傳熱學(xué)-第一章

傳熱學(xué)

（HeatTransfer）參考書教材:《傳熱學(xué)》楊世銘、陶文銓編著，高等教育出版社，1998,第三版《傳熱學(xué)》戴鍋生，高等教育出版社，1999,第二版《傳熱學(xué)》，任澤霈,中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996（第二版）《數(shù)值傳熱學(xué)》陶文銓編著《對(duì)流傳熱傳質(zhì)分析》

王啟杰編著《對(duì)流換熱》V.S.阿巴茲《凝結(jié)和沸騰》施明恒等編著《輻射換熱》余其錚編著HeatTransfer(2ndEdition),byAnthonyF.MillsHeatTransfer,byJ.P.HolmanFundamentalsofHeatTransfer,byF.P.Incropera,D.P.DeWitt

第一章緒論§1-0概述

1.傳熱學(xué)（HeatTransfer）

(1)研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，具體來講主要有熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法

(2)

熱量傳遞過程的推動(dòng)力：溫差熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?/p>

有溫差就會(huì)有傳熱溫差是熱量傳遞的推動(dòng)力

2.傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系(1)熱力學(xué)+傳熱學(xué)=熱科學(xué)(ThermalScience)

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

關(guān)心的是熱量傳遞的過程，即熱量傳遞的速率。熱力學(xué)：傳熱學(xué)：水，M220oC鐵塊,M1300oC圖1-1傳熱學(xué)與熱力學(xué)的區(qū)別(2)傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即

始終從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩磦鬟f，如果沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，則

始終是守恒的3傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例

自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差

傳熱很普遍

b夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？c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？越厚越好？a人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？(2)特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題(3)幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用a航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（Ma=10）冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽(yáng)能高空無人飛機(jī)動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…b微電子：電子芯片冷卻c生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官的冷凍保存d軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存e制冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵；高溫水源熱泵f新能源：太陽(yáng)能；燃料電池4傳熱過程的分類按溫度與時(shí)間的依變關(guān)系，可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩大類。§1-1熱量傳遞的三種基本方式1導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對(duì)流(熱對(duì)流)和熱輻射。(1)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、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(2)物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生(3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)：a必須有溫差；b物體直接接觸；c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；d在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。(4)導(dǎo)熱的基本定律：1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier:上式稱為Fourier定律，號(hào)稱導(dǎo)熱基本定律，是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。其中：

：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量[W]；q：熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量；A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積[m2]；

：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）[W/(mK)]。圖1-2一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱t(yī)0

x

dxdtQ(6)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻

如圖1-3所示，穩(wěn)態(tài)q=const，于是積分Fourier定律有：復(fù)習(xí)：1傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容(1)定義2傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系(2)物質(zhì)的屬性：

3傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例(3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)4傳熱過程的分類(4)導(dǎo)熱的基本定律5導(dǎo)熱(5)導(dǎo)熱系數(shù)

(5)導(dǎo)熱系數(shù)

表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，與材料種類和溫度關(guān)。Q圖1-3導(dǎo)熱熱阻的圖示

t0

x

dxdtQ導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻例題1-1例題1-1一塊厚度δ=50mm的平板，兩側(cè)表面分別維持在試求下列條件下的熱流密度。材料為銅，λ=375w/(mK);材料為鋼，λ=36.4

w/(mK);材料為鉻磚，λ=2.32

w/(mK)；材料為鉻藻土磚，λ=0.242

w/(mK)。解：參見圖1-3。及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：鉻磚：

硅藻土磚：討論：由計(jì)算可見，由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，導(dǎo)致在相同的條件下通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。因而，銅是熱的良導(dǎo)體，而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用銅：鋼：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)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。2對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)(2)對(duì)流換熱：當(dāng)流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程，他與單純的對(duì)流不同，具有如下特點(diǎn)：a導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程b必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差c壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層對(duì)流換熱的分類無相變：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱圖1-4對(duì)流換熱中邊界層的示意圖Convectionheattransfercoefficient(4)對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式——牛頓冷卻公式h—

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

—熱流量[W]，單位時(shí)間傳遞的熱量q—熱流密度A—與流體接觸的壁面面積—固體壁表面溫度—流體溫度——當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量影響h因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等（Convectionheattransfercoefficient）(5)對(duì)流換熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))Thermalresistanceforconvection(6)對(duì)流換熱熱阻：

(1)定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象3熱輻射(Thermalradiation)(2)

特點(diǎn)：a任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)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(zhuǎn)變；d具有強(qiáng)烈的方向性；e輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。(3)生活中的例子：a當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱；b冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒有窗簾時(shí)要舒服；c太陽(yáng)能傳遞到地面d冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0℃以上，但地面卻可能結(jié)冰。圖1－6(5)輻射換熱的特點(diǎn)a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b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；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫(4)輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣，(參照?qǐng)D1－8)。(6)輻射換熱的研究方法：假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他因素，然后，真實(shí)物體的輻射則與黑體進(jìn)行比較和修正，通過實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律(7)黑體的定義：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長(zhǎng)，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)黑體輻射的控制方程：

Stefan-Boltzmann定律

，

，真實(shí)物體則為：

（9）兩黑體表面間的輻射換熱

(參見圖1－9)：

圖1－7兩黑體表面間的輻射換熱例題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(shí)測(cè)平均溫度及空氣溫度分別為，此時(shí)空氣與管道外表面間的自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42W/(m2K),保溫層外表面的發(fā)射率問：（1）此管道的散熱必須