No02 0928 1 緒論傳熱學(xué)

1、2022-3-61AAAA 2022-3-621-1 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式導(dǎo)熱對流輻射定義屬性特點2022-3-63(1) 概念概念 定義：定義：物體各部分之間物體各部分之間不發(fā)生相對位移時（無宏觀位不發(fā)生相對位移時（無宏觀位移）移），依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導(dǎo)熱。而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導(dǎo)熱。 如：固體與固體之間及固體內(nèi)部的熱量傳遞。如：固體與固體之間及固體內(nèi)部的熱量傳遞。 導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）review2022-3-64 從微觀角度分析氣體、液體、導(dǎo)電固體與非金屬固體的導(dǎo)從微觀角度分

2、析氣體、液體、導(dǎo)電固體與非金屬固體的導(dǎo)熱機(jī)理。熱機(jī)理。 n 氣體中氣體中：導(dǎo)熱是氣體：導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動分子不規(guī)則熱運(yùn)動時相互碰撞的結(jié)果，時相互碰撞的結(jié)果，溫度升高，動能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使熱能溫度升高，動能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使熱能從高溫傳到低溫處。從高溫傳到低溫處。 review2022-3-65n 導(dǎo)電固體：導(dǎo)電固體：其中有許多其中有許多自由電子自由電子，它們，它們在晶格之間像在晶格之間像氣體分子那樣運(yùn)動氣體分子那樣運(yùn)動。自由電子的運(yùn)動在導(dǎo)電固體的導(dǎo)。自由電子的運(yùn)動在導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱中起主導(dǎo)作用。熱中起主導(dǎo)作用。 n 非導(dǎo)電固體：非導(dǎo)電固體：導(dǎo)熱是通過

3、導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動晶格結(jié)構(gòu)的振動所產(chǎn)生的彈所產(chǎn)生的彈性波來實現(xiàn)的，即原子、分子在其平衡位置附近的振性波來實現(xiàn)的，即原子、分子在其平衡位置附近的振動來實現(xiàn)的。動來實現(xiàn)的。review2022-3-66n 液體的導(dǎo)熱機(jī)理：液體的導(dǎo)熱機(jī)理：存在兩種不同的觀點：存在兩種不同的觀點： 第一種觀點第一種觀點類似于氣體，只是復(fù)雜些，因液體分子的間距類似于氣體，只是復(fù)雜些，因液體分子的間距較近，分子間的作用力對碰撞的影響比氣體大；較近，分子間的作用力對碰撞的影響比氣體大； 第二種觀點第二種觀點類似于非導(dǎo)電固體，主要依靠彈性波（晶格的類似于非導(dǎo)電固體，主要依靠彈性波（晶格的振動，原子、分子在其平衡位置附近

4、的振動產(chǎn)生的）的作用。振動，原子、分子在其平衡位置附近的振動產(chǎn)生的）的作用。 說明：說明：在傳熱學(xué)中，只研究導(dǎo)熱現(xiàn)象的在傳熱學(xué)中，只研究導(dǎo)熱現(xiàn)象的宏觀宏觀規(guī)律。規(guī)律。 review2022-3-67 1) 導(dǎo)熱的基本定律導(dǎo)熱的基本定律( Fourier 定律定律)： 1822年，法國數(shù)學(xué)家年，法國數(shù)學(xué)家Fourier: W ddxtA2mW ddxtAqt0 x dxdtQ(2) 導(dǎo)熱的基本定律：導(dǎo)熱的基本定律：說明：說明：熱流量熱流量 單位時間內(nèi)通過某一給定面積的熱量稱為熱流量，記為單位時間內(nèi)通過某一給定面積的熱量稱為熱流量，記為，單位，單位W。 熱流密度（面積熱流量）熱流密度（面積熱流量）

5、 q 單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量稱為熱流密度，記為單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量稱為熱流密度，記為q ，單位，單位 W/m2。review2022-3-68 2) 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，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 3) 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻 如圖右圖所示，穩(wěn)態(tài)如圖右圖所示，穩(wěn)態(tài) q = const，于是，于是積分積分Fourier定律有定律有210 dd21wwttttqtxqwwQ1wt2wtA1wt2wtt0 x dxdtQ以上結(jié)果在以上結(jié)果在2-3

6、 節(jié)中會進(jìn)一步說明。節(jié)中會進(jìn)一步說明。review2022-3-69Q1wt2wtA圖圖1-3 導(dǎo)熱熱阻的圖示導(dǎo)熱熱阻的圖示 4) 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻，一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻， 1wt2wtt0 x dxdtQrAR 導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻rtttqww21RtAttww21w/m2wreview2022-3-6101-1 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式導(dǎo)熱對流輻射定義屬性特點2022-3-611（1）基本概念）基本概念 1) 對流：對流：是指由于流體的是指由于流體的宏觀運(yùn)動宏觀運(yùn)動，從而使流體各部分之，從而使流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混

7、所引起的熱量傳遞過間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。程。 對流僅發(fā)生在流體中，對流的同時必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。對流僅發(fā)生在流體中，對流的同時必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。 2 對流對流 2) 對流換熱對流換熱：流體流過一個流體流過一個物體表面物體表面時的熱量傳遞過程，時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。稱為對流換熱。 2022-3-612（2）對流換熱的分類）對流換熱的分類 1）根據(jù)對流換熱時）根據(jù)對流換熱時是否發(fā)生相變是否發(fā)生相變分：有相變的對流換熱和無分：有相變的對流換熱和無相變的對流換熱。相變的對流換熱。 2）根據(jù)引起）根據(jù)引起流動的原因流動的原因分：自然對流和強(qiáng)制對流。分：自然對流和強(qiáng)

8、制對流。3）根據(jù)流動型態(tài)分，層流和紊流。）根據(jù)流動型態(tài)分，層流和紊流。4）根據(jù)流動位置分：外部流動和內(nèi)部流動。）根據(jù)流動位置分：外部流動和內(nèi)部流動。2022-3-6131 ）自然對流：）自然對流： 由于流體冷熱各部分的由于流體冷熱各部分的密度不同密度不同而引起流體的流動。而引起流體的流動。 如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動。如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動。 2 ）強(qiáng)制對流：）強(qiáng)制對流： 流體的流動是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他流體的流動是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差壓差作用所造成的。作用所造成的。 3 ）沸騰換熱及凝結(jié)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)的對流換熱

9、，液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對流換熱，稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱（相變對流沸騰）。稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱（相變對流沸騰）。 定義：定義：2022-3-614W )(tthAw2mW )( fwtthAq(3) 對流換熱的基本計算公式對流換熱的基本計算公式牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 熱流量熱流量W，單位時間傳遞的熱量，單位時間傳遞的熱量q2mW 熱流密度熱流密度K)(mW2A2m 與流體接觸的壁面面積與流體接觸的壁面面積wt C 固體壁表面溫度固體壁表面溫度t 流體溫度流體溫度 C2022-3-615 當(dāng)流體與壁面溫度相差當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面

10、面積上、單位時度時、每單位壁面面積上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量間內(nèi)所傳遞的熱量)( ttAhwK)(mW2影響影響h因素：因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等流速、流體物性、壁面形狀大小等(4) 對流換熱系數(shù)對流換熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))圖16hhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrh(5) 對流換熱熱阻對流換熱熱阻 表表1-1 表面對流傳熱系表面對流傳熱系數(shù)的大致范圍數(shù)的大致范圍 p.82022-3-6161-1 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式導(dǎo)熱對流輻射定義屬性特點2022-3-617(1) 基本概念基本概念 1）輻射和熱輻射）輻射和熱

11、輻射 物體通過物體通過電磁波電磁波來傳遞能量的方來傳遞能量的方式稱為輻射。因式稱為輻射。因熱的原因熱的原因而發(fā)出輻而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。 2）輻射換熱）輻射換熱 輻射與吸收過程的綜合作用造成輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。傳遞稱輻射換熱。 熱輻射熱輻射2022-3-618(2) 熱輻射的研究方法：熱輻射的研究方法： 黑體黑體修正（黑度）修正（黑度）實際物體實際物體黑體的定義黑體的輻射控制方程Stefan-Boltzmann 定律 4TA4Tq4TAStefan（1835-1893）Boltzm

12、ann（1844-1906）修正的Stefan-Boltzmann 定律發(fā)射率或黑度，介于01之間；黑體輻射常數(shù), 5.6710-8 W/(m2K4)2022-3-619(4) 輻射換熱的特點輻射換熱的特點n 不需要中間介質(zhì)不需要中間介質(zhì),可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；n 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n 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；高無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；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

13、體的能量；總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量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫n 自然界中的物體自然界中的物體(T 0K)都在不停的向空間發(fā)出熱輻射，同時又不斷的都在不停的向空間發(fā)出熱輻射，同時又不斷的吸收其他物體發(fā)出的輻射熱。吸收其他物體發(fā)出的輻射熱。 n 輻射換熱是一個動態(tài)過程，當(dāng)物體與周圍環(huán)境溫度處于熱平衡時，輻射輻射換熱是一個動態(tài)過程，當(dāng)物體與周圍環(huán)境溫度處于熱平衡時，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過程仍在不停的進(jìn)行，只是輻射熱與吸收熱換熱量為零，但輻射與吸收過程仍在不停的進(jìn)行，只是輻射熱與吸收熱相等。相等。(3) 輻射換熱：輻射換熱：物體間靠

14、熱輻射進(jìn)行的熱量交換熱量交換，它與單純的熱輻射不同，就像對流和對流換熱類似。 2022-3-620)(424121TTq 42T1T2T圖19 兩黑體表面間的輻射換熱41T公式（公式（19）只需記憶，因為用我們現(xiàn)在所學(xué)的知識還不能推導(dǎo)出來。）只需記憶，因為用我們現(xiàn)在所學(xué)的知識還不能推導(dǎo)出來。(5) 兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱(參見圖參見圖19)：)(4241TTA2022-3-621、冬天，經(jīng)過在太陽地下曬過的棉被蓋起來覺得更暖和，并且拍打以后效果會更好，為什么? 2022-3-622、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

15、穿的衣服能否一樣？為什么？2022-3-623、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？2022-3-624、試分析暖氣片的散熱過程，各環(huán)節(jié)有那些熱量傳遞方式? 2022-3-625、試分析利用鋁壺在煤氣灶上燒開水的過程，各環(huán)節(jié)有那些熱量傳遞方式? 2022-3-626、利用冰箱儲存相同的物質(zhì)時，試問結(jié)霜的冰箱耗電量大還是未結(jié)霜的冰箱耗電量大? 2022-3-627、試分析保溫瓶膽的保溫原理（一般瓶膽是鍍銀的真空玻璃夾層）？那些因素會影響保溫效果？從瓶內(nèi)熱水到外部環(huán)境存在那些熱量傳遞方式？ 2022-3-6281-3 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù)一、傳熱過程一、

16、傳熱過程 1 、概念、概念 熱量由壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)熱量由壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過程稱傳熱過程。流體中去的過程稱傳熱過程。 2022-3-6292 、傳熱過程的組成、傳熱過程的組成 傳熱過程一般包括串聯(lián)著的傳熱過程一般包括串聯(lián)著的三個環(huán)節(jié)三個環(huán)節(jié)組成，即：組成，即： 熱流體熱流體 壁面高溫側(cè)；壁面高溫側(cè)； 壁面高溫側(cè)壁面高溫側(cè) 壁面低溫側(cè)；壁面低溫側(cè)； 壁面低溫側(cè)壁面低溫側(cè) 冷流體。冷流體。 若是穩(wěn)態(tài)過程則通過串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同。若是穩(wěn)態(tài)過程則通過串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同。 2022-3-6303 、傳熱過程的計算、傳熱過程的計算 22221111fwwwwft

17、tAhttAttAh （a）（b）（c） 針對穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，即針對穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，即 =const 如圖如圖 1- 3 ，其，其傳熱環(huán)節(jié)有三種情況傳熱環(huán)節(jié)有三種情況，則其熱流量的表達(dá)式如下：則其熱流量的表達(dá)式如下： 2022-3-631將式（將式（a）、（）、（b）、（）、（c）改寫成溫差的形式：）改寫成溫差的形式：22221111/AhttAttAhttfwwwwf （d）（e）（f）2022-3-632三式相加，整理可得三式相加，整理可得:也可以表示成也可以表示成: 式中，式中， 稱為稱為傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)，單位為，單位為 。 k2W/ mK212111)(hhttAff（1-10）tAk

18、ttAkff)(21（1-11）2022-3-633二、傳熱系數(shù)二、傳熱系數(shù) 1 、概念、概念 是指用來表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的指標(biāo)。是指用來表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的指標(biāo)。數(shù)值上等數(shù)值上等于冷熱流體間溫差于冷熱流體間溫差 ，傳熱面積，傳熱面積 時熱流量的值。時熱流量的值。 說明：說明：K 值越大，則傳熱過程越強(qiáng)，反之，則弱。值越大，則傳熱過程越強(qiáng)，反之，則弱。 K值大小受較多的因素的影響值大小受較多的因素的影響： 參與傳熱過程的兩種流體的種類；參與傳熱過程的兩種流體的種類； 傳熱過程是否有相變；傳熱過程是否有相變；1t21mA 2022-3-634說明：說明：若流體與壁面間有輻射換熱現(xiàn)象，上述計算

19、未若流體與壁面間有輻射換熱現(xiàn)象，上述計算未考慮之。要計算輻射換熱，則：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)取復(fù)考慮之。要計算輻射換熱，則：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)取復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，包含由輻射換熱折算出來的表合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，包含由輻射換熱折算出來的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在內(nèi)。其方法見面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在內(nèi)。其方法見 8 - 4 節(jié)。節(jié)。 傳熱系數(shù)的表達(dá)式為傳熱系數(shù)的表達(dá)式為: 21111hhk（1-12）2022-3-635傳熱系數(shù)的表達(dá)式揭示了傳熱系數(shù)的構(gòu)成，即它等于傳熱系數(shù)的表達(dá)式揭示了傳熱系數(shù)的構(gòu)成，即它等于組成傳熱過程諸環(huán)節(jié)的組成傳熱過程諸環(huán)節(jié)的 、 及及 之和的之和的倒數(shù)。如果對式（倒數(shù)。如果對式（1-12）取倒數(shù)，還可理解得更深刻些。）取倒數(shù)，還可理解得更深刻些。此時此時11/ h/ 21/ h或或 21111hhk （1-13）21111AhAAhAk （1-14）理解：理解：2022-3-636此式與歐姆定