第四章-1-熱量傳遞基本方式

1、1第四章第四章 熱量傳遞的基本理論熱量傳遞的基本理論v熱量傳遞的基本方式熱量傳遞的基本方式v導(dǎo)熱基本定律及穩(wěn)態(tài)過(guò)程導(dǎo)熱基本定律及穩(wěn)態(tài)過(guò)程v非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱v對(duì)流換熱對(duì)流換熱v輻射換熱輻射換熱2什么是傳熱學(xué)？v傳熱學(xué)傳熱學(xué)研究研究在溫差作用下熱量傳在溫差作用下熱量傳遞遞規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。v熱力學(xué)第二定律指出，凡是有溫差的地方，熱力學(xué)第二定律指出，凡是有溫差的地方，就有熱量自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體。就有熱量自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體。v溫差無(wú)處不在，熱量傳遞是普遍現(xiàn)象。溫差無(wú)處不在，熱量傳遞是普遍現(xiàn)象。v一切熱能利用都離不開(kāi)傳熱。一切熱能利用都離不開(kāi)傳熱。3傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱

2、學(xué)的應(yīng)用v非常廣泛：非常廣泛：v 與機(jī)械工程、材料工程、石油化工、電子技術(shù)、機(jī)械工程、材料工程、石油化工、電子技術(shù)、環(huán)境控制工程、信息工程、航空航天、生物技術(shù)、環(huán)境控制工程、信息工程、航空航天、生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)和社會(huì)科學(xué)等學(xué)科的關(guān)系密切。醫(yī)學(xué)和社會(huì)科學(xué)等學(xué)科的關(guān)系密切。v 深入到這些學(xué)科領(lǐng)域，形成邊緣學(xué)科、交叉學(xué)深入到這些學(xué)科領(lǐng)域，形成邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科，出現(xiàn)新的學(xué)科交叉研究方向和許多前沿性研科，出現(xiàn)新的學(xué)科交叉研究方向和許多前沿性研究課題。究課題。微尺度傳熱問(wèn)題；微重力、零重力條件微尺度傳熱問(wèn)題；微重力、零重力條件下的傳熱問(wèn)題；生物活體組織的傳熱問(wèn)題等。下的傳熱問(wèn)題；生物活體組織的傳熱問(wèn)題等。

3、v在許多高科技領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用在許多高科技領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用4傳熱學(xué)解決的工程技術(shù)問(wèn)題傳熱學(xué)解決的工程技術(shù)問(wèn)題v熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)v設(shè)計(jì)某一換熱設(shè)備，使之達(dá)到預(yù)定的目的；設(shè)計(jì)某一換熱設(shè)備，使之達(dá)到預(yù)定的目的；v熱控制熱控制v控制某一物體，使之在熱影響下能滿(mǎn)足性能要求?？刂颇骋晃矬w，使之在熱影響下能滿(mǎn)足性能要求。5v傳熱學(xué)知識(shí)可以解釋某些現(xiàn)象。傳熱學(xué)知識(shí)可以解釋某些現(xiàn)象。v舉例說(shuō)明：舉例說(shuō)明：人感到冷或熱究竟是怎么回事？人感到冷或熱究竟是怎么回事？是否以溫度高低為衡量標(biāo)準(zhǔn)？是否以溫度高低為衡量標(biāo)準(zhǔn)？v（1）以人的體溫為標(biāo)準(zhǔn)？）以人的體溫為標(biāo)準(zhǔn)？NOv（2）以環(huán)境溫度為標(biāo)準(zhǔn)？）以環(huán)境溫度為

4、標(biāo)準(zhǔn)？NOv（3）以溫差大小為衡量標(biāo)準(zhǔn)？）以溫差大小為衡量標(biāo)準(zhǔn)？不對(duì)不對(duì)傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用人是恒溫動(dòng)物，人是恒溫動(dòng)物，但冬夏感覺(jué)相差大！但冬夏感覺(jué)相差大！空氣溫度一樣時(shí)，空氣溫度一樣時(shí)，有風(fēng)沒(méi)風(fēng)感覺(jué)明顯不同！有風(fēng)沒(méi)風(fēng)感覺(jué)明顯不同！在水和空氣中感覺(jué)不同！在水和空氣中感覺(jué)不同！散熱量小，感到熱；散熱量多，感到冷。散熱量小，感到熱；散熱量多，感到冷。6人體散熱量與舒適度的關(guān)系人體散熱量與舒適度的關(guān)系vq=58 W/m2時(shí)，時(shí)， 很熱很熱； vq=232 W/m2時(shí)，舒適時(shí)，舒適；vq=646 W/m2時(shí)，時(shí)，涼涼； vq=928 W/m2時(shí)，時(shí)，很冷很冷。 外界環(huán)境溫度高于人體溫度呢？外界環(huán)境

5、溫度高于人體溫度呢？人體吸收熱量，感覺(jué)人體吸收熱量，感覺(jué) “悶熱、烘烤悶熱、烘烤”！7v夏天吹風(fēng)扇為什么會(huì)感到?jīng)隹炷?？夏天吹風(fēng)扇為什么會(huì)感到?jīng)隹炷?？v冬天同樣氣溫下，為什么有風(fēng)比無(wú)風(fēng)時(shí)感到冬天同樣氣溫下，為什么有風(fēng)比無(wú)風(fēng)時(shí)感到更冷些？更冷些？v夏天，為什么呆在水里比在空氣中涼快呢？夏天，為什么呆在水里比在空氣中涼快呢？ v天冷時(shí)，蓋被子為什么會(huì)感到暖和呢？天冷時(shí)，蓋被子為什么會(huì)感到暖和呢？傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用生活中諸多傳熱現(xiàn)象生活中諸多傳熱現(xiàn)象89熱量傳遞基本理論的研究特點(diǎn)熱量傳遞基本理論的研究特點(diǎn)-1v熱力學(xué)和傳熱學(xué)的共同點(diǎn)：熱力學(xué)和傳熱學(xué)的共同點(diǎn)：研究熱現(xiàn)象研究熱現(xiàn)象。v但在研究角度、

6、內(nèi)容等方面卻有很大差別：但在研究角度、內(nèi)容等方面卻有很大差別：v (1)“時(shí)間時(shí)間”問(wèn)題問(wèn)題v工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)研究基礎(chǔ)是平衡態(tài)和可逆過(guò)程，研究基礎(chǔ)是平衡態(tài)和可逆過(guò)程，v 均不涉及均不涉及“時(shí)間時(shí)間” 因素。因素。v傳熱學(xué)研究傳熱學(xué)研究時(shí)間是一個(gè)基本參量。時(shí)間是一個(gè)基本參量。v 沒(méi)有時(shí)間的概念，就沒(méi)有熱量傳遞的強(qiáng)、弱問(wèn)題，也就不沒(méi)有時(shí)間的概念，就沒(méi)有熱量傳遞的強(qiáng)、弱問(wèn)題，也就不存在熱設(shè)計(jì)和熱控制等問(wèn)題。存在熱設(shè)計(jì)和熱控制等問(wèn)題。10v工程熱力學(xué)中，熱量工程熱力學(xué)中，熱量Q的單位的單位J或或kJ。v傳熱學(xué)中傳熱學(xué)中，主要物理量以時(shí)間做分母，關(guān)心單位時(shí)間內(nèi)，主要物理量以時(shí)間做分母，關(guān)心單位時(shí)間內(nèi)

7、傳遞多少熱量。傳遞多少熱量。v 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一給定面積單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一給定面積A的熱量，的熱量，W。v 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量，W/m2。v 1 W=1 J/s 1 kW=103 WqA11熱量傳遞基本理論的研究特點(diǎn)熱量傳遞基本理論的研究特點(diǎn)-2v (2)(2)過(guò)程性質(zhì)過(guò)程性質(zhì)v可逆過(guò)程是工程熱力學(xué)研究的理論基礎(chǔ)之一?？赡孢^(guò)程是工程熱力學(xué)研究的理論基礎(chǔ)之一。 可逆的熱量傳遞過(guò)程可逆的熱量傳遞過(guò)程在溫差趨于零或無(wú)限小在溫差趨于零或無(wú)限小時(shí)進(jìn)行的。時(shí)進(jìn)行的。v但實(shí)際工程中，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，沒(méi)有一定的溫差就但實(shí)際工程中，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，沒(méi)有一定的溫差

8、就不可能有傳熱。不可能有傳熱。v傳熱學(xué)傳熱學(xué)研究在一定溫差下進(jìn)的熱量傳遞過(guò)程，研究在一定溫差下進(jìn)的熱量傳遞過(guò)程，溫差的大小是研究的內(nèi)容。溫差的大小是研究的內(nèi)容。因此，傳熱學(xué)研究的因此，傳熱學(xué)研究的熱量傳遞都是不可逆的、無(wú)功過(guò)程。熱量傳遞都是不可逆的、無(wú)功過(guò)程。12熱量傳遞基本理論的研究特點(diǎn)熱量傳遞基本理論的研究特點(diǎn)-3v (3)研究?jī)?nèi)容和方法研究?jī)?nèi)容和方法v工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)都是以經(jīng)驗(yàn)定律為基礎(chǔ)進(jìn)行工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)都是以經(jīng)驗(yàn)定律為基礎(chǔ)進(jìn)行熱現(xiàn)象研究的學(xué)科。熱現(xiàn)象研究的學(xué)科。但是，熱力學(xué)不涉及物體和但是，熱力學(xué)不涉及物體和熱工設(shè)備內(nèi)不同時(shí)刻的溫度分布狀況，而這恰恰熱工設(shè)備內(nèi)不同時(shí)刻的溫度分布狀

9、況，而這恰恰是傳熱學(xué)最感興趣的問(wèn)題。是傳熱學(xué)最感興趣的問(wèn)題。v從研究解決問(wèn)題的方法而言，工程熱力學(xué)是在經(jīng)從研究解決問(wèn)題的方法而言，工程熱力學(xué)是在經(jīng)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，以推論、演繹得出的普適結(jié)論驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，以推論、演繹得出的普適結(jié)論和公式為依據(jù)，來(lái)分析、計(jì)算和解決問(wèn)題的。和公式為依據(jù)，來(lái)分析、計(jì)算和解決問(wèn)題的。v傳熱學(xué)除解析法外，還有數(shù)值求解法。對(duì)于大量傳熱學(xué)除解析法外，還有數(shù)值求解法。對(duì)于大量復(fù)雜的熱傳遞問(wèn)題，還必須借助于實(shí)驗(yàn)法，利用復(fù)雜的熱傳遞問(wèn)題，還必須借助于實(shí)驗(yàn)法，利用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式去解決問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式去解決問(wèn)題。13傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)v舉例：一杯熱水的冷卻過(guò)程舉例：一杯

10、熱水的冷卻過(guò)程v工程熱力學(xué)可以告訴：工程熱力學(xué)可以告訴：v（1 1）最終可以冷卻到室溫；）最終可以冷卻到室溫；v（2 2）熱水降到室溫時(shí)所放出的總熱量。）熱水降到室溫時(shí)所放出的總熱量。v但是：但是：v這杯熱水冷卻到室溫需要多長(zhǎng)時(shí)間？這杯熱水冷卻到室溫需要多長(zhǎng)時(shí)間？v冷卻過(guò)程中某個(gè)瞬間熱水的溫度是多少？冷卻過(guò)程中某個(gè)瞬間熱水的溫度是多少？v這些問(wèn)題就是傳熱學(xué)所要解決的。這些問(wèn)題就是傳熱學(xué)所要解決的。v傳熱學(xué)不僅研究能量傳遞的量，而且研究能量傳遞的速率傳熱學(xué)不僅研究能量傳遞的量，而且研究能量傳遞的速率。14傳熱學(xué)的任務(wù)傳熱學(xué)的任務(wù)v兩大類(lèi)：兩大類(lèi)：v1、著眼于熱量傳遞速率、著眼于熱量傳遞速率v確定

11、熱量傳遞的速率（大小、快慢）確定熱量傳遞的速率（大小、快慢）v目的：強(qiáng)化傳熱、削弱傳熱。目的：強(qiáng)化傳熱、削弱傳熱。v2、著眼于物體內(nèi)部溫度場(chǎng)、著眼于物體內(nèi)部溫度場(chǎng)v確定物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布確定物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布v目的多個(gè)目的多個(gè)v 現(xiàn)象判斷：現(xiàn)象判斷：v 溫度控制：溫度控制：v 熱應(yīng)力、熱變形的計(jì)算。熱應(yīng)力、熱變形的計(jì)算。軍事和醫(yī)學(xué)：紅外熱像儀；熱療腫瘤。軍事和醫(yī)學(xué)：紅外熱像儀；熱療腫瘤。工件、焊接件、高溫密封件、電子器件；工件、焊接件、高溫密封件、電子器件；隔熱油管、采油井筒、航天器返回大氣層的熱防護(hù)。隔熱油管、采油井筒、航天器返回大氣層的熱防護(hù)。151617傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用v應(yīng)用

12、非常廣泛：應(yīng)用非常廣泛：v 與機(jī)械工程、材料工程、石油化工、電子技術(shù)、機(jī)械工程、材料工程、石油化工、電子技術(shù)、環(huán)境控制工程、信息工程、航空航天、生物技術(shù)、環(huán)境控制工程、信息工程、航空航天、生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)和社會(huì)科學(xué)等學(xué)科的關(guān)系密切；深入到這些醫(yī)學(xué)和社會(huì)科學(xué)等學(xué)科的關(guān)系密切；深入到這些學(xué)科領(lǐng)域，形成邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科，出現(xiàn)新的學(xué)科領(lǐng)域，形成邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科，出現(xiàn)新的學(xué)科交叉研究方向和許多前沿性研究課題。學(xué)科交叉研究方向和許多前沿性研究課題。v 微尺度傳熱問(wèn)題；微重力、零重力條件下的傳微尺度傳熱問(wèn)題；微重力、零重力條件下的傳熱問(wèn)題；生物活體組織的傳熱問(wèn)題等。熱問(wèn)題；生物活體組織的傳熱問(wèn)題等。v在許

13、多高科技領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用在許多高科技領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用18一、日常生活一、日常生活v傳熱學(xué)知識(shí)可以解釋某些現(xiàn)象。傳熱學(xué)知識(shí)可以解釋某些現(xiàn)象。v舉例說(shuō)明：舉例說(shuō)明：人感到冷和熱究竟是怎么回事？人感到冷和熱究竟是怎么回事？是否以溫度高低為衡量標(biāo)準(zhǔn)？是否以溫度高低為衡量標(biāo)準(zhǔn)？v（1）以人的體溫為標(biāo)準(zhǔn)？）以人的體溫為標(biāo)準(zhǔn)？NOv（2）以環(huán)境溫度為標(biāo)準(zhǔn)？）以環(huán)境溫度為標(biāo)準(zhǔn)？NOv（3）以溫差大小為衡量標(biāo)準(zhǔn)？）以溫差大小為衡量標(biāo)準(zhǔn)？不對(duì)不對(duì)傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用人是恒溫動(dòng)物，人是恒溫動(dòng)物，但冬夏感覺(jué)相差大！但冬夏感覺(jué)相差大！空氣溫度一樣時(shí)，空氣溫度一樣時(shí)，有風(fēng)沒(méi)風(fēng)感覺(jué)明顯不同！有風(fēng)沒(méi)風(fēng)感覺(jué)

14、明顯不同！在水和空氣中感覺(jué)在水和空氣中感覺(jué)散熱量小，感到熱；散熱量多，感到冷。散熱量小，感到熱；散熱量多，感到冷。19人體散熱量與舒適度的關(guān)系人體散熱量與舒適度的關(guān)系vq=58 W/m2時(shí)，時(shí)， 很熱很熱； vq=232 W/m2時(shí)，舒適時(shí)，舒適；vq=646 W/m2時(shí)，時(shí)，涼涼； vq=928 W/m2時(shí)，時(shí)，很冷很冷。 外界環(huán)境溫度高于人體溫度呢？外界環(huán)境溫度高于人體溫度呢？人體吸收熱量，感覺(jué)人體吸收熱量，感覺(jué) “悶熱、烘烤悶熱、烘烤”！20v夏天吹風(fēng)扇為什么會(huì)感到?jīng)隹炷兀肯奶齑碉L(fēng)扇為什么會(huì)感到?jīng)隹炷?？v冬天同樣氣溫下，為什么有風(fēng)比無(wú)風(fēng)時(shí)感到冬天同樣氣溫下，為什么有風(fēng)比無(wú)風(fēng)時(shí)感到更冷些？

15、更冷些？v夏天，為什么呆在水里比在空氣中涼快呢？夏天，為什么呆在水里比在空氣中涼快呢？ v天冷時(shí)，蓋被子為什么會(huì)感到暖和呢？天冷時(shí)，蓋被子為什么會(huì)感到暖和呢？v吃火鍋的時(shí)候，有辣椒油的火鍋會(huì)比清湯鍋吃火鍋的時(shí)候，有辣椒油的火鍋會(huì)比清湯鍋開(kāi)得快，為什么？開(kāi)得快，為什么？傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用生活中諸多傳熱現(xiàn)象生活中諸多傳熱現(xiàn)象21v地膜覆蓋；地膜覆蓋；v溫室暖房；溫室暖房；v塑料大棚；塑料大棚；v農(nóng)副產(chǎn)品的儲(chǔ)存和干燥。農(nóng)副產(chǎn)品的儲(chǔ)存和干燥。傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用二、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)二、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)22v傳熱的應(yīng)用與影響幾乎遍及現(xiàn)代所有的工業(yè)部門(mén)傳熱的應(yīng)用與影響幾乎遍及現(xiàn)代所有的工業(yè)部門(mén)v傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域：

16、能源動(dòng)力、冶金、化工、交通、建筑建材、機(jī)械、食品傳熱學(xué)占主導(dǎo)v高新技術(shù)領(lǐng)域：航空航天、核能、微電子、材料、環(huán)境工程、新能源有賴(lài)于應(yīng)用傳熱學(xué)的最新研究成果 v交叉學(xué)科：相變與多相流傳熱、低溫傳熱、微尺度傳熱、生物傳熱 傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用三、工業(yè)領(lǐng)域三、工業(yè)領(lǐng)域231、傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域能源動(dòng)力v電力對(duì)各個(gè)國(guó)家重要性是不言而喻的。電力對(duì)各個(gè)國(guó)家重要性是不言而喻的。v從發(fā)電的角度講，從發(fā)電的角度講，水電、火電、核電、風(fēng)電水電、火電、核電、風(fēng)電等都是將機(jī)械等都是將機(jī)械能通過(guò)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。但是機(jī)械能的來(lái)源不同，水力能通過(guò)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。但是機(jī)械能的來(lái)源不同，水力落差；核電裂變釋放的核能，風(fēng)力氣流；火電

17、燃料落差；核電裂變釋放的核能，風(fēng)力氣流；火電燃料燃燒等。燃燒等。目前我國(guó)電能目前我國(guó)電能70%70%來(lái)自火電。來(lái)自火電。 v火力發(fā)電廠(chǎng)中的能量轉(zhuǎn)換原理：火力發(fā)電廠(chǎng)中的能量轉(zhuǎn)換原理：v燃料化學(xué)能燃料化學(xué)能水蒸氣的熱能水蒸氣的熱能機(jī)械能機(jī)械能電能電能v這種轉(zhuǎn)換需要工質(zhì)這種轉(zhuǎn)換需要工質(zhì)水蒸氣，還需一套蒸汽動(dòng)力設(shè)備。水蒸氣，還需一套蒸汽動(dòng)力設(shè)備。傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用242 2、高新技術(shù)領(lǐng)域、高新技術(shù)領(lǐng)域v傳熱學(xué)的應(yīng)用不僅范圍廣，而且有時(shí)起著關(guān)鍵性作用。（1 1）電子設(shè)備中大規(guī)模集成電路的散熱）電子設(shè)備中大規(guī)模集成電路的散熱v已成為保證設(shè)備的可靠性和安全性的重要問(wèn)題。已成為保證設(shè)備的可靠性和安全性的

18、重要問(wèn)題。v舉例：計(jì)算機(jī)內(nèi)舉例：計(jì)算機(jī)內(nèi)CPUCPU中央處理器上安裝有中央處理器上安裝有散熱片散熱片與一組與一組散散熱風(fēng)扇等熱風(fēng)扇等，目的是加強(qiáng)，目的是加強(qiáng)CPUCPU的散熱。的散熱。v要獲得新一代的電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，關(guān)鍵之一要獲得新一代的電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，關(guān)鍵之一解決電子元解決電子元件的有效散熱件的有效散熱。v目前，芯片冷卻已從風(fēng)冷向目前，芯片冷卻已從風(fēng)冷向液體直接冷卻液體直接冷卻發(fā)展。發(fā)展。v光學(xué)計(jì)算機(jī)光學(xué)計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)，可避開(kāi)電子器件冷卻的難題。的開(kāi)發(fā)，可避開(kāi)電子器件冷卻的難題。傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用25（2 2）航空航天領(lǐng)域）航空航天領(lǐng)域v傳熱學(xué)所起的作用功不可沒(méi)。v美國(guó)航空和宇宙航行局（

19、NASA）所作的技術(shù)分析，美國(guó)航天飛機(jī)技術(shù)關(guān)鍵只有“一個(gè)半”：v“半個(gè)”是大推力的液氫一液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)v“一個(gè)”關(guān)鍵則是所謂“熱防護(hù)系統(tǒng)”（ TPS），即指以航天飛機(jī)外表面的防熱瓦為主的整個(gè)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，被視為可反復(fù)使用的航天飛機(jī)成敗的最大關(guān)鍵。 v原因：航天飛機(jī)極端復(fù)雜的氣動(dòng)熱環(huán)境以及要求該防熱系統(tǒng)必須能夠重復(fù)使用造成的。 傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用26（3)3)航空航天領(lǐng)域航空航天領(lǐng)域v舉數(shù)字為證：v航天飛機(jī)在地球軌道上將反復(fù)地經(jīng)受困太陽(yáng)直接輻照產(chǎn)生的高溫和進(jìn)入地球陰影時(shí)面對(duì)接近0K的宇宙空間導(dǎo)致的低溫，溫度變化范圍達(dá)到-15755；同時(shí)還要經(jīng)受 1.3310-4Pa的高真空環(huán)境。v在以7.5

20、km/s的速度從120km高度重返地球大氣層時(shí)，飛行器表面的熱流密度大約達(dá)到2.5105W/m2，氣流局部溫度高達(dá)500015000K（機(jī)翼前緣和頭錐帽上的溫度高達(dá)1650?。﹙必須能夠經(jīng)受太陽(yáng)紫外線(xiàn)、高能粒子和微隕石可能的撞擊。傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用27（3 3）航空航天領(lǐng)域）航空航天領(lǐng)域v嚴(yán)酷環(huán)境要保證飛行安全，內(nèi)部的人員、設(shè)備不受任何干擾，必須采取特殊有效的熱防護(hù)措施。v目前采用由氧化硅纖維和氧化鋁纖維組成的第三代陶瓷瓦構(gòu)成的熱防護(hù)系統(tǒng)。傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用28四、石油工業(yè)v在石油工業(yè)存在著大量的傳熱學(xué)問(wèn)題。v1、在鉆井和固井工程中的應(yīng)用v2、在采油工程中的應(yīng)用v3、在油氣集輸工程

21、中的應(yīng)用v4、在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用v了解傳熱學(xué)的應(yīng)用背景。傳熱學(xué)的應(yīng)用傳熱學(xué)的應(yīng)用293031第一節(jié)第一節(jié) 熱量傳遞熱量傳遞 的三種基本方式簡(jiǎn)介的三種基本方式簡(jiǎn)介32l熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) (thermal conduction)；l熱對(duì)流熱對(duì)流 (thermal convection)；l熱輻射熱輻射 (thermal radiation)。4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介33（一）（一）熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱）導(dǎo)熱）當(dāng)物體內(nèi)有溫度差或兩個(gè)不同溫度的物體接觸當(dāng)物體內(nèi)有溫度差或兩個(gè)不同溫度的物體接觸時(shí)，在物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移的情況下，時(shí)，在物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移的情

22、況下，依靠物質(zhì)微觀(guān)粒子依靠物質(zhì)微觀(guān)粒子（分子、原子及自由電子等）（分子、原子及自由電子等）的的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。 導(dǎo)熱是物質(zhì)的固有本質(zhì)。導(dǎo)熱是物質(zhì)的固有本質(zhì)。4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介342 2、導(dǎo)熱的基本公式、導(dǎo)熱的基本公式通過(guò)平壁的導(dǎo)熱量：通過(guò)平壁的導(dǎo)熱量：tA 熱導(dǎo)率或?qū)嵯禂?shù)，熱導(dǎo)率或?qū)嵯禂?shù)，W/(mK)，表明材料的導(dǎo)熱能力。表明材料的導(dǎo)熱能力。tw1 tw2tAq4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介A 1 w1w2ttt 引入比例系數(shù)引入比例系數(shù) 厚度厚度截面面積截面面積35 熱對(duì)流是熱

23、對(duì)流是宏觀(guān)熱對(duì)流與微觀(guān)導(dǎo)熱宏觀(guān)熱對(duì)流與微觀(guān)導(dǎo)熱聯(lián)合作用的聯(lián)合作用的結(jié)果，同時(shí)受到結(jié)果，同時(shí)受到熱量傳遞規(guī)律熱量傳遞規(guī)律和和流體流動(dòng)規(guī)律流體流動(dòng)規(guī)律的支配，是一種十分復(fù)雜的熱量傳遞現(xiàn)象。的支配，是一種十分復(fù)雜的熱量傳遞現(xiàn)象。4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介36 2 2、熱對(duì)流、熱對(duì)流例子：例子： 上飄中的熱煙氣與空氣間的換熱；上飄中的熱煙氣與空氣間的換熱； “一去二三里，煙村四五家一去二三里，煙村四五家”。 4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介暖氣片附近熱空氣與冷空氣間的換熱。暖氣片附近熱空氣與冷空氣間的換熱。 熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中（熱對(duì)流僅發(fā)

24、生在流體中（液體或氣體液體或氣體） 。37（2 2）對(duì)流換熱）對(duì)流換熱（convection heat transfer) )定義：定義：流動(dòng)著的流體與所接觸的固體表面間由于溫度不同流動(dòng)著的流體與所接觸的固體表面間由于溫度不同而引起的熱量傳遞現(xiàn)象，稱(chēng)為而引起的熱量傳遞現(xiàn)象，稱(chēng)為表面對(duì)流傳熱。表面對(duì)流傳熱。v簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)流傳熱，對(duì)流傳熱，熱對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合作用的結(jié)果。熱對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合作用的結(jié)果。對(duì)流換熱發(fā)生的三個(gè)條件：對(duì)流換熱發(fā)生的三個(gè)條件：v（1 1）流體必須與固體壁面接觸；）流體必須與固體壁面接觸；v（2 2）流體必須是流動(dòng)著的；）流體必須是流動(dòng)著的；v（3 3）壁面和流體間存在溫差。）壁面和流

25、體間存在溫差。靜止的流體薄層靜止的流體薄層 （導(dǎo)熱）（導(dǎo)熱） 宏觀(guān)流動(dòng)宏觀(guān)流動(dòng)（熱對(duì)流）（熱對(duì)流）twtf4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介38沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介39對(duì)流換熱的實(shí)例對(duì)流換熱的實(shí)例v物體表面與空氣間的換熱過(guò)程物體表面與空氣間的換熱過(guò)程v暖氣片表面和室內(nèi)空氣的熱交換暖氣片表面和室內(nèi)空氣的熱交換v管內(nèi)流體與管內(nèi)壁的換熱管內(nèi)流體與管內(nèi)壁的換熱v鉆井液、油井產(chǎn)液等在管內(nèi)或管外與管壁的換熱等鉆井液、油井產(chǎn)液等在管內(nèi)或管外與管壁的換熱等v傳熱學(xué)研究有實(shí)際意義的對(duì)流換熱。傳熱學(xué)研究有實(shí)際意義

26、的對(duì)流換熱。4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介40（3）對(duì)流換熱量的計(jì)算對(duì)流換熱量的計(jì)算v牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式 qh t wfttt 流體被加熱：fwttt 流體被冷卻：比例系數(shù)比例系數(shù)h稱(chēng)稱(chēng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2K)。A對(duì)流換熱面積，流體與固體壁面的接觸面積，對(duì)流換熱面積，流體與固體壁面的接觸面積，m2。hA t fwttt ，對(duì)流換熱溫差，亦稱(chēng)溫壓。4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介 At 41習(xí)慣稱(chēng)習(xí)慣稱(chēng)對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù)，單位，單位W/(m2 K)。h大小反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。大小反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。4-1 熱

27、量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介42夏天游泳涼快夏天游泳涼快有風(fēng)比無(wú)風(fēng)對(duì)流換熱強(qiáng)有風(fēng)比無(wú)風(fēng)對(duì)流換熱強(qiáng)4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介介質(zhì)：介質(zhì)：水水空氣空氣換熱方式：換熱方式：相變相變無(wú)相變無(wú)相變強(qiáng)制強(qiáng)制 自然自然43導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 和和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hv二者物理概念和單位不同。二者物理概念和單位不同。v導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 一個(gè)物性參數(shù)一個(gè)物性參數(shù)，與過(guò)程無(wú)關(guān)，僅取決，與過(guò)程無(wú)關(guān)，僅取決于材料的性質(zhì)、溫度等物理量。于材料的性質(zhì)、溫度等物理量。一旦材料及其溫度一一旦材料及其溫度一定，定， 值也就唯一地確定了，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。值也就唯一地確定

28、了，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。v表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h一個(gè)過(guò)程量一個(gè)過(guò)程量，不僅與流體物性有，不僅與流體物性有關(guān)，而且取決于多種復(fù)雜因素。關(guān)，而且取決于多種復(fù)雜因素。牛頓冷卻公式僅是牛頓冷卻公式僅是h的定義式。的定義式。確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分析計(jì)算是對(duì)流換熱確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分析計(jì)算是對(duì)流換熱研究的主要目的之一。研究的主要目的之一。v單位單位 是是W/(mK)， h是是W/(m2K)。4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介4445（1 1）熱輻射概念）熱輻射概念v輻射輻射物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式。物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式。v輻射能輻射能電磁波傳遞的能量。電磁波傳遞的能

29、量。v熱輻射熱輻射因因熱的原因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象, ,即即由于由于物體內(nèi)部微觀(guān)粒子的熱運(yùn)動(dòng)物體內(nèi)部微觀(guān)粒子的熱運(yùn)動(dòng)（內(nèi)熱能）內(nèi)熱能）而向外發(fā)射而向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象輻射能的現(xiàn)象。v熱輻射是物質(zhì)的固有屬性。熱輻射是物質(zhì)的固有屬性。凡是溫度高于凡是溫度高于0K的任何物體都不停地向空間發(fā)出輻射能。的任何物體都不停地向空間發(fā)出輻射能。4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介46熱輻射的基本特點(diǎn)熱輻射的基本特點(diǎn)與導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的本質(zhì)區(qū)別：與導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的本質(zhì)區(qū)別： (1)(1)不需要物體間的直接接觸，不需要物體間的直接接觸，可在真空中進(jìn)行，可在真空中進(jìn)行，

30、且在真空中輻射能傳遞最有效。且在真空中輻射能傳遞最有效。 (2)(2)在能量傳遞過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。在能量傳遞過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。熱能輻射能熱吸收能發(fā)射輻射能4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介47（2）物體的輻射能力）物體的輻射能力與物體的溫度和表面性質(zhì)有關(guān)。與物體的溫度和表面性質(zhì)有關(guān)。溫度越高，物體輻射能力越強(qiáng)。溫度越高，物體輻射能力越強(qiáng)。溫度相同而表面狀況不同時(shí)，輻射與吸收能力不同。溫度相同而表面狀況不同時(shí)，輻射與吸收能力不同。在同溫度的物體中，吸收本領(lǐng)和輻射本領(lǐng)最大。在同溫度的物體中，吸收本領(lǐng)和輻射本領(lǐng)最大。輻射熱流量輻射熱流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間發(fā)出的熱

31、輻射能單位時(shí)間發(fā)出的熱輻射能斯忒藩斯忒藩玻耳茲曼定律（又稱(chēng)四次方定律）玻耳茲曼定律（又稱(chēng)四次方定律） 為為斯忒藩斯忒藩玻耳茲曼常量，即黑體輻射常量玻耳茲曼常量，即黑體輻射常量4TA輻射表輻射表面積，面積，m2黑體表面黑體表面的熱力學(xué)的熱力學(xué)溫度，溫度，K)K W/(m1067. 5428 KCT273.15t4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介48（2）物體的輻射能力）物體的輻射能力 實(shí)際物體的輻射能力實(shí)際物體的輻射能力都小于都小于同溫度下黑體的同溫度下黑體的輻射能力。輻射能力。 實(shí)際物體輻射熱流量的計(jì)算：實(shí)際物體輻射熱流量的計(jì)算： 物體的發(fā)射率，物體的發(fā)射率，習(xí)慣上稱(chēng)

32、黑度，其值總小于習(xí)慣上稱(chēng)黑度，其值總小于1。 表示實(shí)際物體接近黑體的程度。發(fā)射率取決于物體表示實(shí)際物體接近黑體的程度。發(fā)射率取決于物體的種類(lèi)和表面狀況，是的種類(lèi)和表面狀況，是重要的輻射熱物性參數(shù)重要的輻射熱物性參數(shù)之一。之一。4TA4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介49v物體之間相互發(fā)射和相互吸收輻射能的綜合物體之間相互發(fā)射和相互吸收輻射能的綜合結(jié)果就造成了物體間以熱輻射的方式進(jìn)行的結(jié)果就造成了物體間以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量傳遞。熱量傳遞。v物體間有溫差物體間有溫差輻射傳熱量輻射傳熱量，計(jì)算非常復(fù)雜。，計(jì)算非常復(fù)雜。 v溫差消失溫差消失輻射傳熱量為零輻射傳熱量為零；v

33、 但物體間發(fā)射和吸收仍在進(jìn)行（但物體間發(fā)射和吸收仍在進(jìn)行（動(dòng)態(tài)熱平衡動(dòng)態(tài)熱平衡）。）。v強(qiáng)調(diào)：強(qiáng)調(diào)：A“互惠互惠”現(xiàn)象現(xiàn)象 相互發(fā)射相互吸收相互發(fā)射相互吸收v B 彼此彼此“看得見(jiàn)看得見(jiàn)”4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介不被固體、液體等擋??！不被固體、液體等擋?。?0后面詳細(xì)討論后面詳細(xì)討論)(4241TTA4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介51熱輻射的實(shí)例熱輻射的實(shí)例v1 1）生活中最常見(jiàn)的輻射）生活中最常見(jiàn)的輻射太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射。v太陽(yáng)能是從一億五千萬(wàn)公里外太空過(guò)太陽(yáng)能是從一億五千萬(wàn)公里外太空過(guò)來(lái)的來(lái)的【輻射方式輻射方式】v2 2）坐在

34、熊熊的爐火旁，會(huì)感到強(qiáng)烈的灼熱感。）坐在熊熊的爐火旁，會(huì)感到強(qiáng)烈的灼熱感。v灼熱感主要來(lái)自火焰強(qiáng)烈的熱輻射（灼熱感主要來(lái)自火焰強(qiáng)烈的熱輻射（不必接觸不必接觸）?。?！v3 3）亮著的白熾燈泡摸起來(lái)很燙手。）亮著的白熾燈泡摸起來(lái)很燙手。v原因：高溫下的鎢絲不斷地發(fā)出強(qiáng)烈的輻射能原因：高溫下的鎢絲不斷地發(fā)出強(qiáng)烈的輻射能v4 4）響尾蛇的秘密武器）響尾蛇的秘密武器熱感受器熱感受器( (熱眼熱眼) )。v響尾蛇的視力很差，但一般夜間出來(lái)覓食，靠什么尋找目標(biāo)呢？響尾蛇的視力很差，但一般夜間出來(lái)覓食，靠什么尋找目標(biāo)呢？【2000-3000K】4-1 熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介熱量傳遞的三種基本方式簡(jiǎn)介52熱

35、輻射的實(shí)例熱輻射的實(shí)例v響尾蛇的秘密武器響尾蛇的秘密武器熱眼（熱眼（熱感受器熱感受器）v田鼠、小鳥(niǎo)和青蛙等小動(dòng)物都有體溫，能夠發(fā)出輻射能。蛇的熱感田鼠、小鳥(niǎo)和青蛙等小動(dòng)物都有體溫，能夠發(fā)出輻射能。蛇的熱感受器接收到這些輻射能，由此判斷小動(dòng)物位置捕獲。受器接收到這些輻射能，由此判斷小動(dòng)物位置捕獲。 v“熱眼熱眼” ” 長(zhǎng)在眼睛和鼻孔之間叫長(zhǎng)在眼睛和鼻孔之間叫頰窩頰窩的地方。頰窩一般深的地方。頰窩一般深5 5毫米，毫米，只有一粒米那么長(zhǎng)。只有一粒米那么長(zhǎng)。頰窩器官具有奇特的熱定位功能，能頰窩器官具有奇特的熱定位功能，能感知感知0.0010.001的溫差，反應(yīng)時(shí)間不超過(guò)的溫差，反應(yīng)時(shí)間不超過(guò)100100毫秒。毫秒。v實(shí)驗(yàn)表明，蛇的實(shí)驗(yàn)表明，蛇的“熱眼