傳熱學(xué)第0章 緒論1

1、2021-11-3緒論12021-11-3緒論2Heat Transfer王立平教材: 傳熱學(xué) 章熙民、任澤霈編著，第五版z傳熱學(xué) 楊世銘、陶文銓編著，第三版z傳熱學(xué) 重點(diǎn)難點(diǎn)及典型題精解王秋旺，西安交通大學(xué)出版社z傳熱學(xué) 戴鍋生，第二版z數(shù)值傳熱學(xué) 陶文銓編著z Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Millsz Heat Transfer , by J.P.Holmanz Fundamentals of Heat Transfer, by F. P. Incropera, D.P. DeWitt|平時成績: 30%z出 勤 及 作 業(yè)20%z

2、上機(jī)+實(shí)驗(yàn)10%|期末考試: 70%2021-11-3緒論61. 傳熱學(xué)（Heat Transfer）1.1 研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，具體來講主要有熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測試方法。1.2 熱量傳遞過程的推動力：溫差 熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?有溫差就會有傳熱 溫差是熱量傳遞的推動力2 傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差 傳熱很普遍 2.1 日常生活中的例子：z人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持20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？ 夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？北方寒冷地區(qū)，建

3、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？ 2 傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例2.2 生產(chǎn)過程：能源、動力、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)（MEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)1.基層墻體:鋼筋混凝土墻、混凝土空心砌塊墻、粘土多孔墻、粘土磚墻。2.粘結(jié)層：HQ01膠粘劑。3.保溫層：聚苯乙烯泡沫板。4.底層防護(hù)層: HQ-02抹面膠漿。5.增強(qiáng)材料:耐堿玻纖網(wǎng)格布。6.罩面材料:HQ02抹面膠漿。7.外飾面：膩?zhàn)?，面層涂料? 傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例2.2幾個特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷

4、卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（Ma=10）冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽能高空無人飛機(jī)2 傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例2.2 生產(chǎn)過程：z微電子: 電子芯片冷卻z生物醫(yī)學(xué):腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯?組織與器官的冷凍保存z軍 事:飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存z制 冷:跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵;高溫 水源熱泵z新 能 源：太陽能;燃料電池3. 傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系z研究工質(zhì)不一樣；（熱：氣、液；傳：固、液、氣）z熱力學(xué)研究可逆過程，無溫差傳熱；而傳熱學(xué)則是溫差傳熱，為不可逆過程。z熱力學(xué)研究熱量和其他能量形式（如：功）之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，而

5、傳熱學(xué)則是無做功過程。z熱力學(xué)研究熱量在一段時間內(nèi)總的交換量(J)，而傳熱學(xué)著重于單位時間的換熱量(W)。z傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即 始終從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩磦鬟f，如果沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，則 始終是守恒的4. 傳熱學(xué)解決兩大類問題1.計(jì)算熱量傳遞速率 z加速熱量傳遞z減慢熱量傳遞2. 傳熱物體的溫度分布五、研究方法1. 理論分析法：z解析法 z數(shù)值解法2. 實(shí)驗(yàn)研究方法： z測定有關(guān)熱物體的性質(zhì)z模型試驗(yàn)h1 tf1h2 tf2tw1tw2A導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))對流(熱對流)熱輻射傳熱基本方式分析室內(nèi)熱量傳給室外的熱傳遞（1）大氣外墻：對流換熱，熱輻射（2）外墻內(nèi)墻：導(dǎo)熱（3）內(nèi)墻

6、室內(nèi)：對流換熱，熱輻射1 導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)1.1 定義：指溫度不同的物體各部分無相對位移或溫度不同的兩物體直接接觸時依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。1.2 物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生1.3 導(dǎo)熱的特點(diǎn)：za.同一物體各部分無相對位移；zb.不同物體必須相互接觸；zc.沒有能量形式的轉(zhuǎn)化。z在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。1.4 導(dǎo)熱量的計(jì)算 如圖所示的大平壁，若其兩側(cè)壁面各點(diǎn)溫度保持不變，分別保持為tw1及tw2，且tw1tw2 ，則熱量將從tw1一側(cè)傳向tw2一側(cè)。此時通過大平壁的熱流量為：12/()wwtttAAtw

7、1tw2A熱流量（導(dǎo)熱量），W；A垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，m2；平壁厚度，m導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率），W/(m );q熱流密度，W/ m2。12/()wwtttAA2( /)/tqw mA 1.5 導(dǎo)熱系數(shù) 表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，與材料種類和溫度關(guān)。金屬非金屬固體液體氣體導(dǎo)熱熱阻的圖示導(dǎo)熱熱阻的圖示1wt2wt()Atw1tw2AUIR12/()wwtttAA/tqA ARRA試求熱流密度。v銅,=375 W/(mK)；v鋼,=36.4 W/(mK)；v鉻磚,=2.32 W/(mK)；1.硅藻土磚,=0.242 W/(mK)。.100,30021CtCtowow|一塊厚度=50 m

8、m 的平板， 兩側(cè)表面分別維持在2321mW1028. 905. 010030032. 2wwttq鉻磚：鉻磚：2221mW1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土磚：硅藻土磚：2621mW105 . 105. 0100300375wwttq銅：銅：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq鋼：鋼：解：解：討論：討論： 由計(jì)算可見，由計(jì)算可見， 由于銅與硅藻由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別， 導(dǎo)致導(dǎo)致在相同的條件下通過銅板的導(dǎo)熱在相同的條件下通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三量比通過硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個數(shù)量級

9、。個數(shù)量級。 因而，銅是熱的因而，銅是熱的良導(dǎo)良導(dǎo)體體， 而硅藻土磚則起到一定的而硅藻土磚則起到一定的隔隔熱作用熱作用2. 熱對流（convection） 2.1 熱對流定義|流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運(yùn)動而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。212/)(mWttMCqp2.2 對流換熱定義|流體流過一個固體表面時的熱量傳遞過程。與單純的熱對流不同，具有如下特點(diǎn)：z導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程；z必須有直接接觸(流體與壁面)和宏觀運(yùn)動; 也必須有溫差；z壁面處會形成速度梯度很大的邊界層。2.3 對流換熱的分類z按流動起因來分：強(qiáng)迫對流和自然對流z按有無相變

10、來分：沸騰換熱和凝結(jié)換熱2.4 2.4 對流換熱的基本計(jì)算公式對流換熱的基本計(jì)算公式: : 牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式 WtthAw2 () W mwqAh tth 對流換熱 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)傳熱量：熱流密度：2.5 對流換熱 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) Convection heat transfer Convection heat transfer coefficientcoefficient|物理意義：當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面面積上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量。|影響因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等。KmWttAhw2/)( 1 () 1hAhtthARttqhR1 () hARhAC W21

11、 hRhmC WThermal resistance for convectionThermal resistance for convection2.6 2.6 對流換熱熱阻：對流換熱熱阻： 3.1 定義定義 依靠物體表面對外發(fā)射可依靠物體表面對外發(fā)射可見和不可見的射線（電磁波或見和不可見的射線（電磁波或光子）傳遞熱量。光子）傳遞熱量。Thermal radiation3.2 特點(diǎn)特點(diǎn)：z任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K0 K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；射；z可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；z伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；熱能

12、輻射能熱能z具有強(qiáng)烈的方向性；具有強(qiáng)烈的方向性；z輻射能與溫度和波長均有關(guān)；輻射能與溫度和波長均有關(guān)；z發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4 4次方。次方。|當(dāng)你靠近火的時候，會感到當(dāng)你靠近火的時候，會感到面向火的一面比背面熱；面向火的一面比背面熱；| 冬天的夜晚，呆在有窗簾的冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會感到比沒有窗簾時屋子內(nèi)會感到比沒有窗簾時要舒服；要舒服；| 太陽能傳遞到地面太陽能傳遞到地面| 冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在度在00以上，但地面卻可能以上，但地面卻可能結(jié)冰。結(jié)冰。3.3 輻射換熱物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同，就像對流和對

13、流換熱一樣。|3.4 輻射換熱的特點(diǎn)：z不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量z在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換z物體熱力學(xué)能 電磁波能 物體熱力學(xué)能z無論溫度高低，物體都不停地相互輻射能量3.5 3.5 輻射換熱的研究方法輻射換熱的研究方法 假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他因素，然后真實(shí)物體的輻射則與黑體進(jìn)行比較和修正，通過實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律，3.6 3.6 黑體的定義黑體的定義能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng) 3.7 3.7 黑體輻射的控制方程黑體輻射的控制方程 Stefa

14、n-Boltzmann Stefan-Boltzmann 定律定律 ，4A T4Tq，4TA3.8 3.8 兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱 )(4241TTA2T42T1T兩兩無限大的平行無限大的平行黑體黑體表面間的輻射換熱表面間的輻射換熱41T424121100100TTqb 42T11T22T兩無限大的平行平面間的輻兩無限大的平行平面間的輻射換熱射換熱41T42412, 121100100TTCq|一根水平放置的蒸汽管道， 其保溫層外徑d=583 mm，外表面實(shí)測平均溫度及空氣溫度分別 ，此時空氣與管道外表面間的自然對流 換 熱 的 表 面 傳 熱 系 數(shù)h=3.42 W /

15、(m2 K), 保溫層外表面的發(fā)射率CtCtfw23,489 . 0lq當(dāng)僅考慮自然對流時，單位長度上的自然對流散熱量為)(,fwclttdhthdq)/(5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW 近似地取室內(nèi)物體及墻壁表面溫度為室內(nèi)空氣溫度， 于是每米長度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射換熱為：)(4241,TTdqrl)/(7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW討論 計(jì)算結(jié)果表明， 對于表面溫度為幾幾十?dāng)z氏度的一類表面的散熱問題， 自然對流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級，必須同時予以考慮。我們生活的這個地球從太

16、陽吸收熱量，同時不停的向宇宙空間輻射熱量，整個地球處于一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，各種生物，包括人類才能在地球上生存，假設(shè)宇宙空間的背景溫度上升了1.3K，對于地球會不會產(chǎn)生影響？PS：地球半徑約6400km 地球表面平均溫度約15宇宙空間的背景溫度約2.7K日常生活中的例子：z人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持20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？ z冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會感到比沒有窗簾時要舒服？夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？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？ |傳熱過程定義

17、兩流體通過固體壁面的換熱過程。|熱阻法分析傳熱過程：z假設(shè)1： 穩(wěn)態(tài)傳熱z假設(shè)2： 無限長平壁h1 tf1h2 tf2tw1tw2Ah1 tf1h2 tf2tw1tw2A22221111/1/1httqttqhttqfwwwwf|熱阻法分析傳熱過程：22221111/1/1httqttqhttqfwwwwf1111222211fwwwwfttqhttqttqh121212121/1/()11/1/ffffttqhhk ttkhh |傳熱系數(shù)kz單位時間、單位壁面積上，冷熱流體每單位溫差可傳遞的熱量。z過程量21111hhk|工程中常見傳熱過程的傳熱系數(shù)K(W（）) 如下：z(1)氣體-氣體 3

18、0z(2)氣體-水(肋管，水在管內(nèi)) 3060z(3)氣體-蒸汽(肋管，蒸汽在管內(nèi)） 30300z(4)水-水 9001800z(5)水-蒸汽凝結(jié) 3000z(6)水-油類 100350z(7)水-氟利昂12 280850z(8)水-氨 8501400|平壁單位面積傳熱熱阻Rkz影響因素同傳熱系數(shù)：流體的物性、流動情況、壁面材料與形狀等2121 11/kRm KWk hh 1818世紀(jì)世紀(jì)3030年代工業(yè)化革命促進(jìn)年代工業(yè)化革命促進(jìn)了傳熱學(xué)的發(fā)展了傳熱學(xué)的發(fā)展|導(dǎo)熱（導(dǎo)熱（Heat conductionHeat conduction）z鉆炮筒大量發(fā)熱的實(shí)驗(yàn)（鉆炮筒大量發(fā)熱的實(shí)驗(yàn)（B.T. B.

19、T. Rumford, 1798Rumford, 1798）z兩塊冰摩擦生熱化為水的實(shí)驗(yàn)兩塊冰摩擦生熱化為水的實(shí)驗(yàn)（H.Davy, 1799H.Davy, 1799）z導(dǎo)熱熱量和溫差及壁厚的關(guān)系導(dǎo)熱熱量和溫差及壁厚的關(guān)系（J.B.Biot,1804J.B.Biot,1804）|導(dǎo)熱（導(dǎo)熱（Heat conductionHeat conduction）zFourier Fourier 導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律 (J.B.J.Fourier,1822(J.B.J.Fourier,1822）zG.F.B.Riemann/ G.F.B.Riemann/ H.S.Carslaw/ J.C.Jaeger/ H.S

20、.Carslaw/ J.C.Jaeger/ M.Jakob M.Jakob |對流換熱對流換熱 （Convection Convection heat transferheat transfer）z不可壓縮流動方程不可壓縮流動方程 （M.Navier,1823M.Navier,1823年年) )|對流換熱對流換熱 （Convection Convection heat transferheat transfer）z流體流動流體流動Navier-StokesNavier-Stokes基本基本方程方程 (G.G.Stokes,1845(G.G.Stokes,1845年）年）z雷諾數(shù)雷諾數(shù)(O.Re

21、ynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年）z自然對流的理論解自然對流的理論解（L.Lorentz, 1881L.Lorentz, 1881年）年）z管內(nèi)換熱的理論解管內(nèi)換熱的理論解（L.Graetz, 1885L.Graetz, 1885年；年；W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年）對流換熱對流換熱 （Convection heat Convection heat transfertransfer）z凝結(jié)換熱理論解凝結(jié)換熱理論解 （W.Nusselt, 1916W.Nusselt, 1916年）年）z強(qiáng)制對流與自然對流無量綱強(qiáng)制對流與自然對流無量綱

22、數(shù)的原則關(guān)系數(shù)的原則關(guān)系 （W.Nusselt,1909W.Nusselt,1909年年/1915/1915年）年）z流體邊界層概念流體邊界層概念 （L.Prandtl, 1904L.Prandtl, 1904年）年）z熱邊界層概念熱邊界層概念 （E.Pohlhausen, 1921E.Pohlhausen, 1921年）年）對流換熱對流換熱 （Convection heat Convection heat transfertransfer）z湍流計(jì)算模型湍流計(jì)算模型 （L.Prandtl,1925L.Prandtl,1925年；年；Th.Von Th.Von Karman, 1939Karman, 1939年；年；R.C. R.C. Martinelli, 1947Martinelli, 1947