物體的性質(zhì) b. 數(shù)值解法數(shù)值解法 第二節(jié) 熱量傳遞的三種基本方式 分析室內(nèi)熱量傳給室外的熱傳遞過程分析室內(nèi)熱量傳給室外的熱傳遞過程 （1 1）室內(nèi)）室內(nèi)內(nèi)墻：對(duì)流換熱，熱輻射內(nèi)墻：對(duì)流換熱，熱輻射 （2 2）內(nèi)墻）內(nèi)墻外墻：導(dǎo)熱外墻：導(dǎo)熱 （3 3）外墻）外墻大氣：

8、對(duì)流換熱，熱輻射大氣：對(duì)流換熱，熱輻射 n 三種熱量傳遞方式：導(dǎo)熱、熱對(duì)流和熱輻射三種熱量傳遞方式：導(dǎo)熱、熱對(duì)流和熱輻射 1. 導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）conduction heat transfer （1）定義：）定義： 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等 微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞。 h1，tf1 h2 tf2 tw1 tw2 c.沒有能量形式的轉(zhuǎn)化。沒有能量形式的轉(zhuǎn)化。 如上圖所示的大平壁，若其兩側(cè)壁面各點(diǎn)溫度保持不變，分如上圖所示的大平壁，若其兩側(cè)壁面各點(diǎn)溫度保持不變，分 別保

9、持為別保持為tw1及及tw2，且，則熱量將從，且，則熱量將從tw1一側(cè)傳向一側(cè)傳向tw2一側(cè)。此一側(cè)。此 時(shí)通過大平壁的熱流量時(shí)通過大平壁的熱流量可表示為：可表示為： w 1w t 2w t t 0 x dx dt Q （2）導(dǎo)熱的特點(diǎn)：）導(dǎo)熱的特點(diǎn)： （3）導(dǎo)熱量的計(jì)算）導(dǎo)熱量的計(jì)算 a.物體間無(wú)相對(duì)位移；物體間無(wú)相對(duì)位移； b.物體間必須相互接觸；物體間必須相互接觸； 2 (/) W t qwm A q 熱流量（導(dǎo)熱量） 單位面積的導(dǎo)熱量， 熱流密度 式中：式中：A-A-垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，m m2 2 -平壁厚度，平壁厚度，m m - -導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率），導(dǎo)

10、熱系數(shù)（熱導(dǎo)率），w/w/（m m 。 。 ） 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的 參數(shù)，是一種物性參數(shù)，單位：參數(shù)，是一種物性參數(shù)，單位： w/mk w/mk 。 同材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同，即使同一種材同材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同，即使同一種材 料導(dǎo)熱系數(shù)值與溫度等因素有關(guān)。金屬材料最料導(dǎo)熱系數(shù)值與溫度等因素有關(guān)。金屬材料最 高，良導(dǎo)電體，也是良導(dǎo)熱體，液體次之，氣高，良導(dǎo)電體，也是良導(dǎo)熱體，液體次之，氣 體最小。體最小。 2. 熱對(duì)流（convection heat transfer） （1 1）熱對(duì)流：）熱對(duì)流： 流體的各部分之間由于相對(duì)宏觀位移而引起的熱流體的各部分

11、之間由于相對(duì)宏觀位移而引起的熱 量傳遞。量傳遞。 （2）對(duì)流換熱）對(duì)流換熱 流體流過與之溫度不同的固體壁面時(shí)引起的熱流體流過與之溫度不同的固體壁面時(shí)引起的熱 量傳遞。量傳遞。 （3）對(duì)流換熱的分類）對(duì)流換熱的分類 a a：根據(jù)對(duì)流換熱時(shí)：根據(jù)對(duì)流換熱時(shí)是否發(fā)生相變是否發(fā)生相變分：有相變分：有相變 的對(duì)流換熱和無(wú)相變的對(duì)流換熱。的對(duì)流換熱和無(wú)相變的對(duì)流換熱。 沸騰換熱及凝結(jié)換熱：液體在熱表面上沸騰及 蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對(duì)流換熱，稱為沸騰換熱及 凝結(jié)換熱（相變對(duì)流沸騰）。 b：根據(jù)引起流動(dòng)的原因分：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。 自然對(duì)流： 由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流 動(dòng)。 如：暖氣片表面

12、附近受熱空氣的向上流動(dòng)。 強(qiáng)制對(duì)流： 流體的流動(dòng)是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所 造成的。 流體和固體壁面相互接觸。流體和固體壁面相互接觸。 （4） 特征特征 有相對(duì)位移；有相對(duì)位移； 一定伴隨著流體的導(dǎo)熱；一定伴隨著流體的導(dǎo)熱； 沒有能量形式之間的轉(zhuǎn)換；沒有能量形式之間的轉(zhuǎn)換； 與流體接觸的壁面面積 熱系數(shù)），表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對(duì)流換 或 A h th A q thA wtthAtthA ww Cm W )()( 2 （5 5）牛頓冷卻公式）牛頓冷卻公式 h的物理意義：的物理意義：?jiǎn)挝粶夭钭饔孟峦ㄟ^單位面積單位溫差作用下通過單位面積 的熱流量。的熱流量。 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與傳熱過程中的許多因素

13、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與傳熱過程中的許多因素 有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的 形狀、大小相對(duì)位置，而且與流體的流速有關(guān)。形狀、大小相對(duì)位置，而且與流體的流速有關(guān)。 一般地，一般地，就介質(zhì)而言：就介質(zhì)而言：水的對(duì)流換熱比空氣強(qiáng)水的對(duì)流換熱比空氣強(qiáng) 烈；烈； 就換熱方式而言：就換熱方式而言：有相變的強(qiáng)于無(wú)相變的；強(qiáng)有相變的強(qiáng)于無(wú)相變的；強(qiáng) 制對(duì)流強(qiáng)于自然對(duì)流。制對(duì)流強(qiáng)于自然對(duì)流。 對(duì)流換熱研究的基本任務(wù)：對(duì)流換熱研究的基本任務(wù)：用理論分析或?qū)嶒?yàn)用理論分析或?qū)嶒?yàn) 的方法推出各種場(chǎng)合下表面換熱導(dǎo)數(shù)的關(guān)系式。的方法推出各種場(chǎng)合下表面換熱導(dǎo)數(shù)的關(guān)系式。 表面?zhèn)?/p>

14、熱系數(shù)的數(shù)值范圍 熱阻的概念熱阻的概念 R t hA t R t A t tthA t A tt A fw ww 1 21 及可改寫成公式 ）（公式 及公式 。熱阻的常用單位為 。及記為 熱阻和對(duì)流熱阻，相對(duì)應(yīng)，分別稱為導(dǎo)熱與電阻、 壓：與電壓相對(duì)應(yīng)，稱為溫相類似： 流電路中的歐姆定律可以看出，其形式與直 。 wc RR R hAA t R U I c / 1 熱阻是一個(gè)非常重要的概念，對(duì)以后的分析有非熱阻是一個(gè)非常重要的概念，對(duì)以后的分析有非 常重要的作用，所以必須重視。常重要的作用，所以必須重視。 3. 熱輻射(Thermal radiation) f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫

15、度的4次方。次方。 由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象 (1)(1) 定義定義 (2) 特點(diǎn)特點(diǎn)： a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K，就會(huì)不停地向周圍空，就會(huì)不停地向周圍空 間發(fā)出熱輻射；間發(fā)出熱輻射； b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播； c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變； d 具有強(qiáng)烈的方向性；具有強(qiáng)烈的方向性； e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)； d 冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0以上，但地面以上，但地面 卻可能結(jié)冰。卻可能結(jié)冰。 (3) 生活中的例子生

16、活中的例子： a 當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱；當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱； b 冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒有窗冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒有窗 簾時(shí)要舒服；簾時(shí)要舒服； c 太陽(yáng)能傳遞到地面太陽(yáng)能傳遞到地面 不是輻射換熱。以上講的是熱輻射，而 黑度（發(fā)射率） 對(duì)于非黑體， 4 TE b （4 4）輻射力的計(jì)算公式（四次方定律）輻射力的計(jì)算公式（四次方定律） KT Km W TE b bb , 1067. 5 42 8- 4 黑體的絕對(duì)溫度 波爾茲曼常數(shù)，斯蒂芬 物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，

17、它與單純的熱 輻射不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣。輻射不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣。 輻射換熱的特點(diǎn)輻射換熱的特點(diǎn) a a 不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的 存在，在真空中就可以傳遞能量存在，在真空中就可以傳遞能量 (5) (5) 輻射換熱輻射換熱 c 無(wú)論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電無(wú)論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電 磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫 物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能 量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。量；總的結(jié)果是熱由高溫

18、傳到低溫。 b 在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換 物體物體 熱力學(xué)能熱力學(xué)能 電磁波能電磁波能 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能 )TT(ATATA TAQ ,TAQ 4 2 4 1b 4 2b2 4 1b12, 1 4 2b22 4 1b11 ）板間的輻射換熱（黑體 考慮兩個(gè)無(wú)限大平 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算 T1 tf T2 透明氣體 1-3 1-3 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù) 1 1 傳熱過程的定義：傳熱過程的定義：兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的換兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的換 熱。熱。 2 2 傳熱過程包含的傳熱方式：傳熱過程包含的傳熱方式： 導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射 輻射換熱、輻射換熱、 對(duì)流換熱、對(duì)流換熱、 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 墻壁的散熱墻壁的散熱 3 一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞 1 1 1 Ah Rh A R 2 2 1 Ah R h 忽略熱輻射換熱，則左側(cè)忽略熱輻射換熱，則左側(cè) 對(duì)流換熱熱阻對(duì)流換熱熱阻 固體的導(dǎo)熱熱阻