三種傳熱形式

1、課程特點(diǎn)課程特點(diǎn)實(shí)踐性很強(qiáng)的科學(xué)實(shí)踐性很強(qiáng)的科學(xué),常稱工程傳熱學(xué)常稱工程傳熱學(xué)是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，聯(lián)系基礎(chǔ)課與專業(yè)是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，聯(lián)系基礎(chǔ)課與專業(yè)課的紐帶與橋梁課的紐帶與橋梁先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、計(jì)算先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、計(jì)算方法、方法、工程熱力學(xué)工程熱力學(xué) 、流體力學(xué)流體力學(xué)等等主要內(nèi)容主要內(nèi)容1 1 傳熱學(xué)概述傳熱學(xué)概述2 2 熱量傳遞的基本方式熱量傳遞的基本方式3 3 傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程4 4 換熱器換熱器研究研究熱量傳遞規(guī)律熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。的科學(xué)。熱量傳遞的熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算方法機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算方法熱量傳遞過(guò)程的推動(dòng)力：熱量傳遞過(guò)程的推動(dòng)力：溫差，溫差，有溫差

2、就有溫差就會(huì)有傳熱。會(huì)有傳熱。熱力學(xué)第二定律：熱量可以熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩礋嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?。二、傳熱學(xué)的重要性和廣泛性二、傳熱學(xué)的重要性和廣泛性自然界與生產(chǎn)過(guò)程到處存在溫差自然界與生產(chǎn)過(guò)程到處存在溫差傳熱很普遍傳熱很普遍 范圍廣泛，無(wú)處不在，無(wú)時(shí)不有范圍廣泛，無(wú)處不在，無(wú)時(shí)不有日常生活中的例子日常生活中的例子若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持25度，那度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？冬天耳朵大的人為什么容易生凍瘡？冬天耳朵大的人為什么容易生凍瘡？泰

3、坦尼克號(hào)泰坦尼克號(hào)男女主人公的的結(jié)局為何不同？男女主人公的的結(jié)局為何不同？冬天樹(shù)葉為什么向上的一面容易結(jié)霜？冬天樹(shù)葉為什么向上的一面容易結(jié)霜？在工程技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問(wèn)題在工程技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問(wèn)題動(dòng)力、化工、制冷、建筑、環(huán)境、機(jī)械制動(dòng)力、化工、制冷、建筑、環(huán)境、機(jī)械制造、新能源、造、新能源、微電子微電子、核能核能、航空航天航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、）、新材料、軍事科軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)三、傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系三、傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系1.相同點(diǎn)：傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和相同點(diǎn)：傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基

4、礎(chǔ)（第二定律為基礎(chǔ)（The First and Second Law of Thermodynamics） 即：熱量即：熱量 Q 傳遞始終是從高溫物體向低溫傳遞始終是從高溫物體向低溫物體傳遞；在熱量傳遞過(guò)程中若無(wú)能量物體傳遞；在熱量傳遞過(guò)程中若無(wú)能量形式的轉(zhuǎn)換，則熱量始終保持守恒。形式的轉(zhuǎn)換，則熱量始終保持守恒。2.不同點(diǎn)不同點(diǎn)a）定義：）定義： 工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)：熱能的性質(zhì)、熱能與機(jī)械能：熱能的性質(zhì)、熱能與機(jī)械能及其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律。及其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律。傳熱學(xué)傳熱學(xué)：熱量熱量 Q 傳遞過(guò)程的規(guī)律。傳遞過(guò)程的規(guī)律。b）時(shí)間）時(shí)間 工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)：不考慮熱量傳

5、遞過(guò)程的時(shí)間。：不考慮熱量傳遞過(guò)程的時(shí)間。傳熱學(xué)傳熱學(xué)：時(shí)間是重要參數(shù)。：時(shí)間是重要參數(shù)。熱量傳遞基本方式：熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱傳導(dǎo)、conduction熱對(duì)流、熱對(duì)流、convection熱輻射熱輻射 radiation在不同場(chǎng)合下，三種方式可能單獨(dú)存在，也可能在不同場(chǎng)合下，三種方式可能單獨(dú)存在，也可能產(chǎn)生不同的組合方式產(chǎn)生不同的組合方式太空飛船的傳熱太空飛船的傳熱/暖氣片傳熱暖氣片傳熱1.1.定義和特征定義和特征定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí)，依靠分子、同的兩物體間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而

6、進(jìn)原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。行的熱量傳遞現(xiàn)象。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(duì)位移不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移2.導(dǎo)熱機(jī)理導(dǎo)熱機(jī)理氣體：氣體：氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。撞的結(jié)果。導(dǎo)電固體：導(dǎo)電固體：自由電子運(yùn)動(dòng)。自由電子運(yùn)動(dòng)。非導(dǎo)電固體：非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。液體：液體：很復(fù)雜。很復(fù)雜。14

7、溫度場(chǎng)、等溫線、等溫面溫度場(chǎng)、等溫線、等溫面(1) 溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)：某時(shí)刻空間所有各點(diǎn)溫度分布情況某時(shí)刻空間所有各點(diǎn)溫度分布情況 溫度場(chǎng)是時(shí)間和空間的函數(shù)，即：溫度場(chǎng)是時(shí)間和空間的函數(shù)，即：0 ()ttf x,y,z 0 (, )ttf x,y,z三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：三維三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：),(yxft )(xft 二二維維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：( , , , )tf x y z穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)),(zyxft ),(zyxft 15(2)等溫面等溫面：同一時(shí)刻、溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)所構(gòu)成的面同一時(shí)刻、

8、溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)所構(gòu)成的面(3) 等溫線等溫線：用一個(gè)平面與各等溫面相交，在這個(gè)平面上得用一個(gè)平面與各等溫面相交，在這個(gè)平面上得到等溫線簇，又稱溫度等值線。到等溫線簇，又稱溫度等值線。圖圖5-25-2(4) 溫度梯度溫度梯度：溫度改變的強(qiáng)烈程度，：溫度改變的強(qiáng)烈程度，沿等溫沿等溫面法線方向上的溫度增量與法向距離比值的面法線方向上的溫度增量與法向距離比值的極限。極限。是向量；正向朝著溫度增加的方向是向量；正向朝著溫度增加的方向3 傅里葉公式傅里葉公式:1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家年，法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier：W 21twtwA2mW tAq ：熱流量熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量，單位時(shí)間傳遞的熱

9、量WWq：熱流密度熱流密度，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量的熱量: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m221wwttt：平壁兩側(cè)壁溫之差：平壁兩側(cè)壁溫之差 C:C)(mW熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）Thermal conductivity平壁的厚度平壁的厚度m17Fourier定律：通用形式定律：通用形式12 ( ) WtwtwtdtAAAAgrad txxdx 2mW )(tgradxtAq熱流量，熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量單位時(shí)間傳遞的熱量W熱流密度，熱流密度，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量熱流密度與溫度梯度成

10、正比，傳熱流密度與溫度梯度成正比，傳遞方向與溫度梯度方向相反。遞方向與溫度梯度方向相反。18Fourier定律定律導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻rrtttqww21熱路圖熱路圖熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）(Thermal conductivity) tAW tA 具有單位溫度差（具有單位溫度差（1K）的單位厚度的物體）的單位厚度的物體(1m)，在它的單位面積上，在它的單位面積上(1m2)、每單位時(shí)間、每單位時(shí)間(1s)的導(dǎo)熱量的導(dǎo)熱量(J)熱導(dǎo)率表示材料導(dǎo)熱能力大??；物性參數(shù)；實(shí)驗(yàn)確定熱導(dǎo)率表示材料導(dǎo)熱能力大??；物性參數(shù)；實(shí)驗(yàn)確定氣體液體非金屬固體金屬; )(398CmW純銅; )(6 .0CmW水

11、）（空氣CCmW20 )(026.0冬天在新建的房屋感到暖和還是在舊房感到暖和？冬天在新建的房屋感到暖和還是在舊房感到暖和？例 題例 題 1 - 1 有 三 塊 分 別 由 純 銅 （ 熱 導(dǎo) 率有 三 塊 分 別 由 純 銅 （ 熱 導(dǎo) 率1=398W/(mK)）、碳鋼（熱導(dǎo)率）、碳鋼（熱導(dǎo)率2=40W/(mK)）和石棉（熱導(dǎo)率和石棉（熱導(dǎo)率3=0.15W/(mK)）制成的大平板，厚）制成的大平板，厚度都為度都為10mm，兩側(cè)表面的溫差都維持為，兩側(cè)表面的溫差都維持為tw1 tw2 = 50不變，試求通過(guò)每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。不變，試求通過(guò)每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。解解： 這是通過(guò)大平壁的一

12、維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，對(duì)于純銅板，這是通過(guò)大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，對(duì)于純銅板， Wttq62w1w111099. 101. 0/50398對(duì)于黃銅板對(duì)于黃銅板 Wttq62w1w221000075. 001. 0/5015. 0對(duì)于石棉板對(duì)于石棉板 Wttq62w1w32102 . 001. 0/504023平壁和圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱平壁和圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一、通過(guò)平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一、通過(guò)平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱邊界條件：邊界條件： x = 0時(shí)，時(shí)，t = t1；x= 時(shí)，時(shí)，t=t2； ttq2112/AtttqR 12ttt 溫壓或溫差溫壓或溫差 AR平壁導(dǎo)熱的面積熱阻平壁導(dǎo)熱的面積熱阻(m2

13、?K/W) 單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)截面積單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)截面積A A的熱流量：的熱流量：12/ttqAA 24二、通過(guò)二、通過(guò)n層平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱層平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)AAtttqRRR11niAiiiitttqRn 層平壁的總溫壓（層平壁的總溫壓（或或K）第第i 層平壁的厚度（層平壁的厚度（m）第第i 層平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，層平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)第第i 層平壁的導(dǎo)熱面積熱阻，層平壁的導(dǎo)熱面積熱阻，(m2?K)/W25各層接觸面上的溫度各層接觸面上的溫度 111111jjjjjjjttqtq第一層：第一層：11122111()qttttq第二層：第二層：2223

14、3222()qttttq第第j層：層：1()jjjjqtt26二、通過(guò)圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱二、通過(guò)圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱1. 微元圓筒壁的熱流量微元圓筒壁的熱流量 12212ln(/)ttldd 2. 單位管長(zhǎng)的熱流量單位管長(zhǎng)的熱流量 1221ln21ddttll3. 每米長(zhǎng)度單層圓筒壁的熱阻每米長(zhǎng)度單層圓筒壁的熱阻 211ln2ldRd熱流密度熱流密度 與與半徑半徑 r 成反成反比！比！274. 圓筒壁內(nèi)溫度分布：圓筒壁內(nèi)溫度分布：111221ln()()ln()wwwd dttttdd12 : wwtt若向上凹12 : wwtt若向上凸11ln2dttld12212ln(/)ttldd 28

15、5. n層圓筒壁層圓筒壁導(dǎo)熱熱流量可按總溫差和總熱阻計(jì)算導(dǎo)熱熱流量可按總溫差和總熱阻計(jì)算1(1)11 1ln2ww nniiiittdLd通過(guò)單位長(zhǎng)度圓筒壁的熱流量通過(guò)單位長(zhǎng)度圓筒壁的熱流量1(1)11 1ln2ww nlniiiittdd 各層接觸面上的溫度各層接觸面上的溫度 1111ln2iiliiidttd29例例 鍋爐爐墻由三層材料組成：內(nèi)層為耐火磚，厚度鍋爐爐墻由三層材料組成：內(nèi)層為耐火磚，厚度230mm，導(dǎo)熱系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)為1.1W/(m?K)；中間層為石棉隔熱層，厚度為；中間層為石棉隔熱層，厚度為60mm，導(dǎo)熱系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)為0.1W/(m?K)；外層為紅磚，厚度為；外層為紅磚，

16、厚度為240mm，導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)0.58W/(m?K)；已知爐墻內(nèi)、外表面的溫度分別為；已知爐墻內(nèi)、外表面的溫度分別為500和和50，試求通過(guò)爐墻的熱流密度和各層接觸面處的溫度。試求通過(guò)爐墻的熱流密度和各層接觸面處的溫度。 解：解：11431223AiitttqR2110.23m0.21(mK)/W1.1W/(m K)2220.06m0.60(mK)/W0.1W/(m K)2330.24m0.41(mK)/W0.58W/(m K)22(50050)K368.9W/m(0.210.600.41)(mK)/Wq30iiiiqtt1111211ttq=50 0 - -368.9 W/m20.21

17、=422.5 212321212ttqtq=500- -368.9W/m2(0.21+0.60) =201.2 討論：討論：斜率的大小與熱導(dǎo)率的關(guān)系？斜率的大小與熱導(dǎo)率的關(guān)系？31例例 蒸汽管道的內(nèi)徑為蒸汽管道的內(nèi)徑為160mm，外徑為，外徑為170mm。管外覆有兩。管外覆有兩層保溫材料，第一層的厚度層保溫材料，第一層的厚度1=30mm，第二層厚度，第二層厚度2=50mm。設(shè)鋼管和兩層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為設(shè)鋼管和兩層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1=50W/(m?K)、2= 0.15W/(m?K)和和3=0.08W/(m?K)。若已知蒸汽管內(nèi)表面溫度。若已知蒸汽管內(nèi)表面溫度t1=300，第二層保

18、溫材料的外表面溫度，第二層保溫材料的外表面溫度t4=50，試求每米長(zhǎng)蒸汽，試求每米長(zhǎng)蒸汽管的散熱損失和各層接觸面上的溫度。管的散熱損失和各層接觸面上的溫度。 解：解： 由由d1=0.16m、d2=0.17m d3= d2+21=0.23m， d4= d3+22=0.33m 每米長(zhǎng)管道的熱流量每米長(zhǎng)管道的熱流量 1411324,112233111lnlnln222nll iittttdddRddd 2 3.1416 (30050) C10.17m10.23m10.33mlnlnln50W/(m K)0.16m0.15W/(m K)0.17m0.08W/(m K)0.23m240W/m32各層接觸

19、面上的溫度各層接觸面上的溫度 221111ln2ldttd10.17m300 C240W/mln299.5 C2 3.1416 50W/(mC)0.16m332221ln2ldttd10.23m299.5 C240W/mln222.5 C2 3.1416 0.15W/(mC)0.17m 結(jié)果表明，由于鋼管壁的導(dǎo)熱熱阻極小。因此兩側(cè)表面結(jié)果表明，由于鋼管壁的導(dǎo)熱熱阻極小。因此兩側(cè)表面溫度差很小，相對(duì)于絕熱層，薄金屬壁的熱阻常可忽略不計(jì)。溫度差很小，相對(duì)于絕熱層，薄金屬壁的熱阻?？珊雎圆挥?jì)。 33在導(dǎo)熱溫差一定的情況下，增加或者減小導(dǎo)熱熱阻是增強(qiáng)在導(dǎo)熱溫差一定的情況下，增加或者減小導(dǎo)熱熱阻是增強(qiáng)和

20、削弱導(dǎo)熱的根本途徑。和削弱導(dǎo)熱的根本途徑。r強(qiáng)化導(dǎo)熱：強(qiáng)化導(dǎo)熱：換熱器換熱器,冷凝器采用金屬質(zhì)管冷凝器采用金屬質(zhì)管削弱導(dǎo)熱：削弱導(dǎo)熱：保溫材料，保溫材料，壓力容器的保溫，蒸壓力容器的保溫，蒸汽管道的保溫管道汽管道的保溫管道34實(shí)際過(guò)程都是不穩(wěn)定過(guò)程實(shí)際過(guò)程都是不穩(wěn)定過(guò)程鍛工：將鑄鐵放入火焰中加熱的過(guò)程鍛工：將鑄鐵放入火焰中加熱的過(guò)程熱對(duì)流熱對(duì)流(convection)與對(duì)流換熱與對(duì)流換熱1. 熱對(duì)流熱對(duì)流 定義與特征定義與特征定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的定義：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(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而各部分之間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的

21、現(xiàn)象。把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。流體中有溫差流體中有溫差 熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱傳熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo)，導(dǎo)，對(duì)流換熱對(duì)流換熱：流動(dòng)的流動(dòng)的流體與溫度不同的固體壁流體與溫度不同的固體壁間接觸時(shí)的熱量交換過(guò)程間接觸時(shí)的熱量交換過(guò)程Convection heat transfer對(duì)流換熱的特點(diǎn)對(duì)流換熱的特點(diǎn)對(duì)流換熱與熱對(duì)流對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱；是導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜有導(dǎo)熱；是導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)程熱傳遞過(guò)程必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；動(dòng)；也必須有溫差也必須有溫差38對(duì)流換熱分類對(duì)

22、流換熱分類39流動(dòng)邊界層概念：流動(dòng)邊界層概念：當(dāng)粘性流體流過(guò)物體表面時(shí)，會(huì)形成速當(dāng)粘性流體流過(guò)物體表面時(shí)，會(huì)形成速度梯度很大的度梯度很大的流動(dòng)邊界層流動(dòng)邊界層；由于粘性作用，流體由于粘性作用，流體流速在靠近壁面處隨流速在靠近壁面處隨離壁面的距離的縮短離壁面的距離的縮短而逐漸降低；在貼壁而逐漸降低；在貼壁處被滯止。處被滯止。層流邊界層：壁面與流體間的熱流傳遞主要靠流體的導(dǎo)熱。層流邊界層：壁面與流體間的熱流傳遞主要靠流體的導(dǎo)熱。紊流邊界層：紊流邊界層：層流底層層流底層內(nèi)熱流傳遞主要靠導(dǎo)熱，在紊流區(qū)，靠熱對(duì)流，熱阻主要集中在層流底層。減薄邊界層，減小對(duì)流換熱熱阻，增強(qiáng)換熱流體外掠平板時(shí)的流動(dòng)邊界層流

23、體外掠平板時(shí)的流動(dòng)邊界層r 邊界層厚度邊界層厚度定義：定義：u/u =0.99 處離壁的距離處離壁的距離 為邊界層厚度為邊界層厚度1. ?。嚎諝馔饴悠桨?，小：空氣外掠平板，u =10m/s：mm5 . 2 ;mm8 . 1200100mmxmmx2.邊界層內(nèi)：邊界層內(nèi)：平均速度梯度很大；平均速度梯度很大；y=0處的速度梯度最大處的速度梯度最大特征特征:3. 流場(chǎng)可以劃分為兩個(gè)區(qū)：流場(chǎng)可以劃分為兩個(gè)區(qū)：邊界層區(qū)與主流區(qū)邊界層區(qū)與主流區(qū)當(dāng)壁面與流體間有溫差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度梯度很大的溫度邊界層當(dāng)壁面與流體間有溫差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度梯度很大的溫度邊界層（熱邊界層）（熱邊界層）Tw0, 0, 0.990.99

24、()wwtwWyTTyTTTT厚度厚度 t t 范圍范圍 熱邊界層熱邊界層 與與 t 不一定相等不一定相等流動(dòng)邊界層與熱邊界層的狀況決定了熱量傳遞過(guò)程和邊界層內(nèi)的溫度分布流動(dòng)邊界層與熱邊界層的狀況決定了熱量傳遞過(guò)程和邊界層內(nèi)的溫度分布42W )(tthAw2mW )( fwtthAq對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式對(duì)流換熱的基本計(jì)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(shí)間傳遞的熱量，單位時(shí)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 C對(duì)流換熱量的大小

25、與壁面面積、對(duì)流換熱量的大小與壁面面積、流體與壁面間的溫差成正比。流體與壁面間的溫差成正比。43 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)、每單位壁面面積度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量 ()whA ttK)(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hhrthtqRthAt 1 )(1對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))對(duì)流換熱熱阻：對(duì)流換熱熱阻： )(1WChARh 12WCmhrh一些對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)值范圍 對(duì)流換熱類型 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h W /( m2K) 空氣自然對(duì)

26、流換熱110 水自然對(duì)流換熱 2001000 空氣強(qiáng)迫對(duì)流換熱10100 水強(qiáng)迫對(duì)流換熱10015000 水沸騰250035000 水蒸氣凝結(jié)50002500045(2) 流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)/邊界層邊界層層流湍流hh(3) 流體有無(wú)相變流體有無(wú)相變單相相變hh層流：整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線層流：整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線湍流：流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，層流底層湍流：流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，層流底層單相換熱：?jiǎn)蜗鄵Q熱：相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化等相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化等(1) 流動(dòng)起因流動(dòng)起因自然對(duì)流：自然對(duì)流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)流體因

27、各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn) 生的流動(dòng)生的流動(dòng)自然強(qiáng)制hh影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素強(qiáng)制對(duì)流：強(qiáng)制對(duì)流：由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動(dòng)由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動(dòng) 46(4) 換熱表面的幾何因素：換熱表面的幾何因素：內(nèi)部流動(dòng)對(duì)流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)內(nèi)部流動(dòng)對(duì)流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動(dòng)對(duì)流換熱：外掠平板、圓管、管束外部流動(dòng)對(duì)流換熱：外掠平板、圓管、管束47(5) 流體的熱物理性質(zhì)：流體的熱物理性質(zhì)：熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 C)(mW 密度密度 mkg 3比熱容比熱容 C)(kgJ c動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度msN 2運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度 sm 2體脹系數(shù)體脹系數(shù) K1 ppTTvv11

28、流體內(nèi)部和流體與壁面導(dǎo)熱熱阻減小流體內(nèi)部和流體與壁面導(dǎo)熱熱阻減小 ch、單位體積能攜帶更多能量單位體積能攜帶更多能量h粘性阻礙流動(dòng)粘性阻礙流動(dòng)增強(qiáng)自然對(duì)流增強(qiáng)自然對(duì)流h48紊流流動(dòng)狀態(tài)層流流動(dòng)狀態(tài)邊界層速度分布曲線邊界層溫度分布曲線twtx0yx0y49a)管內(nèi)流體縱向流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱管內(nèi)流體縱向流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱b)管外流體橫行流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱管外流體橫行流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱1)主要影響因素：流體的流動(dòng)狀態(tài)、流體物性、管道尺寸。主要影響因素：流體的流動(dòng)狀態(tài)、流體物性、管道尺寸。2)其它影響因素：入口效應(yīng)、彎管影響、熱流方向的影響其它影響因素：入口效應(yīng)、彎管影響、熱流方向的影響50對(duì)于液體：對(duì)于液體

29、： 主要是粘性隨溫度而變化主要是粘性隨溫度而變化流體平均溫度相同的條件下，流體平均溫度相同的條件下，液體被加熱時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)液體被加熱時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高于液體被冷卻加熱時(shí)的值高于液體被冷卻加熱時(shí)的值 t對(duì)于氣體：對(duì)于氣體： 除了粘性，還有密度除了粘性，還有密度 和熱導(dǎo)率等和熱導(dǎo)率等， t51彎管效應(yīng)彎管效應(yīng)二次環(huán)流二次環(huán)流離心力離心力換熱增強(qiáng)換熱增強(qiáng)52管壁粗糙度的影響管壁粗糙度的影響粗糙管：鑄造管、冷拔管等粗糙管：鑄造管、冷拔管等湍流湍流：粗糙度：粗糙度 層流底層厚度層流底層厚度 時(shí)時(shí): : 換熱增強(qiáng)換熱增強(qiáng)層流層流：影響不大：影響不大粗糙度粗糙度 層流底層厚度層流底層厚度 時(shí)時(shí): 影響不

30、大影響不大有時(shí)利用粗糙表面強(qiáng)化有時(shí)利用粗糙表面強(qiáng)化換熱換熱強(qiáng)化表面強(qiáng)化表面53主要影響因素：流體的流動(dòng)狀態(tài)、流體物性、幾何因素。主要影響因素：流體的流動(dòng)狀態(tài)、流體物性、幾何因素。1）橫掠單管：脫體繞流）橫掠單管：脫體繞流流體在管外的流動(dòng)方向與管子軸向方向垂直流體在管外的流動(dòng)方向與管子軸向方向垂直左右在時(shí)，流動(dòng)是湍流，產(chǎn)生在時(shí)，流動(dòng)是層流，產(chǎn)生時(shí)，不產(chǎn)生脫體C140105 . 1ReC8580105 . 1Re1010Re5554b）橫掠管束換熱）橫掠管束換熱 影響橫掠管束對(duì)流換熱的因素：影響橫掠管束對(duì)流換熱的因素：1)1)排列方式：叉排和排列方式：叉排和順排順排, 2), 2)管子排數(shù)管子排數(shù)

31、;3);3)管間距管間距(s(s1 1 和和s s2 2) ) 。55加熱表面加熱表面56主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：a 沸騰：沸騰：工質(zhì)內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一工質(zhì)內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種劇烈的汽化過(guò)程種劇烈的汽化過(guò)程 b 沸騰換熱：沸騰換熱：指工質(zhì)通過(guò)氣泡運(yùn)動(dòng)帶走熱量，并使其冷指工質(zhì)通過(guò)氣泡運(yùn)動(dòng)帶走熱量，并使其冷卻的一種傳熱方式卻的一種傳熱方式加熱面上產(chǎn)生的汽泡能自由上升，并在上升過(guò)程中不受液體流動(dòng)的影響，液體的運(yùn)動(dòng)只是由自燃對(duì)流和汽泡的擾動(dòng)引起。加熱表面加熱表面57大容器飽和沸騰曲線大容器飽和沸騰曲線：4 4個(gè)不同階段：個(gè)不同階段： 自然對(duì)流自然對(duì)流、 核態(tài)沸騰核態(tài)

32、沸騰、 過(guò)渡沸騰、過(guò)渡沸騰、 穩(wěn)定膜態(tài)沸騰穩(wěn)定膜態(tài)沸騰CHF, Critical Heat Flux：工程意義。工程意義。 Departure from Nucleate Boiling 58說(shuō)明說(shuō)明：（1）熱流密度的）熱流密度的峰值峰值qmax 稱稱為為臨界熱流密度臨界熱流密度或或臨界熱通臨界熱通量量（CHF） ，亦稱，亦稱燒毀點(diǎn)燒毀點(diǎn)。一般用一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)DNB作為監(jiān)視接近作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這的警戒。這一點(diǎn)對(duì)熱流密度可控和溫度一點(diǎn)對(duì)熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要?？煽氐膬煞N情況都非常重要。（2）對(duì)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因?yàn)椋?duì)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因?yàn)闊崃勘仨毚┻^(guò)

33、的是熱阻較大熱量必須穿過(guò)的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。結(jié)小得多。59過(guò)冷水強(qiáng)制對(duì)流換熱階段 過(guò)冷沸騰換熱飽和沸騰換熱階段液膜強(qiáng)制對(duì)流換熱階段濕蒸汽強(qiáng)制對(duì)流換熱階段過(guò)熱蒸汽的強(qiáng)迫對(duì)流換熱60蒸汽與低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的冷壁面接觸時(shí)，就會(huì)被冷卻而凝結(jié)成液體依附在壁面上，同時(shí)放出汽化潛熱給壁面，這種現(xiàn)象叫凝結(jié)換熱。潤(rùn)濕性液體在冷壁面上會(huì)鋪展成一層完整的液膜，稱為潤(rùn)濕性液體在冷壁面上會(huì)鋪展成一層完整的液膜，稱為膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)。非潤(rùn)濕性液體的蒸汽凝結(jié)時(shí)，凝結(jié)液體在冷壁面上凝聚成一顆非潤(rùn)濕性液體的蒸汽凝結(jié)時(shí)，凝結(jié)液體在冷壁面上凝聚成一顆顆小液珠，并逐漸成長(zhǎng)。在重

34、力作用下液珠向下滾落，同時(shí)將顆小液珠，并逐漸成長(zhǎng)。在重力作用下液珠向下滾落，同時(shí)將沿途的液珠帶走，壁面重復(fù)液珠的形成和成長(zhǎng)下落的過(guò)程，這沿途的液珠帶走，壁面重復(fù)液珠的形成和成長(zhǎng)下落的過(guò)程，這種凝結(jié)形式稱為種凝結(jié)形式稱為珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)。61gswtt 膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)沿整個(gè)壁面形成一層薄膜，并且在重力的作沿整個(gè)壁面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流動(dòng)，凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過(guò)液用下流動(dòng)，凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過(guò)液膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)當(dāng)凝結(jié)液體不能很好的浸潤(rùn)壁面時(shí)，則在壁面當(dāng)凝結(jié)液體不能很好的浸潤(rùn)壁面時(shí)，則在壁面上形成許

35、多小液珠，此時(shí)壁面的部分表面與蒸上形成許多小液珠，此時(shí)壁面的部分表面與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)汽直接接觸，因此，換熱速率遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)（可能大幾倍，甚至一個(gè)數(shù)量級(jí)）（可能大幾倍，甚至一個(gè)數(shù)量級(jí)）gswtt 珠狀凝結(jié)換熱遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)，但珠狀凝結(jié)很難保持，珠狀凝結(jié)換熱遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)，但珠狀凝結(jié)很難保持，工程中遇到的凝結(jié)換熱大多屬于膜狀凝結(jié)。工程中遇到的凝結(jié)換熱大多屬于膜狀凝結(jié)。62影響膜狀凝結(jié)的因素影響膜狀凝結(jié)的因素1. 1. 不凝結(jié)氣體不凝結(jié)氣體 不凝結(jié)氣體增加了傳遞過(guò)程的阻力，同時(shí)使不凝結(jié)氣體增加了傳遞過(guò)程的阻力，同時(shí)使飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動(dòng)力飽和溫度下降，減小了凝

36、結(jié)的驅(qū)動(dòng)力t 2. 2. 蒸氣流速蒸氣流速 流速較高時(shí)，蒸氣流對(duì)液膜表面產(chǎn)生粘滯應(yīng)力：流速較高時(shí)，蒸氣流對(duì)液膜表面產(chǎn)生粘滯應(yīng)力： 如果蒸氣流動(dòng)與液膜向下的流動(dòng)同向時(shí)，使液如果蒸氣流動(dòng)與液膜向下的流動(dòng)同向時(shí)，使液膜拉薄，膜拉薄，h h 增大；反之使增大；反之使 h h 減小。減小。 3. 3. 管子的排列方式管子的排列方式 4. 4.冷卻表面的影響冷卻表面的影響 粗糙度，結(jié)垢生銹粗糙度，結(jié)垢生銹20Re 1600Rec無(wú)波動(dòng)層流無(wú)波動(dòng)層流有波動(dòng)層流有波動(dòng)層流湍流湍流液膜氣膜twtstv63凝結(jié)表面的幾何形狀凝結(jié)表面的幾何形狀強(qiáng)化凝結(jié)換熱強(qiáng)化凝結(jié)換熱的原則的原則盡量減薄粘滯在換熱盡量減薄粘滯在換熱

37、表面上的液膜的厚度。表面上的液膜的厚度。可用各種可用各種帶有尖峰的表帶有尖峰的表面面使在其上冷凝的液膜使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使拉薄，或者使已凝結(jié)的已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上液體盡快從換熱表面上排泄掉排泄掉。64對(duì)流換熱總結(jié)對(duì)流換熱總結(jié)三、熱輻射三、熱輻射（Thermal radiation）1.定義定義輻射：物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞熱量的方式。輻射：物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞熱量的方式。 實(shí)質(zhì)：由于熱的原因引起物體內(nèi)部電子實(shí)質(zhì)：由于熱的原因引起物體內(nèi)部電子的震動(dòng)，通過(guò)由此而產(chǎn)生的熱射線向外的震動(dòng)，通過(guò)由此而產(chǎn)生的熱射線向外發(fā)射輻射能。發(fā)射輻射能。輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞 Radiation heat transfer熱輻射：熱射線的傳播過(guò)程熱輻射：熱射線的傳播過(guò)程 電磁波譜2.輻射換熱的特點(diǎn)輻射換熱的特點(diǎn)不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介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質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量在輻射換熱過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換在輻射換熱過(guò)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)能無(wú)論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電