傳熱學1-2 緒論

1、長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering1-3 熱量傳遞的三種基本方式 一、熱傳導二、熱對流三、熱輻射 長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering熱量傳遞基本方式：熱傳導、熱對流、熱輻射長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering一、導熱（熱傳導）(Conduction)1 、概念 定義：物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導熱。 如：固體與固體之間及固體內部的熱量傳遞。 長江大學機械工程學院School of M

2、echanical Engineering 氣體、液體、導電固體與非金屬固體的導熱機理： （ 1 ）氣體：由分子的熱運動和相互碰撞產(chǎn)生的能量傳遞。 一、導熱（熱傳導）(Conduction)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering（ 2 ）導電固體：通過自由電子在晶格之間的運動導熱。（ 3 ）非導電固體：通過晶格結構的振動所產(chǎn)生的彈性波來實現(xiàn)，即原子、分子在其平衡位置附近的振動來實現(xiàn)的。 一、導熱（熱傳導）(Conduction)（4）液體：存兩種不同觀點：一觀點類似于氣體，認為是分子熱運動相互碰撞的結果；一觀點類似于非導電固體，主要依靠彈性波的作用

3、。 說明：只研究導熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律。 長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering2 、導熱基本定律傅立葉定律dxdtA 式中是比例系數(shù)，稱為熱導率，又稱導熱系數(shù)，負號表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。 一、導熱（熱傳導）(Conduction)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering21qwwttA:熱流量,單位時間內通過某給定面積的熱量W; q:熱流密度,單位時間通過單位面積傳遞的熱量W/m2;A:垂直于導熱方向的截面積m2；：熱導率或導熱系數(shù), W/(mK).12wwttA 一、導熱（熱傳導）(Co

4、nduction)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering 不同材料的導熱系數(shù)值不同，即使同一種材料導熱系數(shù)值與溫度等因素有關。金屬材料最高，良導電體也是良導熱體，液體次之，氣體最小。 一、導熱（熱傳導）(Conduction)例1：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？長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering(1)材料為銅，=375 W/(mK );(2)材料為鋼，=36.4 W/(mK );(3)材料為鉻磚，=2.32 W/(mK )；(4)材料為鉻藻土磚，=0.242 W/(

5、mK )。例題2: 一塊厚度=50 mm 的平板， 兩側表面分別維持在tw1=300，tw2=100，試求下列條件下的熱流密度：長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering2321mW1028. 905. 010030032. 2wwttq鉻磚：2221mW1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土磚：2621mW105 . 105. 0100300375wwttq銅：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq鋼：解：由一維穩(wěn)態(tài)導熱公式有：長江大學機械工程學院School of Mechanical Eng

6、ineering二、對流（熱對流）(Convection)1) 熱對流：指由于流體的宏觀運動，使流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。對流僅發(fā)生在流體中，對流的同時必伴隨有導熱現(xiàn)象。 1、概念2) 對流換熱：流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。 長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering2 、對流換熱的分類 二、對流（熱對流）(Convection)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering1 ）自然對流： 由于溫度差導致流體各部分的密度不同而引起流體的流動。2 ）強

7、制對流： 由于水泵、風機或其他壓差作用所造成的流體流動。 3 ）沸騰換熱及凝結換熱 液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結的對流換熱，稱為沸騰換熱及凝結換熱。二、對流（熱對流）(Convection)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering3. 對流換熱的基本規(guī)律流體被加熱流體被冷卻()()wffwhA tthA thA tt tw 及tf 分別為壁面溫度和流體溫度；h表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2K)牛頓冷卻公式二、對流（熱對流）(Convection)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineeringh的大小與傳熱過程

8、中的許多因素有關。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小、相對位置，而且與流體的流速有關。 一般地，就介質而言，水的對流換熱比空氣強烈；就換熱方式而言，有相變的強于無相變的；強制對流強于自然對流。 二、對流（熱對流）(Convection)對流換熱研究的基本任務：用理論分析或實驗的方法推出各種場合下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關系式。 長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering自然對流強制對流水相變換熱空氣水氣體高壓水蒸氣水沸騰蒸汽凝結 1102001000201005003500100015000250035000500025000換熱形式介質h/ W/(m

9、2K)表面對流傳熱系數(shù)的數(shù)值范圍二、對流（熱對流）(Convection)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering三、熱輻射 (Thermal radiation)1. 輻射和熱輻射 物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。 特點：a. 任何物體，只要溫度高于0 K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b. 可以在真空中傳播；c. 伴隨能量形式的轉化；d. 具有強烈的方向性；e. 輻射能與溫度和波長均有關；長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering 輻射換熱是一個動態(tài)過程，

10、當物體與周圍環(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行，只是輻射熱與吸收熱相等。三、熱輻射 (Thermal radiation)2. 輻射換熱 輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。 長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering 黑體：把吸收率等于 1 的物體稱黑體，是一種假想的理想物體。 黑體的吸收和輻射能力在同溫度的物體中是最大的，且輻射熱量服從于斯忒藩玻耳茲曼定律。 3. 熱輻射的基本規(guī)律玻耳茲曼定律三、熱輻射 (Thermal radiation)4bAT 斯忒藩玻耳茲曼定律： 其中

11、: T 黑體的熱力學溫度 K ； b玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），其值為5.6710-8W/(m2K4) ； A輻射表面積，m2 。長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering 物體自身向外輻射的熱流量，而不是輻射換熱量； 物體的發(fā)射率（黑度），其值總小于1，它與物體的種類及表面狀態(tài)有關。4bAT 實際物體輻射熱流量： 三、熱輻射 (Thermal radiation)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering要計算輻射換熱量，必須考慮投到物體上的輻射熱量的吸收過程，即收支平衡量，詳見第八、九章。 僅有兩個物體的

12、系統(tǒng)，它們之間的輻射換熱熱流量為： 4412()sbA TT s系統(tǒng)發(fā)射率（黑度）。三、熱輻射 (Thermal radiation)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering 導熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在有物質存在的條件下才能實現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質，可在真空中傳遞，且在真空中輻射能的傳遞最有效。故又稱為非接觸性傳熱。 4. 導熱、對流、輻射的評述 在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉換，而且伴隨有能量形式的轉化。 三、熱輻射 (Thermal radiation)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering

13、熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子運動的一種宏觀表象。物體的輻射能力與其溫度有關。 輻射換熱是一種雙向熱流同時存在的換熱過程，即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物體向高溫物體輻射熱能。三、熱輻射 (Thermal radiation)長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering四、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)既有表面輻射傳熱又有對流傳熱的現(xiàn)象統(tǒng)稱表面?zhèn)鳠?。cr4412()rsbATT 物體表面的總熱流量：A() ()Ah ()crcrwfwfhhtttt Atthfwrr)(rchhh表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/復合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)長江大學機械工程學院School of Mechanic

14、al Engineering例1-2：一根水平放置的蒸汽管道，其保溫層外徑d=583mm，外表面實測平均溫度及空氣溫度分別為tw=48,tf=23，此時空氣與管道外表面間的自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42W /(m2K), 保溫層外表面與外空間的系統(tǒng)發(fā)射率s=0.9。問：（1）此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式； （2）計算每米長度管道的總散熱量。長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering解：（1）管道的散熱方式 （2）把管道每米長度上的散熱量記為l,c，當僅考慮自然對流時，單位長度上的自然對流散熱：,()l cwfd h tdh tt )/(

15、5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering 近似取室內物體及墻壁溫度為室內空氣溫度，每米長度管道外表面與室內物體及墻壁之間的輻射為：44,12()l rsdTT )/( 7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering1-4 傳熱過程（總）傳熱過程：熱量由壁面一側的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋攘黧w中去的過程稱傳熱過程。 1.概念熱水對流換熱對流換熱、輻射換熱導熱管內壁管

16、外壁周圍環(huán)境管內熱水長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering傳熱過程包括串聯(lián)著的三個環(huán)節(jié)組成，即： 熱流體 壁面高溫側； 壁面高溫側 壁面低溫側； 壁面低溫側 冷流體。 2.傳熱過程的組成若是穩(wěn)態(tài)過程則通過串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同。1-4 傳熱過程傳熱過程的剖析長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering3. 傳熱過程的計算 )()()(22221111cttAhbttAattAhfwwwwf 針對穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，其傳熱環(huán)節(jié)有三種情況，則其熱流量的表達式如下： 1-4 總傳熱過程)()(/)(22221111fAh

17、tteAttdAhttfwwwwf長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering1212()11ffA tthh 12()ffAk ttAk t 式中，k 稱為傳熱系數(shù)，單位為W/(m2K)?；颍?-4 總傳熱過程k 的表達式: 12111khhkA t意義：用來表征傳熱過程強烈程度的指標。數(shù)值上等于冷熱流體間溫差t1，傳熱面積 A=1m2 時熱流量的值。k 值越大，傳熱過程越強，反之，則弱。長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering 傳熱系數(shù)的表達式揭示了傳熱系數(shù)的構成，即它等于組成傳熱過程諸環(huán)節(jié)的1/h1、/及

18、1/h2之和的倒數(shù)。12111khh12111khh串聯(lián)熱阻疊加原則：在一個串聯(lián)的熱量傳遞過程中，如果通過各個環(huán)節(jié)的熱流量都相等，則串聯(lián)熱量傳遞過程的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻之和。1-4 總傳熱過程長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering 說明：若流體與壁面間有輻射換熱現(xiàn)象，則表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應取復合換熱表面?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。Ak t1A tk1211hh1-4 總傳熱過程長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering例3：一房屋的混凝土外墻的厚度為=150mm，混凝土的熱導率為=1

19、.5W/(mK)，冬季室外空氣溫度為tf2=-10，有風天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=20W/(mK)，室內空氣溫度為tf1=25，和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h1=5W/(mK)。假設墻壁及兩側的空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都不隨時間而變化，求單位面積墻壁的散熱損失及內外墻壁面的溫度。長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering解：已知=150mm，=1.5W/(mK)，tf2=-10，h2=20W/(mK)，tf1=25，h1=5W/(mK) 求：q、tw1、tw2長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering根據(jù)牛

20、頓冷卻公式，對于內、外墻面與空氣之間的對流換熱，222111fwwftthqtthqChqttfwo551100251111Chqttfwo5201100101222長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering例4：一外徑為0.3m，壁厚為5mm的圓管，長為5m，外表面平均溫度為80。200的空氣在管外橫向掠過，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為80 (W/m2K）。入口溫度為20的水以0.1m/s的平均速度在管內流動。如果過程處于穩(wěn)態(tài)，試確定水的出口溫度。水的比定壓熱容為4184(J/kgK)，密度為980kg/m3。tw=80 水tin=20u=0.1m/s5m2h=8

21、0/()200fWm KtC，3005長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering解：(1)管外空氣與管子之間的換熱量：WttdlhtthAwfwf45239)80200(53 . 014. 380)()(tw=80 水tin=20u=0.1m/s5m2h=80/()200fWm KtC，3005長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering(2) 過程處于穩(wěn)態(tài)，管外空氣所加的熱量由管內水帶走，因此：)(inoutpcpsttcuAtcmCtcuAtinpcouto7 .212041844)2005. 03 . 0(

22、1 . 0980452392長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering紙制容器煮開水 設用來做容器的紙的耐熱溫度 為 1 8 0 ， 導 熱 系 數(shù) 為0.93W/mK。容器中裝有水，在容器底下用1100的火焰加熱，使水在大氣壓下沸騰?；鹧?zhèn)鹊姆艧嵯禂?shù)為93W/m2K，水側放熱系數(shù)為2330W/m2K，紙的厚度為0.2mm。長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering1001100長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering解法1：設暴露在火焰之上的紙的表面溫度為t，此時火

23、焰?zhèn)鬟f給紙與紙傳遞給水的熱流密度q相等，故：21100 10010.0002193.10.93233085900/ mqW212111)(qhhttff長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering熱流密度又與火焰對紙的放熱量相等。?176t 由計算可知，紙的實際溫度在它的耐熱溫度以下，因此也就不怕火焰了。85900) t1100(0 .93q長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering解法2：設紙的火焰?zhèn)葘嶋H溫度已經(jīng)達到180，此時熱流密度為：25m/108556.0)8011100(0 .93qW?與這一熱流密度

24、相對應的t值在飽和水的沸騰曲線上讀取，大約為15。100twswttto115wtC 即紙的水側溫度為115。長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering設紙的厚度為m，于是有：593.0q(180115)0.855610?mm71. 0所用紙的最大厚度可達0.71mm。長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering解法2：設紙的火焰?zhèn)葘嶋H溫度已經(jīng)達到180，此時熱流密度為：25m/108556. 0)8011100(0 .93qW?設紙的水側溫度為tw，則tw=136。wq2330(t100)520.8556 10/mW長江大學機械工程學院School of Mechanical Engineering設紙的厚度為m，于是有：ww 2tt180136q=/ 0.9310.48mm所用紙的最大厚度可達0.48mm。520.8556 10/mW長江大學機械工程學院School of