傳熱學(xué)-第一章 緒論P(yáng)PT

韓風(fēng)雙手機(jī)號：15168138546688152Email:hanfengshuang@傳熱學(xué)2010年12月畢業(yè)于中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所2007-2009年德國亞琛工業(yè)大學(xué)博士聯(lián)合培養(yǎng)2001-2005年中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院熱科學(xué)工程熱力學(xué)燃燒學(xué)制冷與低溫?zé)峥茖W(xué)：研究熱能、熱量及熱現(xiàn)象的科學(xué)

熱學(xué)傳熱學(xué)熱學(xué)：研究自然界中物質(zhì)與冷熱有關(guān)的性質(zhì)及這些性質(zhì)變化的規(guī)律

工程熱力學(xué)：研究能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律以及熱能的性質(zhì)

傳熱學(xué)：研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué)，

熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測試方法

燃燒學(xué)：研究燃燒現(xiàn)象和燃燒機(jī)理

制冷與低溫：用人工的方法在一定時(shí)間和一定空間內(nèi)將某物體或流體冷卻，使其溫度降到環(huán)境溫度以下或很低的溫度并保持該溫度傳熱學(xué)研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué)，

熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測試方法教材及參考書《傳熱學(xué)》楊世銘陶文銓編著考核方法閉卷考試70%平時(shí)成績30%授課計(jì)劃（48學(xué)時(shí)）第一章緒論（4學(xué)時(shí)）第二章 導(dǎo)熱基本定律及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（8學(xué)時(shí)）第三章 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（6學(xué)時(shí)）第四章導(dǎo)熱數(shù)值解法基礎(chǔ)（2學(xué)時(shí)）第五章 單相流體對流換熱（8學(xué)時(shí)）第六章凝結(jié)與沸騰換熱（2學(xué)時(shí)）第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性（4學(xué)時(shí)）第八章 輻射換熱計(jì)算（6學(xué)時(shí)）第九章 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算（8學(xué)時(shí)）成績權(quán)重：考試70%，作業(yè)30％。第一章緒論§1-0傳熱學(xué)概述§1-1熱量傳遞的三種基本方式§1-2傳熱過程和傳熱系數(shù)§1-0概述一、什么是傳熱學(xué)1、傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測試方法熱量傳遞過程的推動(dòng)力：溫差1)物體內(nèi)只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分；2)物體之間存在溫差時(shí)，熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體。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?。有溫差就?huì)有傳熱工程熱力學(xué)：熱能的性質(zhì)、熱能與機(jī)械能及其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律（EngineeringThermodynamics）傳熱學(xué)：熱量Q傳遞過程的規(guī)律（HeatTransfer)傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即：熱量Q傳遞始終是從高溫物體向低溫物體傳遞；在熱量傳遞過程中若無能量形式的轉(zhuǎn)換，則熱量始終保持守恒熱力學(xué)研究平衡態(tài)（穩(wěn)態(tài)）傳熱學(xué)研究過程和非平衡態(tài)（非穩(wěn)態(tài)）2、傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系3、熱量傳遞過程根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系，熱量傳遞過程可分為兩類：穩(wěn)態(tài)傳熱過程、非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

1）穩(wěn)態(tài)傳熱過程（定常過程）凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變的熱傳遞過程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

2）非穩(wěn)態(tài)傳熱過程（非定常過程）

凡是物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化而變化的熱傳遞過程均稱非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

各種熱力設(shè)備在持續(xù)不變的工況下運(yùn)行時(shí)的熱傳遞過程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過程；而在啟動(dòng)、停機(jī)、工況改變時(shí)的傳熱過程則屬非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。二、傳熱學(xué)的重要性自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差—傳熱很普遍傳熱學(xué)在日常生活、生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。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？日常生活中的例子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？d

為什么下雪不冷、化雪冷？為什么水壺的提把要包上橡膠？不同材質(zhì)的湯匙放入熱水中，哪個(gè)黃油融解更快？生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題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）；太陽能高空無人飛機(jī)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：太陽能；燃料電池§1-1熱量傳遞的三種基本方式

1.加熱壺底部，壺頂部也會(huì)熱？導(dǎo)熱3.當(dāng)壺中的水燒開時(shí)，我們的手在壺附近就能感覺到熱太陽2.要把一壺水燒開，必須在水的下方加熱。水是熱的不良導(dǎo)體，不善于熱的傳導(dǎo)。利用水的對流，使整壺水燒開對流輻射導(dǎo)熱舉例說明§1-1熱量傳遞的三種基本方式

一、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）（Heatconduction）1、概念

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。

物質(zhì)的屬性；可以在固體、液體、氣體中發(fā)生2、導(dǎo)熱的特點(diǎn)必須有溫差物體直接接觸依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量不發(fā)生宏觀的相對位移3、導(dǎo)熱機(jī)理氣體：導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果，溫度升高，動(dòng)能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使熱能從高溫傳到低溫處。導(dǎo)電固體：其中有許多自由電子，它們在晶格之間像氣體分子那樣運(yùn)動(dòng)。自由電子的運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱中起主導(dǎo)作用。非導(dǎo)電固體：導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)所產(chǎn)生的彈性波來實(shí)現(xiàn)的，即原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。液體的導(dǎo)熱機(jī)理：存在兩種不同的觀點(diǎn)第一種觀點(diǎn)類似于氣體，只是復(fù)雜些，因液體分子的間距較近，分子間的作用力對碰撞的影響比氣體大；第二種觀點(diǎn)類似于非導(dǎo)電固體，主要依靠彈性波（晶格的振動(dòng)，原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)產(chǎn)生的）的作用。

說明：只研究導(dǎo)熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律。

4、導(dǎo)熱的基本規(guī)律

1）傅立葉定律（1822年，法國數(shù)學(xué)家Fourier）

如左圖所示的兩個(gè)表面分別維持均勻恒定溫度的平板，是個(gè)一維導(dǎo)熱問題。對于x方向上任意一個(gè)厚度為的微元層來說，根據(jù)傅里葉定律，單位時(shí)間內(nèi)通過該層的導(dǎo)熱熱量與當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓始捌桨迕娣eA成正比，即（1-2）Fourier’sLawΦ：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,

[W/m2]HeatfluxA：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積[m2]λ:熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）[W/(m·oC)]ThermalconductivityΔt=tw1?tw2

：平壁兩側(cè)壁溫之差[oC]δ:平壁的厚度[m]；（1-1）1）當(dāng)溫度t沿x方向增加時(shí)，＞０而q＜０，說明此時(shí)熱量沿x減小的方向傳遞；2）反之，當(dāng)<0時(shí)，q>0，說明熱量沿x增加的方向傳遞。（1-1）[W][W/(m·oC)]（1-3）λ的物理意義：具有單位溫度差（1oC）的單位厚度的物體(1m)，在它的單位面積上(1m2)、每單位時(shí)間(1s)的導(dǎo)熱量(J)導(dǎo)熱系數(shù)λ表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，是一種物性參數(shù)，單位：W/(m·oC)或

W/(m·K)

。同材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同，即使同一種材料導(dǎo)熱系數(shù)值與溫度等因素有關(guān)。金屬材料最高，良導(dǎo)電體，也是良導(dǎo)熱體，液體次之，氣體最小。λ金屬>λ非金屬固體>λ液體>λ氣體λ純銅=398W/(m·oC)λ水=0.6

W/(m·oC）

λ空氣=0.026W/(m·oC)（20oC）注：傳熱學(xué)中熱流量的單位是[W]，而非[J]；[W]=[J]/[s]熱流量是單位時(shí)間傳遞的熱量[J/s]=[W]它體現(xiàn)了傳熱的速率或快慢傳熱是一個(gè)過程，而非平衡態(tài)——這與熱力學(xué)有區(qū)別Thermalresistanceforconduction導(dǎo)熱熱阻Rλ：與直流電路的歐姆定律I=U/R相似例題1-1有三塊分別由純銅（熱導(dǎo)率λ1=398W/(m·K)）、黃銅（熱導(dǎo)率λ2=109W/(m·K)）和碳鋼（熱導(dǎo)率λ3=40W/(m·K)）制成的大平板，厚度都為10mm，兩側(cè)表面的溫差都維持為tw1–tw2=50℃不變，試求通過每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。解：這是通過大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，對于純銅板，W/m2對于黃銅板

對于碳鋼板

W/m2W/m2§1-1熱量傳遞的三種基本方式

1.加熱水壺底部，水壺頂部也會(huì)熱？導(dǎo)熱3.太陽2.要把一壺水燒開，必須在水的下方加熱。水是熱的不良導(dǎo)體，不善于熱的傳導(dǎo)。利用水的對流，使整壺水燒開對流輻射導(dǎo)熱對流二、對流（HeatConvection）1、基本概念1)熱對流的定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。

對流僅發(fā)生在流體中，流體中有溫差—對流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。自然界不存在單一的熱對流。2)對流換熱：流體流過一個(gè)固體表面時(shí)的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。流體與固體壁間的換熱

對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式對流換熱實(shí)例：

暖氣管道2、對流換熱的特點(diǎn)導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程

必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層（Boundarylayer）3、對流換熱的分類1）根據(jù)對流換熱時(shí)是否發(fā)生相變分：有相變的對流換熱和無相變的對流換熱。沸騰換熱及凝結(jié)換熱：液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對流換熱，稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱（相變對流沸騰）。2）根據(jù)引起流動(dòng)的原因分：自然對流和強(qiáng)制對流。自然對流：由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動(dòng)。

如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動(dòng)。強(qiáng)制對流：流體的流動(dòng)是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所造成的。4、對流換熱的基本規(guī)律<牛頓冷卻公式>流體被加熱時(shí)：

流體被冷卻時(shí)：式中，q:熱能密度，W/m2

tw,

tf

:分別為壁面溫度和流體溫度，℃。

（1-4）（1-5）h—比例系數(shù)（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)）,

W/(m2·oC)

。

如果把溫差（亦稱溫壓）記為，并約定永遠(yuǎn)取正值，則牛頓冷卻公式可表示為

其中h—比例系數(shù)（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)）

單位

W/(m2·oC)

。

（1-6）（1-7）影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的因素：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(guān)。（1-7）（1-8）[W][W/(m2·oC)]

h的物理意義：單位溫差(1oC)作用下單位時(shí)間(1s)內(nèi)通過單位面積(1m2)的熱量(J)。一般地，就介質(zhì)而言：水的對流換熱比空氣強(qiáng)烈；就換熱方式而言：有相變的強(qiáng)于無相變的；強(qiáng)制對流強(qiáng)于自然對流。對流換熱研究的基本任務(wù)：用理論分析或?qū)嶒?yàn)的方法推出各種場合下表面換熱導(dǎo)數(shù)的關(guān)系式。

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍對流換熱熱阻：[oC/W]

[m2·oC/W]

Thermalresistanceforconvection例題1-2一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為3m2，表面溫度為tw=50℃，和溫度為20℃的室內(nèi)空氣之間自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h=4W/(m2·K)。試問該暖氣片相當(dāng)于多大功率的電暖氣?解：暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對流換熱，Q=Ah(tw–tf)=3m2×4W/(m2·K)×(50-20)K=360W=0.36kW即相當(dāng)于功率為0.36kW的電暖氣。輻射§1-1熱量傳遞的三種基本方式

1.加熱水壺底部，水壺頂部也會(huì)熱？導(dǎo)熱3.太陽2.要把一壺水燒開，必須在水的下方加熱。水是熱的不良導(dǎo)體，不善于熱的傳導(dǎo)。利用水的對流，使整壺水燒開對流輻射導(dǎo)熱對流輻射三、熱輻射（Thermalradiation）

1、基本概念1）輻射和熱輻射物體轉(zhuǎn)化本身的熱力學(xué)能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。注意：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(jìn)行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。輻射換熱的特點(diǎn)（1）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（2）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（3）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說明：輻射換熱是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)物體與周圍環(huán)境溫度處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過程仍在不停的進(jìn)行，只是輻射熱與吸收熱相等。3）導(dǎo)熱、對流、輻射的評述a、

導(dǎo)熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在的條件下，才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效，因此，又稱其為非接觸性傳熱。

在輻射時(shí)，輻射體內(nèi)熱能→輻射能；在吸收時(shí)，輻射能→受射體內(nèi)熱能，因此，輻射換熱過程是一種能量互變過程。b、在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。

c、輻射換熱是一種雙向熱流同時(shí)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。d、熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子性態(tài)的一種宏觀表象。e、物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有關(guān)。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱，對流的基本特點(diǎn)。

2、熱輻射的基本規(guī)律：所謂絕對黑體：