華中科大學工程傳熱學

華中科大學工程傳熱學第一頁，共50頁?！豆こ虃鳠釋W》許國良王曉墨鄔田華等編著《傳熱學》楊世銘陶文銓第三版《HeatTransfer》J.P.Holman8thedition《數值傳熱學》陶文銓第二版參考書教材2023/4/282第二頁，共50頁。第一章緒論§1-1

傳熱學概述§1-2

熱量傳遞的基本方式§1-3

傳熱過程與傳熱系數2023/4/283第三頁，共50頁。§1-1傳熱學概述1傳熱學的概念①

研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學具體來講主要有熱量傳遞的機理、規(guī)律、計算和測試方法熱？

熱量？熱能？Hot、Heat、Thermalenergy2023/4/284第四頁，共50頁。鉆木取火太陽電熱器地熱現實生活和生產中存在大量的傳熱問題2023/4/285第五頁，共50頁。②熱量傳遞所依據的基本定律

能量守恒定律：能量有各種形式；各種形式的能量之間可以相互轉化；能量的總數是守恒的。

能量貶值原理：熱量可以自發(fā)地從高溫熱源傳給低溫熱源，但不能無代價地從低溫熱源傳給高溫熱源;可見有溫差必有傳熱，溫差是熱量傳遞的驅動力；能量在傳遞的過程中，伴隨著能量品質的下降。

傳熱學以能量守恒定律(熱力學第一定律)和能量貶值原理(熱力學第二定律)為基礎，再結合一些實驗規(guī)律，以此來研究熱量傳遞的速率，不但要計算傳遞了多少熱量，還要計算在多長時間內傳遞了這些熱量。2023/4/286第六頁，共50頁。2傳熱學的基本任務①求解溫度分布②

計算熱量傳遞的速率熱力學+傳熱學=熱科學(ThermalScience)

系統(tǒng)從一個平衡態(tài)到另一個平衡態(tài)的過程中傳遞熱量的多少。

關心的是熱量傳遞的過程，即熱量傳遞的速率。水，M220oC鐵塊,M1300oC熱力學：tm,Q傳熱學2023/4/287第七頁，共50頁。大規(guī)模太陽能熱氣流綜合發(fā)電2023/4/288第八頁，共50頁。熱力學研究：熱力學循環(huán)和能量轉換效率1234透平能量損失煙囪能量損失透平溫降（壓降）煙囪溫降（壓降）動能損失太陽能煙囪電站空氣循環(huán)溫熵圖TS太陽能熱氣流能機械能電能2023/4/289第九頁，共50頁。傳熱學研究：系統(tǒng)內的溫度、壓力和速度場2023/4/2810第十頁，共50頁。3傳熱學應用舉例自然界與生產過程到處存在溫差—傳熱很普遍①日常生活中的例子：為什么水壺的提把要包上橡膠？2023/4/2811第十一頁，共50頁。②特別是在下列技術領域大量存在傳熱問題：動力、化工、制冷、建筑、機械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、軍事科學與技術、生命科學與生物技術…2023/4/2812第十二頁，共50頁。航天器發(fā)射資料圖片：和平號殘骸劃過大氣層小知識：飛船的返回與著陸Apollo11liftoff2023/4/2813第十三頁，共50頁。1.坦克與周圍環(huán)境的換熱模擬2023/4/2814第十四頁，共50頁。2.廚房內部氣體傳熱流動模擬12342023/4/2815第十五頁，共50頁。3.辦公室空氣流動與傳熱模擬2023/4/2816第十六頁，共50頁。4.牛與周圍空氣傳熱流動模擬2023/4/2817第十七頁，共50頁。4傳熱過程分類依據物體溫度與時間的依變關系，可將傳熱過程分為穩(wěn)態(tài)傳熱過程和非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。若物體中各點溫度不隨時間改變，則對應的傳熱過程為穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程；若物體中各點溫度隨時間改變，則對應的傳熱過程為非穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程。穩(wěn)態(tài)過程和非穩(wěn)態(tài)過程又稱為定常過程和非定常過程。例如：晝夜溫差變化、座位椅子溫度感覺2023/4/2818第十八頁，共50頁?！?-2熱量傳遞的基本方式熱量傳遞基本方式：熱傳導、熱對流、熱輻射2023/4/2819第十九頁，共50頁。

熱量傳遞基本方式：熱傳導、熱對流、熱輻射2023/4/2820第二十頁，共50頁。1熱傳導（導熱）

①熱傳導的定義

②熱傳導的特點

可發(fā)生在任何物質的任何地點

傳熱機理：依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運動而傳遞——微觀過程，不產生宏觀位移。

物體內溫度不同的各部分之間，或溫度不同的各物體之間直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而進行熱量傳遞的現象。

物體內部存在溫差，或具有溫差的物體直接接觸。Heatconduction2023/4/2821第二十一頁，共50頁。③導熱機理隨物質種類和形態(tài)而異氣體：氣體分子不規(guī)則運動時相互碰撞的結果導電固體：自由電子運動與晶格結構振動非導電固體：晶格結構振動液體：兼有氣體和固體導熱的機理2023/4/2822第二十二頁，共50頁。④導熱基本定律—傅立葉定律：熱流量，單位時間傳遞的熱量[W]為平壁兩側壁溫之差熱導率(導熱系數)[W/(mK)]

1822年，法國數學家Fourier：A：垂直于導熱方向的截面積q：熱流密度，單位時間通過單位面積傳遞的熱量[W/m2]

平壁的厚度[m]；Fourier’sLawHeatfluxThermalconductivityt1t2l2023/4/2823第二十三頁，共50頁。當溫度t沿x方向增加時，dt/dx>0，q<0，說明熱量沿x減小的方向傳遞；反之，dt/dx<0，q<0，說明熱量沿x增加的方向傳遞。

負號表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。2023/4/2824第二十四頁，共50頁。⑤導熱系數

稱為材料的熱導率，又稱導熱系數，單位是W/(mK)；導熱系數的物理意義：其數值大小反映材料的導熱能力,熱導率越大，材料的導熱能力就越強。導熱系數與材料及溫度等因素有關。金屬是良導熱體，熱導率最大，液體次之，氣體最小。

2023/4/2825第二十五頁，共50頁。電學的歐姆定律：I(電流)=U(電壓)/R(電阻)⑥熱阻大平板穩(wěn)態(tài)導熱，由于是一維問題，且和q為常量；傅立葉定律為：

穩(wěn)態(tài)情況下流過大平板的導熱量與平板的截面積和兩側的溫差成正比，與平板的厚度成反比。

這里引入熱阻的概念。熱量傳遞是自然界中的一種轉移過程。各種轉移過程有一個共同規(guī)律，就是：平板導熱

：導熱熱阻Thermalresistanceforconduction2023/4/2826第二十六頁，共50頁。2熱對流

若流體有宏觀的運動，且內部存在溫差，則由于流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混而產生的熱量傳遞現象稱為熱對流。這時，除了有因流體各部分間宏觀相對位移而引起的熱對流外，流體分子的熱運動還會產生導熱過程。故熱對流和熱傳導總是同時存在的。

在日常生活及工程實踐中，人們遇到更多的是流體流過一個溫度不同的物體表面時引起的熱量傳遞，這種情況稱為對流換熱。

①熱對流與對流換熱Convection2023/4/2827第二十七頁，共50頁。②對流換熱的特點：導熱與熱對流同時存在的復雜熱傳遞過程。必須有直接接觸(流體與壁面)和宏觀運動；也必須有溫差。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2023/4/2828第二十八頁，共50頁。③

對流換熱公式—牛頓冷卻公式：熱流量，單位時間傳遞的熱量q：熱流密度h：表面?zhèn)鳠嵯禂礎：與流體接觸的壁面面積：固體壁表面溫度：流體溫度1701年，英國科學家牛頓提出當物體受到流體冷卻時，表面溫度對時間的變化率與流體和物體表面間的溫差t成正比。在此基礎上，人們后來總結出了計算對流換熱的基本公式，稱為牛頓冷卻公式，形式如下：t—流體和物體表面的溫差，約定永遠為正，單位為K或℃。

Convectiveheattransfercoefficient2023/4/2829第二十九頁，共50頁。④

對流熱阻和表面?zhèn)鳠嵯禂祵α鳠嶙?/p>

式(1-4)只是給出了表面?zhèn)鳠嵯禂档亩x式，并沒有指出其具體的計算方法。影響表面?zhèn)鳠嵯禂档囊蛩睾芏啵黧w的物性（導熱系數、粘度、密度、比熱容等）、流動的形態(tài)（層流、紊流）、流動的成因（自然對流或強制對流）、物體表面的形狀、尺寸，換熱時流體有無相變（沸騰或凝結）等。研究對流換熱的基本任務就是用理論分析或實驗方法得出不同情況下表面?zhèn)鳠嵯禂档挠嬎汴P系式。表1-1列舉了一些對流換熱過程的h值的大致范圍。由表1-1可知，水的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂当瓤諝獾拇螅瑥娭茖α鞯谋茸匀粚α鞯拇?，有相變的比無相變的大。Thermalresistanceforconvection2023/4/2830第三十頁，共50頁。研究對流換熱的基本任務就是用理論分析或實驗方法得出不同情況下表面?zhèn)鳠嵯禂档挠嬎汴P系式。TypicalvaluesofhProcessH(W/m2-°C)FreeConvectionGasesLiquidsForcedConvectionGasesLiquidsLiquidmetalsPhasechangeBoilingliquidsCondensation5-3020-100020-30050-20,0005,000-50,0002,000-100,0005,000-100,0002023/4/2831第三十一頁，共50頁。2023/4/2832第三十二頁，共50頁。

一切溫度高于0K的物體都會以電磁波的方式發(fā)射具有一定能量的微觀粒子，即光子，這樣的過程稱為輻射，光子所具有的能量稱為輻射能。輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的方式。物體會因不同的原因發(fā)出輻射能。由于熱的原因而發(fā)出輻射能的現象稱為熱輻射，這時輻射能是由物體的內能轉化而來，物體的溫度越高，輻射能力越強。3熱輻射

①熱輻射Thermalradiation2023/4/2833第三十三頁，共50頁。②

輻射換熱a)不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質的存在，在真空中就可以傳遞能量b)在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉換物體熱力學能電磁波能物體熱力學能c)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自然界各個物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，也不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射，其綜合過程即為輻射換熱。

輻射換熱的特點：Radiationheattransfer2023/4/2834第三十四頁，共50頁。③

斯蒂芬-玻爾茲曼定律

物體的輻射能力與溫度有關，同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領也大不一樣。為此，定義一種理想物體—絕對黑體。絕對黑體（簡稱黑體）是理想化的能吸收投入到其表面上所有熱輻射能的物體。這種物體的吸收本領和輻射本領在同溫度的物體中最大。黑體單位面積在單位時間內發(fā)出的熱輻射能由斯蒂藩-玻耳茲曼定律計算：—黑體表面的絕對溫度（熱力學溫度）—斯蒂芬-玻爾茲曼常數T黑體是否可以說成是黑（顏）色的物體？2023/4/2835第三十五頁，共50頁。一切實際物體輻射能力都小于同溫度下的黑體—實際物體表面的發(fā)射率（黑度），0~1；與物體的種類、表面狀況和溫度有關

兩個表面間的輻射傳熱量的計算較為復雜，需要考慮各表面輻射的熱量和吸收的熱量的總和。但有兩種情況計算卻很簡單：①

當一個面積為A1，發(fā)射率為

1，溫度為T1的表面被另一個溫度為T2的大得多的表面包圍時，兩表面間的輻射熱流量：Emissivity122023/4/2836第三十六頁，共50頁。T1T2ΦA②

兩無限大平行黑體平板間輻射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T1=T2時，也就是物體和周圍環(huán)境處于熱平衡時，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行。此時物體的溫度保持不變。2023/4/2837第三十七頁，共50頁?！?-3傳熱過程與傳熱系數①傳熱過程：熱量由熱流體通過間壁傳給冷流體的過程。②

傳熱過程通常由導熱、熱對流、熱輻射組合形成。1傳熱過程③

傳熱過程由三個相互串聯(lián)的熱量傳遞環(huán)節(jié)組成:a)熱量以對流換熱的方式從高溫流體傳給固體壁面；

b)熱量以導熱的方式從高溫流體側壁面?zhèn)鬟f到低溫流體側壁面；

c)熱量以對流換熱的方式從低溫流體側壁面?zhèn)鹘o低溫流體。注意：在第一和第三個環(huán)節(jié)中有時還須考慮壁面與流體及周圍環(huán)境之間的輻射換熱。2023/4/2838第三十八頁，共50頁。2傳熱系數的計算①

從熱流體tf1到壁面高溫側tw1的換熱：②從壁面高溫側tw1到低溫側tw2的換熱：③

從壁面低溫側tw2到冷流體tf2的換熱：上面三式中的熱流量

相等，聯(lián)立可解得式：2023/4/2839第三十九頁，共50頁。k稱為傳熱系數或總傳熱系數，單位為W/(m2K)；當壁面為平壁時，其計算式如下：

—傳熱過程的總熱阻，由各環(huán)節(jié)的熱阻串聯(lián)而成，它們分別為各環(huán)節(jié)熱阻。—單位面積熱阻，m2K/W。和上式同樣適用于各環(huán)節(jié)的熱量傳遞面積不相等的情形，如通過圓筒壁的傳熱，這時通過壁面的導熱熱阻的計算須相應改變。Theoverallheattransfercoefficient2023/4/2840第四十頁，共50頁。例題1-1

有三塊分別由純銅、碳鋼和硅藻土磚制成的大平板，它們的厚度都為=50mm，兩側表面的溫差都維持為tw1–tw2=100℃不變，試求通過每塊平板的導熱熱流密度。純銅、碳鋼和硅藻土磚的導熱系數分別為1=398W/(m·K)，2=40W/(m·K)，3=0.242W/(m·K)。[解]

這是通過大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導熱問題，根據式(1-2)，對于純銅板對于碳鋼板

對于硅藻土磚2023/4/2841第四十一頁，共50頁。例題1-2一室內暖氣片的散熱面積為A=2.5m2，表面溫度為tw=50℃，和溫度為20℃的室內空氣之間自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂禐閔=5.5W/(m2·K)。試計算該暖氣片的對流散熱量。若暖氣片的表面發(fā)射率為

1=0.8，室內墻壁溫度為20℃。試計算該暖氣片和室內墻壁的輻射傳熱量。

[解]

暖氣片和室內空氣之間是穩(wěn)態(tài)對流換熱，根據式(1-4)=Ah(tw–tf)=2.5m2×5.5W/(m2·K)×(50-20)K=412.5W

故該暖氣片的對流散熱量為412.5W。由于墻壁面積比暖氣片大得多，由式(1-8)，兩者間的輻射傳熱量為：可見，此暖氣片室內的對流散熱量和輻射散熱量大致相當。2023/4/2842第四十二頁，共50頁。例題1-3

有一氟里昂冷凝器，管內有冷卻水流過，對流表面?zhèn)鳠嵯禂禐閔1=8800W/(m2K)，管外是氟里昂凝結，表面?zhèn)鳠嵯禂禐閔2=1800W/(m2K)，管壁厚為=1.5mm，導熱系數為=380W/(mK)，試計算三個環(huán)節(jié)的熱阻和總傳熱系數，欲增強傳熱應從哪個環(huán)節(jié)入手。（假設管壁可作為平壁處理）。

[解]三個環(huán)節(jié)的面積熱阻為：

水側換熱熱阻：

管壁導熱熱阻：

蒸汽凝結熱阻：

總傳熱系數：三個環(huán)節(jié)的熱阻比例為16.9%、0.6%、82.5%。故蒸汽側的熱阻占主要部分，應從這一環(huán)節(jié)入手增強換熱。2023/4/2843第四十三頁，共50頁。例題1-4

一房屋的外墻為混凝土，其厚度為=200mm，混凝土的熱導率為=1.5W/(mK)，冬季室外空氣溫度為tf2=-10℃,有風天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂禐閔2=20W/(m2K)，室內空氣溫度為tf1=25℃,和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂禐閔1=5W/(m2K)。假設墻壁及兩側的空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂刀疾浑S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tw1和tw2。[解]這是一個穩(wěn)態(tài)傳熱過程，冷熱流體由混凝土墻壁隔開。根據式(1-9)，通過墻壁的熱流密度即單位面積墻壁的散熱損失為

根據牛頓冷卻公式(1-4)，對于內外墻面與空氣之間的對流換熱2023/4/2844第四十四頁，共50頁。于是可求得

分析本例中三個傳熱環(huán)節(jié)的熱阻可以發(fā)現，由于自然對流表面?zhèn)鳠嵯禂敌?，熱阻大，總的傳熱溫?25–(-10)=35C)中，室內自然對流的所占溫差最大，為20C，墻壁的導熱溫差次之，為10C，室外的強制對流熱阻最小，所需溫差也最小，為5C。2023/4/2845第四十五頁，共50頁。例題1-5一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，此時空氣與管道外表面間的自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂礹=3.42W/(m2K),保溫層外表面的發(fā)射率