傳熱學(xué)20160410

1、傳熱學(xué)傳熱學(xué)化學(xué)與材料工程系能源化學(xué)工程小組成員：韓騏聰、丁波、陸紫嫣、張婕、蔣昱2021-9-272熱量傳遞基本方式：熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射2021-9-273熱量傳遞基本方式：熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射2021-9-2741 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱傳導(dǎo)的定義物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生發(fā)生溫度不同的物體各部分之間或溫度不同的各溫度不同的物體各部分之間或溫度不同的各物體之間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自物體之間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱量傳

2、遞由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱量傳遞的現(xiàn)象的現(xiàn)象2021-9-275導(dǎo)熱的特點(diǎn)導(dǎo)熱的特點(diǎn)必須有溫差必須有溫差物體直接接觸物體直接接觸依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量不發(fā)生宏觀的相對位移不發(fā)生宏觀的相對位移2021-9-2762021-9-277導(dǎo)熱機(jī)理導(dǎo)熱機(jī)理氣體：氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞氣體：氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果的結(jié)果導(dǎo)電固體：自由電子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電固體：自由電子運(yùn)動(dòng)非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)振動(dòng)非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)振動(dòng)液體：兼有氣體和固體導(dǎo)熱的機(jī)理液體：兼有氣體和固體導(dǎo)熱的機(jī)理2021-9-278導(dǎo)熱基本定律傅立

3、葉定律 ：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量W；q：熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量；量；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m2； ：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）W/( m K)。1822年，法國數(shù)學(xué)家年，法國數(shù)學(xué)家Fourier：tqAx t1t2 2021-9-279xtq2m/W當(dāng)溫度當(dāng)溫度t沿沿x方向增加時(shí)，方向增加時(shí)，dt/dx0，q0，說，說明熱量沿明熱量沿x減小的方向傳遞；反之，減小的方向傳遞；反之，dt/dx0，q0，說明熱量沿，說明熱量沿x增加的方向傳遞。增加的方向傳遞。 負(fù)號(hào)表示熱量傳

4、遞的方向與溫度升高的方向負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。相反。2021-9-2710熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）(Thermal conductivity)表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，與材料種類和溫度有關(guān)。與材料種類和溫度有關(guān)。氣體液體非金屬固體金屬;)(398CmW純銅; )(6.0CmW水）（空氣CCmW20 )(026.0tqAx 2021-9-2711 t1t2 大平板穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，由于是一維問題，大平板穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，由于是一維問題，且且 和和q為常量，積分傅立葉定律：為常量，積分傅立葉定律： 210 dd21ttqtxqtttqAx rt

5、ttq21RtAtt212021-9-2712rtttq21RtAtt21溫 壓熱 流 量熱 阻這里有必要引入這里有必要引入熱阻熱阻的概念。熱量傳遞是自的概念。熱量傳遞是自然界中的一種轉(zhuǎn)移過程。各種轉(zhuǎn)移過程有一然界中的一種轉(zhuǎn)移過程。各種轉(zhuǎn)移過程有一個(gè)共同規(guī)律，就是：個(gè)共同規(guī)律，就是：過程的動(dòng)力過程中的轉(zhuǎn)移量過程的阻力AR 導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻r單位導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻2021-9-2713t1t2 Q1t2tA2021-9-27142 熱對流若流體有宏觀的運(yùn)動(dòng)，且內(nèi)部存在溫差，則若流體有宏觀的運(yùn)動(dòng)，且內(nèi)部存在溫差，則由于流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流由于流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互

6、摻混而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象稱為體相互摻混而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象稱為熱對熱對流。流。若熱對流過程使具有質(zhì)量流量若熱對流過程使具有質(zhì)量流量G的流體由溫度的流體由溫度t1處流至溫度處流至溫度t2處，則此過程傳遞的熱流量為：處，則此過程傳遞的熱流量為： 熱對流與對流換熱熱對流與對流換熱 WttGcp )(122021-9-2715流體中有溫差流體中有溫差 熱對流必然同時(shí)伴隨著熱熱對流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo)，傳導(dǎo)，自然界不存在單一的熱對流自然界不存在單一的熱對流在日常生活及工程實(shí)踐中，人們遇到更多的在日常生活及工程實(shí)踐中，人們遇到更多的是流體流過一個(gè)溫度不同的物體表面時(shí)引起是流體流過一個(gè)溫度不同的物體表面時(shí)引

7、起的熱量傳遞，這種情況稱為的熱量傳遞，這種情況稱為對流換熱對流換熱。ut tw A2021-9-2716當(dāng)實(shí)際流體流過物體表面時(shí)，由于當(dāng)實(shí)際流體流過物體表面時(shí)，由于粘性作用粘性作用，緊貼物體表面的流體是靜止的，熱量傳遞只緊貼物體表面的流體是靜止的，熱量傳遞只能依能依導(dǎo)熱導(dǎo)熱的方式進(jìn)行；離開物體表面，流體的方式進(jìn)行；離開物體表面，流體有宏觀運(yùn)動(dòng)，有宏觀運(yùn)動(dòng)，熱對流熱對流方式將發(fā)生作用。所以，方式將發(fā)生作用。所以，對流換熱是熱對流和導(dǎo)熱兩種基本傳熱方式對流換熱是熱對流和導(dǎo)熱兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果共同作用的結(jié)果。對流換熱的特點(diǎn)對流換熱的特點(diǎn)對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有對流換熱與熱對

8、流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱，導(dǎo)熱，2021-9-2717不是基本傳熱方式，導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)存在不是基本傳熱方式，導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程的復(fù)雜熱傳遞過程必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差也必須有溫差對流換熱的分類對流換熱的分類a)根據(jù)流動(dòng)原因，分為：強(qiáng)制對流換熱和自然根據(jù)流動(dòng)原因，分為：強(qiáng)制對流換熱和自然對流換熱。對流換熱。b)是否相變，分為：有相變的對流換熱和無相是否相變，分為：有相變的對流換熱和無相變的對流換熱變的對流換熱2021-9-27182021-9-2719 對流換熱公式對流換熱公式牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式ut

9、 tw A 熱流量熱流量WW，單位時(shí)間傳遞的熱量，單位時(shí)間傳遞的熱量2mWq 熱流密度熱流密度h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)2mA 與流體接觸的壁面面積與流體接觸的壁面面積Cwt 固體壁表面溫度固體壁表面溫度Ct 流體溫度流體溫度W )(tthAw2mW )( fwtthAqC)(mW2 Convection heattransfer coefficient2021-9-2720)( ttAhwK)(mW2 當(dāng)流體與壁面溫度相差當(dāng)流體與壁面溫度相差1 1度時(shí)、每單位度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量h h是表征對流換熱過程強(qiáng)弱的物理量是表征對流換熱過

10、程強(qiáng)弱的物理量影響影響h因素：因素：流體的物性流體的物性（導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、（導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、密度、比熱容等）、密度、比熱容等）、流動(dòng)的形態(tài)流動(dòng)的形態(tài)（層流、紊（層流、紊流）、流）、流動(dòng)的成因流動(dòng)的成因（自然對流或強(qiáng)制對流）、（自然對流或強(qiáng)制對流）、物體表面的形狀、尺寸，換熱時(shí)有無相變物體表面的形狀、尺寸，換熱時(shí)有無相變（沸騰或凝結(jié)）等。（沸騰或凝結(jié)）等。2021-9-2721研究對流換熱研究對流換熱的基本任務(wù)就的基本任務(wù)就是用理論分析是用理論分析或?qū)嶒?yàn)方法得或?qū)嶒?yàn)方法得出不同情況下出不同情況下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算關(guān)系式。的計(jì)算關(guān)系式。Typical values of h2021-9

11、-2722對流熱阻對流熱阻Thermal resistance for convectionhhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrh2021-9-27233 熱輻射熱輻射(Thermal radiation)熱輻射的定義與特點(diǎn)熱輻射的定義與特點(diǎn)定義：定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象能量的現(xiàn)象特點(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0K，就會(huì)不停地，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；向周圍空間發(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)輻射能

12、與溫度和波長均有關(guān)輻射能與溫度和波長均有關(guān)2021-9-2724輻射換熱的定義與特點(diǎn)輻射換熱的定義與特點(diǎn)定義：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞定義：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞特點(diǎn)：特點(diǎn)：a)不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量；能量；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 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能電磁波能電磁波能物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能c)無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量電磁波能、相互輻射能量2021-9-27252021-9-2726 斯蒂芬斯蒂芬-玻爾茲

13、曼定律玻爾茲曼定律黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體。黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體。 或稱絕對黑體?；蚍Q絕對黑體。（Black bodyBlack body）黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng)。黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng)。黑體向外發(fā)射的輻射能：黑體向外發(fā)射的輻射能：24mW TEb 絕對黑體輻射力絕對黑體輻射力 黑體表面的絕對溫度（熱力學(xué)溫度）黑體表面的絕對溫度（熱力學(xué)溫度） 斯蒂芬斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)， bET )K(mW105.6742-8 K2021-9-2727實(shí)際物體輻射能力：低于同溫度黑體實(shí)際物體輻射能力：低于同溫度黑體24mW TE 實(shí)際物體表面的發(fā)射

14、率（黑度），實(shí)際物體表面的發(fā)射率（黑度），01；與物體的種類、表面狀況和溫度有關(guān)。與物體的種類、表面狀況和溫度有關(guān)。 特殊情況下的兩表面輻射換熱特殊情況下的兩表面輻射換熱 41411TTA2021-9-2728T1T2QA)(4241TTA2021-9-27291 傳熱過程傳熱過程熱量由熱流體通過間壁傳給冷熱量由熱流體通過間壁傳給冷流體的過程流體的過程。導(dǎo)熱導(dǎo)熱對流對流輻射輻射對流對流tkA傳熱過程通常由導(dǎo)熱、熱對流、傳熱過程通常由導(dǎo)熱、熱對流、熱輻射組合形成熱輻射組合形成k k 為傳熱系數(shù)為傳熱系數(shù)，W/(W/( m m2o2oC)C)。在數(shù)值上，傳熱系。在數(shù)值上，傳熱系數(shù)等于冷、熱流體間溫差數(shù)等于冷、熱流體間溫差=1=1 o oC C、傳熱面積、傳熱面積A A1 m1 m2 2時(shí)的熱流量值，是一個(gè)表征傳熱過程強(qiáng)烈時(shí)的熱流量值，是一個(gè)表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的物理量。程度的物理量。2021-9-27302 傳熱系數(shù)的計(jì)算傳熱系數(shù)的計(jì)算熱流體熱流體tf1到到tw1：)(111wfttAh111Ahttwftw1到到tw2：1211/ )(wwttA1121Attwwtw2到冷流體：到冷流體：)(222fwttAh222Ahttfw2021-9-273121211111hhrrrhhk單位熱阻或面積熱阻單位熱阻