傳熱學(xué)-第1章-緒論

1、傳熱學(xué)傳熱學(xué)第第 1 章章 緒論緒論第第1 1章章 緒論緒論內(nèi)容要求內(nèi)容要求v傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容；傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容；v熱量傳遞的三種基本方式；熱量傳遞的三種基本方式；v傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)；傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)；v傳熱學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史；傳熱學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史；v傳熱學(xué)的研究方法。傳熱學(xué)的研究方法。 1. 傳熱學(xué)傳熱學(xué)（heat transfer） 是研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。是研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。 1.1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及其在科學(xué)傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及其在科學(xué) 技術(shù)和工程中的應(yīng)用技術(shù)和工程中的應(yīng)用 1.1.1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容 1.1.2 傳熱學(xué)研究中的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)傳熱

2、學(xué)研究中的連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 假設(shè)所研究的物體中的溫度、密度、速度、假設(shè)所研究的物體中的溫度、密度、速度、 壓力等物理參數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)。壓力等物理參數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)。說(shuō)明說(shuō)明氣體：要求被研究物體的幾何尺寸氣體：要求被研究物體的幾何尺寸 遠(yuǎn)大于分子間的平均自由程。遠(yuǎn)大于分子間的平均自由程。 1.1.3 傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系 最根本的區(qū)別：最根本的區(qū)別： 工程熱力學(xué)研究處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)；工程熱力學(xué)研究處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)； 傳熱學(xué)研究有溫差存在時(shí)的熱量傳遞規(guī)律。傳熱學(xué)研究有溫差存在時(shí)的熱量傳遞規(guī)律。 相互聯(lián)系：相互聯(lián)系： 工程熱力學(xué)的第一，第二定律是進(jìn)行傳熱研究工程

3、熱力學(xué)的第一，第二定律是進(jìn)行傳熱研究 的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。水桶內(nèi)灼熱鋼棒的水桶內(nèi)灼熱鋼棒的冷卻過(guò)程冷卻過(guò)程 研究平衡體系。計(jì)算鋼棒在冷卻研究平衡體系。計(jì)算鋼棒在冷卻 過(guò)程中散失的熱量。過(guò)程中散失的熱量。 鋼棒和水組成的系統(tǒng)最終的平衡溫度。鋼棒和水組成的系統(tǒng)最終的平衡溫度。 熱力學(xué)：熱力學(xué)： 傳熱學(xué)：傳熱學(xué)： 需要多長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡狀態(tài)，即熱傳播需要多長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡狀態(tài)，即熱傳播 的速率。的速率。 達(dá)到平衡狀態(tài)前某一時(shí)刻鋼棒的溫度是多少？達(dá)到平衡狀態(tài)前某一時(shí)刻鋼棒的溫度是多少？ 即鋼棒和水的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。即鋼棒和水的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。舉例舉例 1.1.4 傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域中

4、的應(yīng)用傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用 可歸納為三種類型的問(wèn)題：可歸納為三種類型的問(wèn)題：（1）強(qiáng)化傳熱；在一定條件下增加所傳遞的熱量。）強(qiáng)化傳熱；在一定條件下增加所傳遞的熱量。（2）削弱傳熱：在一定溫差下使熱量傳遞減到最小。）削弱傳熱：在一定溫差下使熱量傳遞減到最小。（3）溫度控制）溫度控制例如：室內(nèi)暖氣片的散熱，電器設(shè)備的散熱等。例如：室內(nèi)暖氣片的散熱，電器設(shè)備的散熱等。例如：暖水瓶等。例如：暖水瓶等。 1.2 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式 熱量傳遞的三種基本方式：熱量傳遞的三種基本方式： 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)（conduction） 熱對(duì)流熱對(duì)流（convection） 熱輻射熱輻

5、射（radiation） 1. 定義：定義： 物體的各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠物體的各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠 分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而 產(chǎn)生的熱量傳遞過(guò)程。產(chǎn)生的熱量傳遞過(guò)程。 無(wú)論固體，液體和氣體，只要有溫度差，無(wú)論固體，液體和氣體，只要有溫度差， 在接觸時(shí)就會(huì)發(fā)生導(dǎo)熱現(xiàn)象。在接觸時(shí)就會(huì)發(fā)生導(dǎo)熱現(xiàn)象。 單純的導(dǎo)熱，只能發(fā)生在密實(shí)的固體中。單純的導(dǎo)熱，只能發(fā)生在密實(shí)的固體中。說(shuō)明說(shuō)明 1.2.1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)（conduction） 2. 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的傅里葉定律一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的傅里葉定律 （Fouriers law of o

6、ne-dimensional steady state heat-conduction） 考察兩個(gè)表面均維持均勻溫度的大平板導(dǎo)熱考察兩個(gè)表面均維持均勻溫度的大平板導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的傅里葉定律：一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的傅里葉定律： 22121/mWttxdtdAqWttAxdtdAwwww一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法國(guó)數(shù)學(xué)法國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家物理學(xué)家Joseph .Fourier（1768-1830） 熱流量熱流量（heat transfer-rate） 單位單位時(shí)間通過(guò)給定面積傳遞的熱量。時(shí)間通過(guò)給定面積傳遞的熱量。W, kW式中：式中： 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)（the thermal conductivity）

7、反映了材料的導(dǎo)熱能力。反映了材料的導(dǎo)熱能力。 W/(m.K) 2/ mWAqWxdtdAq 熱流密度熱流密度（heat flux） 單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量。單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量。W/m2dt/dx 熱流方向上的溫度梯度。熱流方向上的溫度梯度。 負(fù)號(hào)的含義負(fù)號(hào)的含義溫度梯度的溫度梯度的方向？方向？熱量傳遞熱量傳遞的方向？的方向？ 1. 熱對(duì)流和對(duì)流換熱熱對(duì)流和對(duì)流換熱 熱對(duì)流熱對(duì)流 是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分 之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，冷熱流體相互摻混所引起的之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，冷熱流體相互摻混所引起的 熱量傳遞過(guò)程。熱量傳遞過(guò)程

8、。 對(duì)流換熱對(duì)流換熱（convection heat transfer） 流體流過(guò)另一個(gè)物體表面時(shí)，流體流過(guò)另一個(gè)物體表面時(shí)， 流體與物體表面之間發(fā)生的流體與物體表面之間發(fā)生的 對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合起作用對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合起作用的熱量的熱量 傳遞現(xiàn)象。傳遞現(xiàn)象。 平壁表面的平壁表面的傳熱機(jī)理傳熱機(jī)理 1.2.2 熱對(duì)流熱對(duì)流（convection） 2. 牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式（Newtons law of cooling）2/)()(mWthtthqWtthAfwfw式中：式中：h 對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 。W/m2.K （the convection heat transfe

9、r coefficient） t 壁面及流體間的總溫差。壁面及流體間的總溫差。A 換熱表面積。換熱表面積。英國(guó)數(shù)學(xué)家，科學(xué)家，哲學(xué)家牛頓英國(guó)數(shù)學(xué)家，科學(xué)家，哲學(xué)家牛頓Isaac Newton（1642年年-1727年）年） 3. 對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù) （1）其大小反映了對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。其大小反映了對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。 流體的物性：導(dǎo)熱系數(shù)流體的物性：導(dǎo)熱系數(shù), 粘度粘度, 密度密度, 比熱容等。比熱容等。 流動(dòng)的成因：自然對(duì)流流動(dòng)的成因：自然對(duì)流, 強(qiáng)制對(duì)流。強(qiáng)制對(duì)流。 流動(dòng)的形態(tài)：層流流動(dòng)的形態(tài)：層流, 紊流。紊流。 換熱表面的形狀、大小和布置。換熱表面的形狀、大小和布置。 換熱時(shí)流體有無(wú)相

10、變：沸騰換熱換熱時(shí)流體有無(wú)相變：沸騰換熱, 凝結(jié)換熱。凝結(jié)換熱。（3）影響因素：）影響因素：（2）研究對(duì)流換熱的主要目的之一）研究對(duì)流換熱的主要目的之一 就是確定不同換熱條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的就是確定不同換熱條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的 具體表達(dá)式。具體表達(dá)式。室內(nèi)暖氣片周圍氣體的自然對(duì)流室內(nèi)暖氣片周圍氣體的自然對(duì)流 自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱地面熱氣體的上升地面熱氣體的上升 強(qiáng)迫對(duì)流換熱強(qiáng)迫對(duì)流換熱汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻室內(nèi)外冷熱空氣的交換室內(nèi)外冷熱空氣的交換 物體表面的形狀、大小和布置物體表面的形狀、大小和布置加熱熱水沸騰加熱熱水沸騰冷凝器內(nèi)過(guò)熱蒸汽的冷凝冷凝器內(nèi)過(guò)熱蒸汽的冷凝 有相變的換熱

11、（沸騰換熱有相變的換熱（沸騰換熱, 凝結(jié)換熱）凝結(jié)換熱）管內(nèi)流動(dòng)管內(nèi)流動(dòng)外部繞流外部繞流 幾種對(duì)流傳熱過(guò)程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大致數(shù)值范圍幾種對(duì)流傳熱過(guò)程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大致數(shù)值范圍換熱過(guò)程換熱過(guò)程介質(zhì)介質(zhì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h W/mh W/m2 2.K .K 自然對(duì)流自然對(duì)流空氣空氣1-10水水200-1000強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流氣體氣體20-100高壓水蒸氣高壓水蒸氣500-35000水水1000-1500水的相變換熱水的相變換熱沸騰沸騰2500-35000蒸汽凝結(jié)蒸汽凝結(jié)5000-25000 熱輻射：物體由于受熱向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。熱輻射：物體由于受熱向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。 1. 熱輻射的

12、有關(guān)概念熱輻射的有關(guān)概念 1.2.3 熱輻射熱輻射（radiation ） 輻射：是指物體受到某種因素的激發(fā)而向外發(fā)射輻射：是指物體受到某種因素的激發(fā)而向外發(fā)射 輻射能的現(xiàn)象。輻射能的現(xiàn)象。 受熱，電子碰撞，受熱，電子碰撞， 光照，化學(xué)反應(yīng)等。光照，化學(xué)反應(yīng)等。 輻射換熱輻射換熱（radiation heat transfer） 物體物體間以輻射方式進(jìn)行的包含間以輻射方式進(jìn)行的包含 輻射與吸收過(guò)程綜合結(jié)果的熱量輻射與吸收過(guò)程綜合結(jié)果的熱量 傳遞過(guò)程。傳遞過(guò)程。（2）所有溫度大于）所有溫度大于 0K 的實(shí)際物體都具有發(fā)射的實(shí)際物體都具有發(fā)射 熱輻射的能力。熱輻射的能力。（3）熱輻射過(guò)程中不僅有能

13、量的傳遞，）熱輻射過(guò)程中不僅有能量的傳遞， 而且有能量形式的轉(zhuǎn)化。而且有能量形式的轉(zhuǎn)化。（1）可以不依靠中間媒介，在真空中傳播。）可以不依靠中間媒介，在真空中傳播。熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能輻射能輻射能 熱輻射的特點(diǎn)熱輻射的特點(diǎn) 2. 輻射的基本計(jì)算公式輻射的基本計(jì)算公式 黑體輻射的斯忒藩黑體輻射的斯忒藩 - 波耳茲曼定律；波耳茲曼定律；4TA 式中式中: 黑體輻射常數(shù)，黑體輻射常數(shù)，)/(1067. 5428KmW 實(shí)際物體輻射熱流量；實(shí)際物體輻射熱流量；4TA 式中式中: 物體的發(fā)射率（黑度）。物體的發(fā)射率（黑度）。 實(shí)際的傳熱過(guò)程實(shí)際的傳熱過(guò)程熱熱水水對(duì)流換熱對(duì)流換熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱對(duì)流換

14、熱對(duì)流換熱輻射換熱輻射換熱內(nèi)內(nèi)壁壁外外壁壁周圍周圍環(huán)境環(huán)境 暖氣片的散熱過(guò)程：暖氣片的散熱過(guò)程： 蒸汽動(dòng)力裝置中冷凝器的放熱過(guò)程：蒸汽動(dòng)力裝置中冷凝器的放熱過(guò)程：凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱對(duì)流換熱對(duì)流換熱蒸蒸汽汽冷卻冷卻水水管子管子內(nèi)壁內(nèi)壁管子管子外壁外壁 1.3 傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù) 傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程（overall heat transfer process） 熱量從固體壁面一側(cè)的流體通過(guò)固體壁面?zhèn)鬟f熱量從固體壁面一側(cè)的流體通過(guò)固體壁面?zhèn)鬟f 到另一側(cè)流體中的過(guò)程。到另一側(cè)流體中的過(guò)程。 傳熱過(guò)程的三個(gè)環(huán)節(jié)：傳熱過(guò)程的三個(gè)環(huán)節(jié)： 熱量以對(duì)流換熱的方式從高溫流體傳給壁面，熱量以對(duì)

15、流換熱的方式從高溫流體傳給壁面， 有時(shí)還有輻射換熱；有時(shí)還有輻射換熱； 熱量以導(dǎo)熱方式由高溫流體壁面?zhèn)鹘o熱量以導(dǎo)熱方式由高溫流體壁面?zhèn)鹘o 低溫流體壁面；低溫流體壁面； 熱量以對(duì)流換熱方式從低溫流體壁面?zhèn)鹘o熱量以對(duì)流換熱方式從低溫流體壁面?zhèn)鹘o 低溫流體，有時(shí)還有與周圍環(huán)境的輻射換熱。低溫流體，有時(shí)還有與周圍環(huán)境的輻射換熱。 考察：冷熱流體通過(guò)大平壁的熱量傳遞過(guò)程考察：冷熱流體通過(guò)大平壁的熱量傳遞過(guò)程 已知：一塊已知：一塊大平壁大平壁, 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) =常數(shù)，厚度常數(shù)，厚度 ， 平壁左側(cè)流體平壁左側(cè)流體 tf1, 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h1, 平壁右側(cè)流體平壁右側(cè)流體 tf2 ,表面?zhèn)鳠嵯?/p>

16、數(shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h2, 且且tf1 tf2 . 設(shè)平壁兩側(cè)流體溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不隨時(shí)間變化設(shè)平壁兩側(cè)流體溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不隨時(shí)間變化。 分析分析： （1）傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程 ； （2）通過(guò)平壁傳遞的熱量。通過(guò)平壁傳遞的熱量。 1.3.1 傳熱方程式傳熱方程式1111111111)(hwfwfwfRtthAtttthA高溫側(cè)：高溫側(cè)：通過(guò)平壁：通過(guò)平壁：RttAttttAwwwwww212121低溫側(cè)：低溫側(cè)：2222222221)(hfwfwfwRtthAtttthA2121212111)(11hhttAhAAhAttffff 穩(wěn)態(tài)傳熱：穩(wěn)態(tài)傳熱：)/()11/(1221KmWhhk 傳熱系

17、數(shù)：傳熱系數(shù)：或表示為；或表示為；)(21ffttkA說(shuō)明說(shuō)明傳熱系數(shù)是表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺。傳熱系數(shù)是表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺。WKRRRRhhk/21 傳熱熱阻：傳熱熱阻： 1.3.2 傳熱熱阻傳熱熱阻（overall thermal resistance）kffhhffffRttRRRtthAAhAtt212121212111t f1t w2tw1t f2R h1R h2R 模擬熱路：模擬熱路： 1.4 傳熱學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史和研究方法傳熱學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史和研究方法 1.4.1 傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 1.4.2 傳熱學(xué)的研究方法傳熱學(xué)的研究方法 1.理論分析：理論分析： 應(yīng)用數(shù)學(xué)分析理論，求解在給定條件下的微分應(yīng)用數(shù)學(xué)分析理論，求解在給定條件下的微分 方程，確定物體中各點(diǎn)的速度、溫度等函數(shù)。方程，確定物體中各點(diǎn)的速度、溫度等函數(shù)。 2.實(shí)驗(yàn)測(cè)定：實(shí)驗(yàn)測(cè)定： 在相似原理指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在相似原理指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 3. 數(shù)值模擬：數(shù)值模擬： 傳熱問(wèn)題數(shù)值計(jì)算。傳熱問(wèn)題數(shù)值計(jì)算。在有空調(diào)的房間內(nèi)，夏天和冬天的室溫在有空調(diào)的房間內(nèi)，夏天和冬天的室溫均控制在均控制在20，夏天只需穿襯衫，但冬天，夏天只需穿襯衫，但冬天穿襯衫會(huì)感到冷，這是為什么？穿襯衫會(huì)感到冷，這是為什么？例題例題1. 壓縮空氣在中間冷卻器的管外流過(guò)，壓