傳熱學(xué)第一章

1、主講：段主講：段 娜娜水院水院415傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)第一章 緒論參考書：參考書：戴鍋生 高等教育出版社先修課程：先修課程：高等數(shù)學(xué)，工程熱力學(xué)和流體力學(xué)等何謂傳熱(What)?傳熱的重要性何在(Why)？熱能是如何傳輸?shù)?How)? 通過本章的學(xué)習(xí)，對熱量傳遞的三種基本方式、傳熱過程及熱阻的概念有所了解，并能進行簡單的計算，能對工程實際中簡單的傳熱問題進行分析。教學(xué)目的重點和難點 重點重點：熱量傳遞的三種基本方式特點及計算方法； 難點難點：三種熱量傳熱方式較抽象，不易理解，學(xué)會分析實際工程傳熱問題由哪些基本熱量傳遞方式組成。第一章 緒論熱力學(xué)第二定律：凡是有溫差存在的地方，就有熱能自發(fā)地從高溫

2、物體向低溫物體傳遞。傳熱：傳熱：物質(zhì)在溫差溫差作用下所發(fā)生的熱量傳遞傳熱學(xué)：傳熱學(xué)：工程熱物理的一個分支，研究熱量傳遞的規(guī)律。內(nèi)容：內(nèi)容：傳熱學(xué)的在科學(xué)技術(shù)和工程中的應(yīng)用 熱能傳遞的三種基本方式及熱阻 傳熱過程 。傳熱學(xué)與熱力學(xué)的區(qū)別傳熱學(xué)與熱力學(xué)的區(qū)別相同點：相同點：兩者都是研究熱科學(xué)的理論基礎(chǔ)；不同點：不同點：熱力學(xué)研究平衡態(tài)，不考慮熱量傳遞的速率，沒有時間觀念；傳熱學(xué)研究非平衡態(tài)，強調(diào)熱量傳遞的速率及所需時間，有 時空概念。 熱力學(xué) + 傳熱學(xué) = 熱科學(xué) 系統(tǒng)從一個平系統(tǒng)從一個平衡態(tài)到另一個衡態(tài)到另一個平衡態(tài)的過程平衡態(tài)的過程中傳遞熱量的中傳遞熱量的多少。多少。 關(guān)心的是熱關(guān)心的是熱量

3、傳遞的過量傳遞的過程，即熱量程，即熱量傳遞的速率。傳遞的速率。水，M220oC鐵塊, M1300oCtm)(),(fzyxt 1. 傳熱學(xué)在生活中的應(yīng)用 2. 傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用 1.1 傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)和工程中的應(yīng)用傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)和工程中的應(yīng)用傳熱學(xué)在生活中的應(yīng)用 為什么水壺的把手上要包上塑料？ 不同材質(zhì)的湯勺放入熱水中，哪個黃油融解的更快？傳熱學(xué)在生活中的應(yīng)用 煮好的雞蛋表面濕潤和干燥哪個更燙手？ 暖瓶和保溫杯為什么保溫？傳熱學(xué)在生活中的應(yīng)用嚴(yán)寒地區(qū)為什么采用雙層玻璃？傳熱學(xué)在生活中的應(yīng)用塑料大棚是什么原理？傳熱學(xué)在生活中的應(yīng)用傳熱學(xué)在科技與工程中的應(yīng)用井口加熱保溫裝置油田常溫集輸

4、現(xiàn)場試驗裝置石油化工領(lǐng)域：反應(yīng)釜、蒸汽吞吐井、稠油熱采、油氣集輸傳熱學(xué)在科技與工程中的應(yīng)用建筑節(jié)能領(lǐng)域：復(fù)合保溫墻體及屋面、地板輻射采暖系統(tǒng)哥倫比亞航天飛機事故（哥倫比亞航天飛機事故（2003）傳熱學(xué)在科技與工程中的應(yīng)用航空航天領(lǐng)域：航天飛機、火箭發(fā)射、衛(wèi)星與空間站熱控制、空間飛行器重返大氣層冷卻微電子領(lǐng)域傳熱學(xué)在科技與工程中的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：腫瘤高溫?zé)岑煟簧镄酒?；組織與器腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官的冷凍保存；激光手術(shù)；低溫外科等等官的冷凍保存；激光手術(shù)；低溫外科等等傳熱學(xué)在科技與工程中的應(yīng)用飛機 (熱能機械能) 汽車(熱能機械能)熱電廠 (熱能機械能) 傳熱學(xué)在科技與工程中的應(yīng)用

5、發(fā)電冷卻塔新能源汽車絕熱材料 青藏鐵路三大措施保持路基凍土1）“熱棒”不用電的“冰箱”。在凍土區(qū)，路基兩旁插有一排碗口粗細、看上去像護欄的金屬棒，它們的間隔為2m，高出路面2m，插入路基下5m棒體是封閉中空的，里面灌有液態(tài)的氨，外表頂端有散熱片。2）“拋石路基”天然的“空調(diào)”。在凍土區(qū)修筑路基時，其土層路基的中間，拋填了一定厚度的碎石塊，碎石之間的空隙不填實，并且與外界空氣相通這樣的結(jié)構(gòu)具有“空調(diào)”的功能，使得凍土層的溫度基本不隨外界氣溫變化，能有效地保持凍土的穩(wěn)定性3）“遮陽板路基”隔熱“外衣”。遮陽板路基，是在路基的邊坡上架設(shè)一層遮擋太陽的板材，能有效地減弱太陽熱對路基溫度的影響。 傳熱學(xué)

6、在科技與工程中的應(yīng)用目前，國內(nèi)熱棒工質(zhì)一般為氨，熔點為-77.75，沸點為-33.42。啟動溫度在-33左右。地下熱棒周圍的熱不斷蒸發(fā)將熱棒周圍的土凍結(jié)，增加凍土厚度使凍層厚度加厚這樣減少熱脹冷縮將凍層拉裂的情況發(fā)生。 軍軍 事：事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存；飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存； 制制 冷：冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵，高溫水源熱泵；熱泵，高溫水源熱泵； 新能源：新能源：太陽能；燃料電池太陽能；燃料電池傳熱學(xué)在科技與工程中的應(yīng)用 傳熱學(xué)是能源、動力、化工、機械、電子、土木等學(xué)科的主干技術(shù)基礎(chǔ)課。 傳熱學(xué)、流體力學(xué)以及工程熱力學(xué)并稱能源動力類專業(yè)的三大

7、支柱學(xué)科。 溫差隨處可見，熱量傳遞非常普遍！工程上的傳熱分類工程上的傳熱分類 更有效地增強或削弱熱量的傳遞 確定物體內(nèi)的溫度分布，進而進行現(xiàn)象判斷、溫度控制以及熱應(yīng)力和熱變形計算等。( , , , )tf x y z),(zyx1.2 熱量傳遞的三種基本方式(What and How)傳熱是因存在溫差而發(fā)生的熱能的轉(zhuǎn)移。傳熱是因存在溫差而發(fā)生的熱能的轉(zhuǎn)移。 熱傳導(dǎo)（Heat conduction） 熱對流（Heat convection） 熱輻射（Thermal radiation）穩(wěn)態(tài)(Steady state)非穩(wěn)態(tài)(Unsteady state)設(shè)備穩(wěn)定運行設(shè)備啟動、停機 冬天溫度相同的

8、鐵和木頭，為什么摸起來感覺不同？思考1.2.1 熱傳導(dǎo)(Heat Conduction)定義：定義：當(dāng)物體內(nèi)有溫度差或兩個不同溫度的物體接觸時，物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱能傳遞。要素要素：溫度差，不發(fā)生相對位移，熱運動物質(zhì)的屬性物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生導(dǎo)熱特點：導(dǎo)熱特點：純導(dǎo)熱過程中，物體各部分之間不發(fā)生相對位移，也無能量形式的轉(zhuǎn)換。如圖示，一塊平板，厚為如圖示，一塊平板，厚為 ，表面，表面積為積為A A，兩表面分別維持均勻溫度，兩表面分別維持均勻溫度t tw1w1和和t tw2w2. .單位時間從表面單位時間從表面1

9、1傳導(dǎo)到傳導(dǎo)到表面表面2 2的熱量為的熱量為Q Q。（沿。（沿X X軸方向）軸方向）1wt2wttX12wwttA 單位面積：單位面積：12wwttq導(dǎo)熱率（導(dǎo)熱系數(shù)）導(dǎo)熱率（導(dǎo)熱系數(shù)）/tqtA物理意義：物理意義：具有單位溫度差（1K)的單位厚度的物體（1m),在它的單位面積上（1m2),單位時間（1s)的導(dǎo)熱量（J)。性質(zhì)：性質(zhì)：氣體液體非金屬固體金屬）（）；空氣水純銅20/(026. 0/(6 . 0/(398mWmWmW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)，由試驗確定。Q1wt2wtA導(dǎo)熱熱阻的圖示導(dǎo)熱熱阻的圖示 1wt2wtt0 x dxdtQrtttqww21Rt

10、Attww21rAR 導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻Example 122250K1.7W/m K2833.33W/m0.15m()(0.5m 1.2m) 2833W/m1700WxTqLHW q 一塊厚度一塊厚度=50 mm =50 mm 的平板，的平板， 兩側(cè)表面分別維持在兩側(cè)表面分別維持在.100,30021CtCtowow試求下列條件下的熱流密度。試求下列條件下的熱流密度。材料為銅，材料為銅，=375 w/(mK );=375 w/(mK );材料為鋼，材料為鋼， =36.4 w/(mK );=36.4 w/(mK );材料為鉻磚，材料為鉻磚， =2.32 w/(mK )=2

11、.32 w/(mK )；材料為鉻藻土磚，材料為鉻藻土磚， =0.242 w/(mK )=0.242 w/(mK )。Example 22321mW1028. 905. 010030032. 2wwttq鉻磚：鉻磚： 2221mW1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土磚：硅藻土磚：討論：由計算可見，討論：由計算可見， 由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，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)熱量大三個數(shù)量級。磚的導(dǎo)熱量大三個數(shù)量級。 因而，銅是熱的良導(dǎo)體，因而，銅是熱的良導(dǎo)

12、體， 而而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用。硅藻土磚則起到一定的隔熱作用。2621mW105 . 105. 0100300375wwttq銅：銅：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq鋼：鋼： 冬天溫度相同的鐵和木頭，為什么摸起來感覺不同？思考鐵的導(dǎo)熱系數(shù)比木頭大 夏天人在同樣溫度（如：30）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？ 思考定義：定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于于發(fā)生相對的宏觀運動而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。發(fā)生相對的宏觀運動而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。1.2.2 熱對流(Heat C

13、onvection)對流換熱：對流換熱：當(dāng)流體流過物體表面時的熱量傳遞過程；當(dāng)流體流過物體表面時的熱量傳遞過程； a a 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動； b b 必須有溫差必須有溫差 c c 壁面處會形成速度梯度很大的邊界層壁面處會形成速度梯度很大的邊界層 對流換熱的分類對流換熱的分類 無相變：強迫對流和自然對流無相變：強迫對流和自然對流 有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱有相變對流傳熱有相變對流傳熱無相變對流傳熱無相變對流傳熱沸騰傳熱沸騰傳熱凝結(jié)傳熱凝結(jié)傳熱W )(fwtthA2mW )( fwtthAqConvection

14、 heattransfer coefficient對流換熱的基本計算公式對流換熱的基本計算公式牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式h 表面對流換熱系數(shù) 熱流量W，單位時間傳遞的熱量q2mW 熱流密度K)(mW2A2m 與流體接觸的壁面面積wt C 固體壁表面溫度ft 流體溫度 C物理意義物理意義 當(dāng)流體與壁面溫度相差當(dāng)流體與壁面溫度相差1 1度時、每單位度時、每單位壁面面積上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量壁面面積上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量)( fwttAhK)(mW2影響影響h h因素：因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等流速、流體物性、壁面形狀大小等hhrthtqRthAt 1 )(1對流換熱系數(shù)對流換熱系數(shù)

15、( (表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)) )及熱阻及熱阻 )(1WChARh 12WCmhrh1、夏天人在同樣溫度（如：30）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？ 思考水與皮膚對流換熱系數(shù)比空氣大 冬夏室內(nèi)溫度相同，為什么冬天穿毛衣，夏天穿T恤？思考.3 熱輻射（Thermal Radiation）基本概念 物體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。 電磁波的波譜電磁波的波譜輻射換熱的特點輻射換熱的特點a a 不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)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的存在，在真空中就可以傳遞能量

16、b b 在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換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)能物體熱力學(xué)能 電磁波能電磁波能 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能c c 無論溫度高低，無論溫度高低，只要溫度高于只要溫度高于0 K，物體都在不停地物體都在不停地 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。量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。d.d. 輻射能與溫度和波長均有關(guān)；輻射能與溫度和波長均有關(guān)； 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的

17、4 次方次方輻射換熱：輻射換熱：物體間靠熱輻射進行的熱量傳遞物體間靠熱輻射進行的熱量傳遞兩表面間輻射傳熱兩表面間輻射傳熱表面表面1輻射熱輻射熱表面表面2輻射熱輻射熱兩表面輻射傳熱兩表面輻射傳熱導(dǎo)熱、對流、輻射的區(qū)別 1. 導(dǎo)熱、對流只在有物質(zhì)存在的條件下，才能實現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)。 2.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。 輻射時：輻射體內(nèi)熱能輻射能 吸收時：輻射能受射體內(nèi)熱能3.物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有關(guān)。 輻射換熱的研究方法：輻射換熱的研究方法：假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻假設(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，真實物體的輻射的共性規(guī)律

18、，忽略其他因素，然后，真實物體的輻射則與黑體進行比較和修正，通過實驗獲得修正系數(shù)射則與黑體進行比較和修正，通過實驗獲得修正系數(shù)，從而獲得真實物體的熱輻射規(guī)律，從而獲得真實物體的熱輻射規(guī)律 黑體的定義：黑體的定義：把吸收率等于把吸收率等于 1 1 的物體稱黑體，是一種的物體稱黑體，是一種假想的理想物體。能吸收投入到其表面上的所有熱輻假想的理想物體。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，因此，相同溫射的物體，包括所有方向和所有波長，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強度下，黑體的吸收能力最強 ，黑體輻射的控制方程：黑體輻射的控制方程： Stefan-Boltzmann S

19、tefan-Boltzmann 定律定律 44)100(TACTAbbr熱輻射的基本規(guī)律熱輻射的基本規(guī)律根據(jù)Stefan（1879）-Boltzmann（1884）定律 黑體輻射熱流量-黑體輻射表面積，m2； -斯忒潘-玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），5.6710-8 Cb 黑體輻射系數(shù)，5.67 T-黑體的熱力學(xué)溫度，K；b)(424121TTq42T1T2T兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱41T 兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱 )(4241TTA2、冬夏室內(nèi)溫度相同，為什么冬天穿毛衣，夏天穿T恤？思考冬季圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度較低，輻射傳熱量大 一根水平放置的蒸汽管道，

20、 其保溫層外徑d=583 mm，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?shù)h=3.42 W /(m2 K), 保溫層外表面的發(fā)射率CtCtfw23,489 . 0問：（1） 此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式； （2）計算每米長度管道的總散熱量。解：解：（1 1）此管道的散熱有輻射換熱和自然對流換熱兩種方式。（2）把管道每米長度上的散熱量記為lqExample 1)(,fwclttdhthdq)/(5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW每米長度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為：)(4241,TTdqrl)/(7 .27

21、4)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW討論： 計算結(jié)果表明， 對于表面溫度為幾十?dāng)z氏度的一類表面的散熱問題， 自然對流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級，必須同時予以考慮。當(dāng)僅考慮自然對流時，單位長度上的自然對流散熱Example 2Known:Known: 管徑, 發(fā)射率, 房間內(nèi)墻的表面溫度，空氣溫度 ，管表面溫度，空氣對流傳熱系數(shù)Find:Find: 1) 管子的輻射力; 2) 單位長度管子的散熱量482442442824444200-25C47329:1.0.8(5.67 10 W/mK )(473K)2270W/m2.()()15W/mK(0

22、.07m)0.8(0.07m)5.67 10 W/m5774KW/mW/mK218ssssurETqhDLTTDLTTqAnalysisqLq 輻射傳熱的應(yīng)用 腫瘤熱療地板輻射采暖通過固體及靜止流體的導(dǎo)熱 表面向運動流體的對流傳熱兩個表面之間的凈輻射傳熱總總 結(jié)結(jié)dxdtA )(4241112, 1TTAtAh 傅里葉導(dǎo)熱基本定律傅里葉導(dǎo)熱基本定律牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式斯忒潘斯忒潘-玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律4TA熱傳導(dǎo)：分子隨機熱運動造成的能量擴散熱對流：分子隨機運動造成的能量擴散加上整體運動引起的能量傳輸熱輻射：借電磁波進行的能量傳輸工程實例定性分析工程實例定性分析對流傳熱對流傳熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱

23、對流傳熱對流傳熱輻射傳熱輻射傳熱1.3 傳熱過程和傳熱系數(shù) 傳熱過程(overall heat transfer process)是指熱量從固體壁面一側(cè)的流體通過固體壁面?zhèn)鬟f到另一側(cè)流體的過程。 傳熱過程由三個相互串聯(lián)的環(huán)節(jié)組成:高溫流體低溫流體固體壁 （1）熱量從高溫流體以對流傳熱（或?qū)α鲹Q熱輻射換熱）的方式傳給壁面； （2）熱量從一側(cè)壁面以導(dǎo)熱的方式傳遞到另一側(cè)壁面； （3）熱量從低溫流體側(cè)壁面以對流傳熱（或?qū)α鲹Q熱輻射換熱）的方式傳給低溫流體。 1.3.1 傳熱方程式通過平壁的穩(wěn)態(tài)傳熱過程 假設(shè)： tf1、tf2、h1、h2不隨時間變化；為常數(shù)。 （1）左側(cè)的對流傳熱 1f1w1qh t

24、tf1w111tthf1w11httR（2）平壁的導(dǎo)熱 w1w2ttqw1w2tt w1w2ttR tw2 tw1 0 xt h1 tf1 h2 tf2 （3）右側(cè)的對流傳熱 2w2f2qh ttw2f221tthw2f22httR在穩(wěn)態(tài)情況下，以上三式的熱流密度相同11112222/fwwwwfqtthqttqtth f1f 21211ttqhhf1f 2qk ttf1f 2Ak tt k為傳熱系數(shù)12111khh傳熱系數(shù)表征傳熱過程強烈傳熱系數(shù)表征傳熱過程強烈程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。與過程有關(guān)。 它的大小取決它的大小取決于兩種流體的物理性質(zhì)，流于兩種流體的物理性質(zhì)，流速，故體表面的形狀與布置，速，故體表面的形狀與布置，材料的導(dǎo)熱系數(shù)等因素。材料的導(dǎo)熱系數(shù)等因素。12khhRRRRqtw1 R1hR2hRtw2 tf1 tf2 傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)： 1.3.2 傳熱熱阻12111khh12111khhf1f 2Ak tt 1tAk 此式與歐姆定律 比較， 具有電阻之功能。 由此可見：傳熱過程熱阻是由各構(gòu)成環(huán)節(jié)的熱阻組成。 串聯(lián)熱阻疊加原則：在一個串聯(lián)的熱量傳遞過程中，如果通過各個環(huán)節(jié)的熱流量都相等，