傳熱學(xué)B-機(jī)械專業(yè)-第一章

1、傳熱學(xué)B陳 聰2011.2陳 聰能源與動(dòng)力學(xué)院318B辦公：84708774手機(jī)：課程安排（32學(xué)時(shí)）第一章 緒論第二章 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)第三章 非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)第四章 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法第五章 對(duì)流傳熱的理論基礎(chǔ)第六章 單相對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式第七章 相變對(duì)流傳熱第八章 熱輻射基本定律和輻射特性第九章 輻射傳熱的計(jì)算參考資料第一章 緒論 1.1 傳熱學(xué)的研究內(nèi)容 1.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用 1.3 熱量傳遞的基本方式 1.4 傳熱過程實(shí)例分析 熱力學(xué)第二定律1.1 傳熱學(xué)的研究內(nèi)容（1）與傳熱學(xué)有關(guān)的幾個(gè)概念和定律 熱量定義：由于溫差的存在而導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)化過程中所轉(zhuǎn)移的熱能。定義：熱量只能從高溫物

2、體傳向低溫物體或者從物體的高溫部分傳向低溫部分。傳熱過程定義：在溫差存在情況下，熱能傳遞的過程。穩(wěn)態(tài)傳熱過程：物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變的傳熱過程。非穩(wěn)態(tài)傳熱過程：物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化而變化的的熱傳遞過程。1.1 傳熱學(xué)的研究內(nèi)容（2）傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系 油，M220oC鐵塊, M1300oC工程熱力學(xué)：研究處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，其中不存在溫差或者壓力差。傳熱過程1.鐵塊和油最終的溫度分別是多少？2.傳遞了多少熱量？3.熱能是以什么方式傳遞的？4.系統(tǒng)多長時(shí)間達(dá)到熱平衡？傳熱學(xué)：研究溫差存在時(shí)熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)。1.1 傳熱學(xué)的研究內(nèi)容（3）連續(xù)性假設(shè) 在本課程的討論范圍內(nèi)，將假定所

3、研究的物體中的溫度、密度、速度、壓力等參數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)。除非研究到微米級(jí)別的幾何尺度中的熱量傳遞現(xiàn)象，或者高空極其稀薄氣體中的熱量傳遞，常規(guī)尺度的物體都滿足這一假設(shè)。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）：尺寸在1微米-1毫米，不能采用連續(xù)性假設(shè)?？奁谋?.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用地球溫室效應(yīng)1.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用宇宙火星夜間表面溫度分布太陽系九大行星表面平均溫度水星 夜晚-170(固體表面) 金星 480(固體表面) 地球 22(固體表面) 火星 -23(固體表面) 木星 -150(云) 土星 -180(云) 天王星 -210(云) 海王星 -220(云)冥王星 -2301.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)

4、域的應(yīng)用人體遠(yuǎn)紅外熱成像，人體溫度分布。受到外界環(huán)境（進(jìn)食、運(yùn)動(dòng)、情緒等）的影響，體溫一直在變化。冷熱1.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用日常生活住穿吃行用1.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用航空航天美國哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)左翼上的裂紋2011上半年，發(fā)射 “天宮一號(hào)” ，下半年發(fā)射“神八”將與“天宮一號(hào)”無人對(duì)接兩年內(nèi)，還要發(fā)射“神九”、“神十”，最終實(shí)現(xiàn)載人空間對(duì)接，為空間站做準(zhǔn)備空間站熱控制空間飛行器重返大氣層冷卻1.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用航空航天美國X-51A超高聲速飛行器想象圖 超高音速導(dǎo)彈光子火箭超高音速飛行器冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)等部件冷卻1.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用微電子風(fēng)冷熱管+液冷1.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)

5、域的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)2010年7月，四川臥龍大熊貓研究中心誕生世界首個(gè)凍精熊貓寶寶，采用的精子冷凍了2年多。英國皇家植物園種子庫低溫處理病變組織低溫冷藏腫瘤熱療低溫醫(yī)療溫度控制是關(guān)鍵加熱使腫瘤細(xì)胞凋亡1.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用其它工業(yè)鑄造業(yè)廠房等的溫度控制1.2 傳熱學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用總結(jié) 常識(shí) 專業(yè)基礎(chǔ)地球宇宙人體日常生活航空航天微電子生物醫(yī)學(xué)鑄造業(yè)傳熱學(xué)傳熱現(xiàn)象非常普遍1.3 熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導(dǎo) 800K300K物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞1. 必須有溫差熱傳導(dǎo)的機(jī)理？2. 必須直接接觸3. 物體各部分間不發(fā)生相對(duì)位移1

6、.3 熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導(dǎo) 一維導(dǎo)熱xABdlA面溫度恒定為tw1B面溫度恒定為tw2其它表面絕熱l(delta)dtw1tw2該平板的傳熱為一維導(dǎo)熱，沿l和d方向沒有傳熱1.3 熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導(dǎo) 單位時(shí)間內(nèi)通過平板各個(gè)截面的熱量均相等A1 in 1out 2in= 2out平板內(nèi)部沒有內(nèi)熱源 1out= 2in in= 1out= 2in= 2out= out= in= 1out通過面A1的熱量xA1A2AB1 in out單位時(shí)間內(nèi)溫度恒定1.3 熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導(dǎo) 導(dǎo)熱基本定律Fourier導(dǎo)熱基本定律：A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2；：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)

7、率）W/( m K)。t2-t1=dtdx tw1tw2xt1t2熱流密度：單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量1.3 熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導(dǎo) 導(dǎo)熱基本定律假定導(dǎo)熱系數(shù)為定值t2-t1=dtdx tw1tw2xt1t21.3 熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導(dǎo) 導(dǎo)熱基本定律假定導(dǎo)熱系數(shù)為定值，對(duì)方程兩邊積分：t2-t1=dtdx tw1tw2xt1t21.3 熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導(dǎo) 導(dǎo)熱熱阻R電阻R熱阻串聯(lián)特性1.3 熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導(dǎo) 例題1-1有三塊分別由純銅（熱導(dǎo)率398W/(mK)）、黃銅（熱導(dǎo)率109W/(mK)）和碳鋼（熱導(dǎo)率40W/(mK)）制成的大平板，厚度都為

8、10mm，兩側(cè)表面的溫差都維持為50不變，試求通過每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。純銅板：碳鋼板：黃銅板：保溫效果：碳鋼板黃銅板純銅板1.3 熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導(dǎo) 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)不斷增大氣體液體非金屬固體金屬導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，是一種熱物性參數(shù)。不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同。即使是同一種材料，導(dǎo)熱系數(shù)值還與溫度等因素有關(guān)。一般情況1.3 熱量傳遞的基本方式（2）熱對(duì)流 定義由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。特點(diǎn)必須有溫差物體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移必須直接接觸僅發(fā)生在流體中1.3 熱量傳遞的基本方式（2）熱對(duì)流 對(duì)流的

9、同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象，自然界不存在單一的熱對(duì)流。ABCDNM宏觀運(yùn)動(dòng)的流體中，兩個(gè)無限接近的微團(tuán)處于相對(duì)靜止1.3 熱量傳遞的基本方式（2）熱對(duì)流 對(duì)流傳熱流體流過一個(gè)物體表面時(shí)流體與物體表面間的熱量傳遞過程。本課程只討論對(duì)流傳熱。1.3 熱量傳遞的基本方式（2）熱對(duì)流 對(duì)流傳熱的分類流體冷、熱各部分的密度不同水泵、風(fēng)機(jī)或其它作用是否發(fā)生相變相變對(duì)流傳熱非相變對(duì)流傳熱自然對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流引起流動(dòng)的原因1.3 熱量傳遞的基本方式（2）熱對(duì)流 對(duì)流傳熱的計(jì)算牛頓冷卻公式：q：熱流密度，W/m2t：溫差h：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對(duì)流換熱系數(shù)），W/(m2 K)twtftftwq壁面流體tftwq壁面流體twh空

10、氣一般情況h相變h無相變h強(qiáng)制h自然流體的物性換熱表面的形狀換熱表面的大小換熱表面的布置流體的流速1.3 熱量傳遞的基本方式（2）熱對(duì)流 例題1-2一房屋的混凝土外墻的厚度為150mm ，混凝土的熱導(dǎo)率為1.5W/(mK) ，冬季室外空氣溫度為-10, 有風(fēng)天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為20W/(m2K)，室內(nèi)空氣溫度為25,和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5 W/(m2K)。假設(shè)墻壁及兩側(cè)的空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都不隨時(shí)間而變化，求單位面積墻壁的散熱損失及內(nèi)外墻壁面的溫度。熱阻串聯(lián)對(duì)流空氣對(duì)流導(dǎo)熱混凝土外墻空氣1.3 熱量傳遞的基本方式（2）熱對(duì)流 例題1-2=0.15t1=-10t2=25h2=5

11、h1=20tw1tw2t1t2tw1tw2R1R2R3熱流密度：1.3 熱量傳遞的基本方式（3）熱輻射 輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的方式電磁輻射？熱輻射：物體因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象。一切大于0K的物體均發(fā)出熱輻射能。吸收發(fā)出輻射換熱1.3 熱量傳遞的基本方式（3）熱輻射 不需要介質(zhì)的存在在真空中傳遞最有效不需要直接接觸01相互輻射總的效果是熱量由高溫傳向低溫物體所有物體都不停地發(fā)出熱輻射能03熱輻射的特點(diǎn)傳遞過程有能量形式的轉(zhuǎn)換02發(fā)射時(shí)從熱能轉(zhuǎn)換為輻射能被吸收時(shí)從輻射能轉(zhuǎn)換為熱能、電能或者化學(xué)能1.3 熱量傳遞的基本方式（3）熱輻射 熱輻射基本規(guī)律絕對(duì)黑體能吸收投入到其表面上的所有

12、熱輻射能量Stefan-Boltzmann定律：T 黑體的熱力學(xué)溫度 KA輻射表面積 m2斯忒潘-玻耳茲曼常數(shù)，5.67e-8W/(m2K4)實(shí)際物體？單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際物體的發(fā)射率1.3 熱量傳遞的基本方式（3）熱輻射 兩個(gè)平行黑體表面間的換熱單位時(shí)間內(nèi)，左側(cè)平板向右側(cè)平板發(fā)出的熱輻射能：單位時(shí)間內(nèi)，右側(cè)平板向左側(cè)平板發(fā)出的熱輻射能：兩個(gè)平板間，單位時(shí)間內(nèi)的輻射換熱量為：T1T2T1T21.4 傳熱過程實(shí)例分析（1）傳熱方式總結(jié) 熱輻射熱對(duì)流 必須有溫差 不直接接觸 溫度高于0K 必須有溫差 必須直接接觸 物體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移 僅發(fā)生在流體中熱傳導(dǎo) 必須有溫差 必須直接接觸或者是同一物體的

13、連續(xù)部分 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移在氣體、固體、液體中都可能發(fā)生1.4 傳熱過程實(shí)例分析（2）傳熱問答 用鋁制水壺?zé)_水時(shí)，盡管爐火很旺，但水壺安然無恙，而一旦壺內(nèi)的水燒干后水壺很快就被燒壞。為什么？1爐火水壺外表面水壺內(nèi)表面水熱對(duì)流熱輻射熱傳導(dǎo)熱對(duì)流紙鍋燒水？1.4 傳熱過程實(shí)例分析（2）傳熱問答 同樣是室溫，為什么夏天要穿襯衫，而冬天要穿毛衣？2熱輻射熱對(duì)流墻壁空氣屋內(nèi)其它物體熱輻射夏天冬天1.4 傳熱過程實(shí)例分析（2）傳熱問答 夏天,有兩個(gè)完全相同的貯存液態(tài)氮的容器放置在一起,一個(gè)表面上已結(jié)霜,另一個(gè)沒有。請(qǐng)問哪一個(gè)容器的隔熱性能更好?為什么?結(jié)霜處，液態(tài)氮容器的隔熱性能有沒有變化？

14、3熱輻射熱傳導(dǎo)熱對(duì)流已結(jié)霜空氣其它物體熱傳導(dǎo)液氮罐霜層內(nèi)表面霜層外表面空氣熱對(duì)流用一只手握住盛有熱水的杯子，另一只手用筷子攪拌熱水，握杯子的手會(huì)顯著地感到熱，為什么？41.4 傳熱過程實(shí)例分析（2）傳熱問答 手熱水杯子內(nèi)表面杯子外表面熱對(duì)流熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)用筷子攪拌時(shí)，熱水與杯子內(nèi)表面間的對(duì)流換熱更加劇烈，傳熱系數(shù)變大，同樣條件下，傳遞到手上的熱量變多。電影里，為什么Jack凍死了，而Rose沒有？51.4 傳熱過程實(shí)例分析（2）傳熱問答 空氣熱對(duì)流海水熱對(duì)流海水的對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的對(duì)流換熱系數(shù)1.4 傳熱過程實(shí)例分析（2）傳熱問答 中央電視臺(tái)1999年9月5日的科技博覽指出：72C的鐵和6

15、00C的木頭摸上的感覺是一樣的，為什么？6熱傳導(dǎo)鐵塊手熱傳導(dǎo)木頭手鐵的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于木頭。雖然木頭的溫度遠(yuǎn)高于鐵塊，但單位時(shí)間內(nèi)傳遞到手上的熱量差不多，人的感覺也就差不多。1.4 傳熱過程實(shí)例分析（2）傳熱問答 北方,深秋或者初冬季節(jié)的清晨，為什么樹葉總是在朝向太空的一面結(jié)霜？7熱輻射熱輻射地面太空空氣熱對(duì)流朝向太空的一面需要向溫度更低的太空輻射熱能，溫度更低，更容易結(jié)霜白天，太空溫度高于地面；夜晚（清晨），太空溫度低于地面1.4 傳熱過程實(shí)例分析（2）傳熱問答 冬天，棉被經(jīng)過曬后拍打，為什么感覺特別暖和?8空氣熱傳導(dǎo)熱對(duì)流空氣空氣在狹小的棉絮空間內(nèi)自然對(duì)流換熱不容易展開，由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)很低，故起到很好的保溫作用。1.4 傳熱過程實(shí)例分析（2）傳熱問答 改變暖氣中的水流速度是否可以改變顯著地增強(qiáng)換熱？9熱對(duì)流空氣暖氣片熱水熱對(duì)流熱傳導(dǎo)暖氣內(nèi)是水的