傳熱學(xué)-第一章

傳熱學(xué)_第一章2023/4/261第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

任課教師：何燕專業(yè)方向：熱能與動力工程E—mail：heyan_sd@163.comTelephone:138698928302023/4/262第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日教材《傳熱學(xué)》楊世銘陶文銓第四版《傳熱學(xué)》陳維漢許國良編著版

《HeatTransfer》J.P.Holman8thedition《數(shù)值傳熱學(xué)》陶文銓第二版參考書2023/4/263第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日第一章緒論§1-1傳熱學(xué)概述

§1-2熱量傳遞的基本方式

§1-3傳熱過程與熱阻2023/4/264第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日§1-1傳熱學(xué)概述一、傳熱學(xué)（HeatTransfer）

研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué)

研究：機(jī)理、規(guī)律、模型、實(shí)驗(yàn)

特點(diǎn)：實(shí)用性強(qiáng)、涉及面廣

本質(zhì)：溫差——熱量傳遞的推動力

熱力學(xué)第二定律

熱量可以自發(fā)的由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?。可見有溫差必有傳熱?023/4/265第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日分類：就物體溫度與時間的依存關(guān)系而言,可以分為穩(wěn)態(tài)過程和非穩(wěn)態(tài)過程2023/4/266第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

物體中各點(diǎn)的溫度不隨時間而改變的熱傳遞過程

例如：各種熱力設(shè)備在持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時的熱傳遞

穩(wěn)態(tài)過程2023/4/267第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日非穩(wěn)態(tài)過程物體中各點(diǎn)的溫度隨時間而改變的熱傳遞過程例如：啟動、制動、停機(jī)過程中所經(jīng)歷的熱傳遞過程2023/4/268第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日二、傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)的關(guān)系

工程熱力學(xué)

研究熱能與機(jī)械能及其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門科學(xué)

熱力學(xué)第一定律關(guān)于能量守恒——能量數(shù)量

熱力學(xué)第二定律關(guān)于能量品質(zhì)——能量質(zhì)量2023/4/269第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)

分析熱量傳遞現(xiàn)象和過程的機(jī)理，揭示過程特征和規(guī)律——理論聯(lián)系實(shí)際

具有共同的研究對象：熱現(xiàn)象和熱過程能量在數(shù)量上保持守恒——能量方程熱量始終是從高溫物體傳給低溫物體

傳熱學(xué)和熱力學(xué)的聯(lián)系

熱力學(xué)的基本定律是傳熱學(xué)理論的基礎(chǔ)

傳熱學(xué)理論給出熱力學(xué)過程的詳細(xì)信息傳熱學(xué)2023/4/2610第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日工程熱力學(xué)不考慮能量傳遞過程所需要的時間；傳熱學(xué)則引入時間的概念，研究在不同方式下熱量傳遞的動態(tài)過程，研究熱力設(shè)備在單位時間內(nèi)傳遞熱量的效能。工程熱力學(xué)不考慮熱力設(shè)備在不同地點(diǎn)的參數(shù)變化，研究熱力過程的起始點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)變化；傳熱學(xué)則引入空間的概念，研究熱力設(shè)備場空間的物理參數(shù)。工程熱力學(xué)研究平衡過程（冷熱介質(zhì)的溫差逐漸趨于無限?。┖涂赡孢^程（理想過程），傳熱學(xué)研究的是非平衡過程和不可逆過程（有能量損失和耗散）傳熱學(xué)和熱力學(xué)的區(qū)別2023/4/2611第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日§1-2熱量傳遞的基本方式

熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射2023/4/2612第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射2023/4/2613第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射2023/4/2614第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日一熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）Heatconduction

熱傳導(dǎo)的定義

熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)

可發(fā)生在任何物質(zhì)的任何地點(diǎn)

傳熱形式：依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而傳遞——微觀過程，不產(chǎn)生宏觀位移。

溫度不同的物體各部分之間或溫度不同的各物體之間直接接觸時，依靠分子、原子即自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而進(jìn)行熱量傳遞的現(xiàn)象

物體內(nèi)部存在溫差，或具有溫差的物體直接接觸。2023/4/2615第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

導(dǎo)熱機(jī)理氣體：氣體分子不規(guī)則運(yùn)動時相互碰撞的結(jié)果導(dǎo)電固體：自由電子運(yùn)動非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)振動液體：兼有氣體和固體導(dǎo)熱的機(jī)理2023/4/2616第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

導(dǎo)熱基本定律tf1,h1tw1tw2tf2,h2：熱流量，單位時間傳遞的熱量[W]平壁兩側(cè)壁溫之差熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))1822年，法國數(shù)學(xué)家Fourier：A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積q：熱流密度，單位時間通過單位面積傳遞的熱量平壁的厚度[m]；2023/4/2617第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))(Thermalconductivity)

單位厚度(1m)、單位溫度差（1K）物體，在它的單位面積上(1m2)、每單位時間(1s)的導(dǎo)熱量(J)。

熱導(dǎo)率表示材料導(dǎo)熱能力大小2023/4/2618第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)的定義式由傅里葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式給出:測量方法有穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值取決于物質(zhì)的種類和溫度等因素習(xí)慣上把導(dǎo)熱系數(shù)小的材料稱為保溫材料,效能高的保溫材料都是蜂窩狀多孔性結(jié)構(gòu)的材料.實(shí)用計(jì)算（工程計(jì)算）可以用線性關(guān)系來表達(dá)2023/4/2619第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

導(dǎo)熱熱阻：與直流電路的歐姆定律

I=U/R相似。

熱流量是單位時間傳遞的熱量；

——它體現(xiàn)了傳熱的速率或快慢

傳熱是一個過程，穩(wěn)態(tài)，非穩(wěn)態(tài)；

——區(qū)別于熱力學(xué)的平衡態(tài)

傳熱學(xué)中熱流量的單位是[W]，而非[J]；[W]=[J]/[s]Thermalresistanceforconduction

熱流量和導(dǎo)熱熱阻2023/4/2620第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日二熱對流

Heatconvection

流體中有溫差——熱對流必然同時伴隨著熱傳導(dǎo)

流體中(氣體或液體)溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生宏觀相對運(yùn)動，而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象

熱對流的定義

若熱對流過程使具有質(zhì)量流量G的流體由溫度t1處流至溫度t2處，則此過程傳遞的熱流量為：2023/4/2621第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

對流換熱

流體與固體壁之間的熱量交換（Convectionheattransfer）

對流換熱實(shí)例：

1)電子器件冷卻

2)取暖器

對流換熱的特點(diǎn)：

對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱；

——不是基本傳熱方式1)流體與壁面直接接觸，有宏觀運(yùn)動；有溫差由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會形成速度梯度很大的邊界層2023/4/2622第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

對流換熱的基本計(jì)算式—熱流量，單位時間傳遞的熱量[W]q—熱流密度h—換熱系數(shù)A—與流體接觸的壁面面積—固體壁表面溫度—流體溫度牛頓冷卻公式（1701）2023/4/2623第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

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h因素：

對流換熱熱阻

（Convectiveheattransfercoefficient）

對流換熱系數(shù)流速、流體物性、壁面形狀大小等2023/4/2624第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日Thermalresistanceforconvection

對流換熱熱阻2023/4/2625第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

定義：物體轉(zhuǎn)化本身的熱力學(xué)能向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象；凡物體都具有輻射能力

物體的溫度越高、輻射能力越強(qiáng)；若物體的種類不同、表面狀況不同，其輻射能力不同三、熱輻射（Thermalradiation）

黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體?；蚍Q絕對黑體

黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng)2023/4/2626第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

斯蒂芬-玻爾茲曼定律

黑體在單位時間內(nèi)向外發(fā)出的輻射能：—黑體表面的絕對溫度（熱力學(xué)溫度）—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，或稱黑體輻射常數(shù)—黑體輻射表面積（Stefan-Boltzmannlaw）一切實(shí)際物體輻射能力都小于同溫度下的黑體—實(shí)際物體表面的發(fā)射率（黑度），0~1；與物體的種類、表面狀況和溫度有關(guān)2023/4/2627第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

輻射換熱Radiationheattransfer

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

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——電磁波能——物體熱力學(xué)能

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體的能量；總的效果是熱由高溫物體傳到低溫物體

物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞

輻射換熱的特點(diǎn)：2023/4/2628第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日T1T2QA

兩平行黑平板間的輻射換熱

對于兩個相距很近的黑體表面，由于一個表面發(fā)射出來的能量幾乎完全落到另一個表面上，那么它們之間的輻射換熱量為：

當(dāng)T1=T2時，也就是物體和周圍環(huán)境處于熱平衡，輻射換熱量等于零。但此時是動態(tài)平衡，輻射和吸收仍在不斷進(jìn)行。此時物體的溫度保持不變。2023/4/2629第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日§1-3傳熱過程與熱阻

傳熱過程：熱量由熱流體通過間壁傳給冷流體的過程

傳熱過程通常由導(dǎo)熱、熱對流、熱輻射組合形成k為傳熱系數(shù)，W/(

m2oC)。在數(shù)值上，傳熱系數(shù)等于冷、熱流體間溫差為1oC、傳熱面積A為1m2時的熱流量值，是一個表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的物理量。傳熱過程越強(qiáng)，傳熱系數(shù)越大，反之則越弱

為熱流體與冷流體間的平均溫差2023/4/2630第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

傳熱系數(shù)的計(jì)算假設(shè)傳熱過程處于穩(wěn)態(tài)從熱流體tf1到壁面高溫側(cè)tw1的換熱：

從壁面高溫側(cè)tw1到低溫側(cè)tw2的換熱：

從壁面低溫側(cè)tw2到冷流體tf2的換熱：2023/4/2631第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

熱阻熱電現(xiàn)象的比擬

電學(xué)中的歐姆定律:電流=電壓/電阻:傳熱現(xiàn)象中:熱流=溫差(壓)/熱阻:式中總熱阻和分熱阻的關(guān)系也具有電學(xué)中串聯(lián)電路的電阻疊加特性：總電阻等于各串聯(lián)分電阻之和。

表示成熱阻的形式

2023/4/2632第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

單位面積傳熱熱阻h1、h2的計(jì)算方法及增加k值的措施是本課程的重要內(nèi)容如果各環(huán)節(jié)的熱量傳遞面積不相等，各環(huán)節(jié)熱阻串聯(lián)可以寫成面積熱阻的形式；如通過圓筒壁的傳熱。

tf2tf1tw1tw21/(A1h1)

/(A)1/(A2h2)總熱阻為：(以面積A為基準(zhǔn))

傳熱量

面積熱阻2023/4/2633第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日現(xiàn)實(shí)生活和生產(chǎn)中存在大量的傳熱問題能源、動力、冶金、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、電子、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、農(nóng)業(yè)、植物、航空航天、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…2023/4/2634第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日溫差是熱量傳遞的推動力Thereisnoenergyflowbetweentwoobjectsatthesametemperature.Energyflowsfromhotobjectstocold.2023/4/2635第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日分子、原子和自由電子的運(yùn)動2023/4/2636第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日ConductioningasWecomparehydrogen(yellow,mass=2)withoxygen(blue,mass=32)totheleft.Asthetemperaturegoesup,thespeedofthemoleculesincreases.2023/4/2637第37頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日ConductioninMetalsAllmetalsaregoodconductorsof

electricity.

Forasimilarreason,theyarealsogoodconductorsofheat.Inmetals,notonlydothe

atomsvibratemorewhenheated,butthe

freeelectronschargearoundmoreaswell.Thesetransfertheenergy

muchfaster

thanjustvibrationsinbonds.2023/4/2638第38頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日ConductioninNon-Metals

Everyatomisphysicallybondedtoitsneighboursinsomeway.Ifheatenergyissuppliedtoonepartofasolid,theatoms

vibratefaster.

Eventuallytheenergyspreadsthroughoutthesol