華中科大學(xué)工程傳熱學(xué)

傳熱學(xué)Tel:e-mail:2024/5/301《工程傳熱學(xué)》許國(guó)良王曉墨鄔田華等編著《傳熱學(xué)》楊世銘陶文銓第三版《HeatTransfer》J.P.Holman8thedition《數(shù)值傳熱學(xué)》陶文銓第二版參考書(shū)教材2024/5/302第一章緒論§1-1

傳熱學(xué)概述§1-2

熱量傳遞的基本方式§1-3

傳熱過(guò)程與傳熱系數(shù)2024/5/303§1-1傳熱學(xué)概述1傳熱學(xué)的概念①

研究熱量傳遞規(guī)律的一門(mén)科學(xué)具體來(lái)講主要有熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法熱？

熱量？熱能？Hot、Heat、Thermalenergy2024/5/304鉆木取火太陽(yáng)電熱器地?zé)岈F(xiàn)實(shí)生活和生產(chǎn)中存在大量的傳熱問(wèn)題2024/5/305②熱量傳遞所依據(jù)的基本定律

能量守恒定律：能量有各種形式；各種形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化；能量的總數(shù)是守恒的。

能量貶值原理：熱量可以自發(fā)地從高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?，但不能無(wú)代價(jià)地從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩?可見(jiàn)有溫差必有傳熱，溫差是熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力；能量在傳遞的過(guò)程中，伴隨著能量品質(zhì)的下降。

傳熱學(xué)以能量守恒定律(熱力學(xué)第一定律)和能量貶值原理(熱力學(xué)第二定律)為基礎(chǔ)，再結(jié)合一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律，以此來(lái)研究熱量傳遞的速率，不但要計(jì)算傳遞了多少熱量，還要計(jì)算在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)傳遞了這些熱量。2024/5/3062傳熱學(xué)的基本任務(wù)①求解溫度分布②

計(jì)算熱量傳遞的速率熱力學(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(guò)程中傳遞熱量的多少。

關(guān)心的是熱量傳遞的過(guò)程，即熱量傳遞的速率。水，M220oC鐵塊,M1300oC熱力學(xué)：tm,Q傳熱學(xué)2024/5/307大規(guī)模太陽(yáng)能熱氣流綜合發(fā)電2024/5/308熱力學(xué)研究：熱力學(xué)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換效率1234透平能量損失煙囪能量損失透平溫降（壓降）煙囪溫降（壓降）動(dòng)能損失太陽(yáng)能煙囪電站空氣循環(huán)溫熵圖TS太陽(yáng)能熱氣流能機(jī)械能電能2024/5/309傳熱學(xué)研究：系統(tǒng)內(nèi)的溫度、壓力和速度場(chǎng)2024/5/30103傳熱學(xué)應(yīng)用舉例自然界與生產(chǎn)過(guò)程到處存在溫差—傳熱很普遍①日常生活中的例子：為什么水壺的提把要包上橡膠？2024/5/3011②特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問(wèn)題：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)…2024/5/3012航天器發(fā)射資料圖片：和平號(hào)殘骸劃過(guò)大氣層小知識(shí)：飛船的返回與著陸Apollo11liftoff2024/5/30131.坦克與周?chē)h(huán)境的換熱模擬2024/5/30142.廚房?jī)?nèi)部氣體傳熱流動(dòng)模擬12342024/5/30153.辦公室空氣流動(dòng)與傳熱模擬2024/5/30164.牛與周?chē)諝鈧鳠崃鲃?dòng)模擬2024/5/30174傳熱過(guò)程分類(lèi)依據(jù)物體溫度與時(shí)間的依變關(guān)系，可將傳熱過(guò)程分為穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程和非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。若物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間改變，則對(duì)應(yīng)的傳熱過(guò)程為穩(wěn)態(tài)熱傳遞過(guò)程；若物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間改變，則對(duì)應(yīng)的傳熱過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)熱傳遞過(guò)程。穩(wěn)態(tài)過(guò)程和非穩(wěn)態(tài)過(guò)程又稱(chēng)為定常過(guò)程和非定常過(guò)程。例如：晝夜溫差變化、座位椅子溫度感覺(jué)2024/5/3018§1-2熱量傳遞的基本方式熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射2024/5/3019

熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射2024/5/30201熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）

①熱傳導(dǎo)的定義

②熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)

可發(fā)生在任何物質(zhì)的任何地點(diǎn)

傳熱機(jī)理：依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而傳遞——微觀過(guò)程，不產(chǎn)生宏觀位移。

物體內(nèi)溫度不同的各部分之間，或溫度不同的各物體之間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱量傳遞的現(xiàn)象。

物體內(nèi)部存在溫差，或具有溫差的物體直接接觸。Heatconduction2024/5/3021③導(dǎo)熱機(jī)理隨物質(zhì)種類(lèi)和形態(tài)而異氣體：氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果導(dǎo)電固體：自由電子運(yùn)動(dòng)與晶格結(jié)構(gòu)振動(dòng)非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)振動(dòng)液體：兼有氣體和固體導(dǎo)熱的機(jī)理2024/5/3022④導(dǎo)熱基本定律—傅立葉定律

：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量[W]為平壁兩側(cè)壁溫之差

熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))[W/(m

K)]

1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier：A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積q：熱流密度，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量[W/m2]

平壁的厚度[m]；Fourier’sLawHeatfluxThermalconductivityt1t2

l2024/5/3023當(dāng)溫度t沿x方向增加時(shí)，dt/dx>0，q<0，說(shuō)明熱量沿x減小的方向傳遞；反之，dt/dx<0，q<0，說(shuō)明熱量沿x增加的方向傳遞。

負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。2024/5/3024⑤導(dǎo)熱系數(shù)

稱(chēng)為材料的熱導(dǎo)率，又稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)，單位是W/(m

K)；導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義：其數(shù)值大小反映材料的導(dǎo)熱能力,熱導(dǎo)率越大，材料的導(dǎo)熱能力就越強(qiáng)。導(dǎo)熱系數(shù)與材料及溫度等因素有關(guān)。金屬是良導(dǎo)熱體，熱導(dǎo)率最大，液體次之，氣體最小。

2024/5/3025電學(xué)的歐姆定律：I(電流)=U(電壓)/R(電阻)⑥熱阻大平板穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，由于是一維問(wèn)題，且

和q為常量；傅立葉定律為：

穩(wěn)態(tài)情況下流過(guò)大平板的導(dǎo)熱量與平板的截面積和兩側(cè)的溫差成正比，與平板的厚度成反比。

這里引入熱阻的概念。熱量傳遞是自然界中的一種轉(zhuǎn)移過(guò)程。各種轉(zhuǎn)移過(guò)程有一個(gè)共同規(guī)律，就是：平板導(dǎo)熱

：導(dǎo)熱熱阻Thermalresistanceforconduction2024/5/30262熱對(duì)流

若流體有宏觀的運(yùn)動(dòng)，且內(nèi)部存在溫差，則由于流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象稱(chēng)為熱對(duì)流。這時(shí)，除了有因流體各部分間宏觀相對(duì)位移而引起的熱對(duì)流外，流體分子的熱運(yùn)動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)熱過(guò)程。故熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)總是同時(shí)存在的。

在日常生活及工程實(shí)踐中，人們遇到更多的是流體流過(guò)一個(gè)溫度不同的物體表面時(shí)引起的熱量傳遞，這種情況稱(chēng)為對(duì)流換熱。

①熱對(duì)流與對(duì)流換熱Convection2024/5/3027②對(duì)流換熱的特點(diǎn)：導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)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2024/5/3028③

對(duì)流換熱公式—牛頓冷卻公式

：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量q：熱流密度h：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)A：與流體接觸的壁面面積：固體壁表面溫度：流體溫度1701年，英國(guó)科學(xué)家牛頓提出當(dāng)物體受到流體冷卻時(shí)，表面溫度對(duì)時(shí)間的變化率與流體和物體表面間的溫差

t成正比。在此基礎(chǔ)上，人們后來(lái)總結(jié)出了計(jì)算對(duì)流換熱的基本公式，稱(chēng)為牛頓冷卻公式，形式如下：

t—流體和物體表面的溫差，約定永遠(yuǎn)為正，單位為K或℃。

Convectiveheattransfercoefficient2024/5/3029④

對(duì)流熱阻和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)流熱阻

式(1-4)只是給出了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的定義式，并沒(méi)有指出其具體的計(jì)算方法。影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素很多，包括流體的物性（導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、密度、比熱容等）、流動(dòng)的形態(tài)（層流、紊流）、流動(dòng)的成因（自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流）、物體表面的形狀、尺寸，換熱時(shí)流體有無(wú)相變（沸騰或凝結(jié)）等。研究對(duì)流換熱的基本任務(wù)就是用理論分析或?qū)嶒?yàn)方法得出不同情況下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算關(guān)系式。表1-1列舉了一些對(duì)流換熱過(guò)程的h值的大致范圍。由表1-1可知，水的對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比空氣的大，強(qiáng)制對(duì)流的比自然對(duì)流的大，有相變的比無(wú)相變的大。Thermalresistanceforconvection2024/5/3030研究對(duì)流換熱的基本任務(wù)就是用理論分析或?qū)嶒?yàn)方法得出不同情況下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算關(guān)系式。TypicalvaluesofhProcessH(W/m2-°C)FreeConvectionGasesLiquidsForcedConvectionGasesLiquidsLiquidmetalsPhasechangeBoilingliquidsCondensation5-3020-100020-30050-20,0005,000-50,0002,000-100,0005,000-100,0002024/5/30312024/5/3032

一切溫度高于0K的物體都會(huì)以電磁波的方式發(fā)射具有一定能量的微觀粒子，即光子，這樣的過(guò)程稱(chēng)為輻射，光子所具有的能量稱(chēng)為輻射能。輻射是物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式。物體會(huì)因不同的原因發(fā)出輻射能。由于熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱(chēng)為熱輻射，這時(shí)輻射能是由物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化而來(lái)，物體的溫度越高，輻射能力越強(qiáng)。3熱輻射

①熱輻射Thermalradiation2024/5/3033②

輻射換熱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(guò)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(wú)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；總的效果是熱由高溫物體傳到低溫物體自然界各個(gè)物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，也不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射，其綜合過(guò)程即為輻射換熱。

輻射換熱的特點(diǎn)：Radiationheattransfer2024/5/3034③

斯蒂芬-玻爾茲曼定律

物體的輻射能力與溫度有關(guān)，同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領(lǐng)也大不一樣。為此，定義一種理想物體—絕對(duì)黑體。絕對(duì)黑體（簡(jiǎn)稱(chēng)黑體）是理想化的能吸收投入到其表面上所有熱輻射能的物體。這種物體的吸收本領(lǐng)和輻射本領(lǐng)在同溫度的物體中最大。黑體單位面積在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱輻射能由斯蒂藩-玻耳茲曼定律計(jì)算：—黑體表面的絕對(duì)溫度（熱力學(xué)溫度）—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)T黑體是否可以說(shuō)成是黑（顏）色的物體？2024/5/3035一切實(shí)際物體輻射能力都小于同溫度下的黑體—實(shí)際物體表面的發(fā)射率（黑度），0~1；與物體的種類(lèi)、表面狀況和溫度有關(guān)

兩個(gè)表面間的輻射傳熱量的計(jì)算較為復(fù)雜，需要考慮各表面輻射的熱量和吸收的熱量的總和。但有兩種情況計(jì)算卻很簡(jiǎn)單：①

當(dāng)一個(gè)面積為A1，發(fā)射率為

1，溫度為T(mén)1的表面被另一個(gè)溫度為T(mén)2的大得多的表面包圍時(shí)，兩表面間的輻射熱流量：Emissivity122024/5/3036T1T2ΦA(chǔ)②

兩無(wú)限大平行黑體平板間輻射對(duì)于兩個(gè)相距很近的黑體表面，由于一個(gè)表面發(fā)射出來(lái)的能量幾乎完全落到另一個(gè)表面上，那么它們之間的輻射換熱量為當(dāng)T1=T2時(shí)，也就是物體和周?chē)h(huán)境處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量等于零。但此時(shí)是動(dòng)態(tài)平衡，輻射和吸收仍在不斷進(jìn)行。此時(shí)物體的溫度保持不變。2024/5/3037§1-3傳熱過(guò)程與傳熱系數(shù)①傳熱過(guò)程：熱量由熱流體通過(guò)間壁傳給冷流體的過(guò)程。②

傳熱過(guò)程通常由導(dǎo)熱、熱對(duì)流、熱輻射組合形成。1傳熱過(guò)程③

傳熱過(guò)程由三個(gè)相互串聯(lián)的熱量傳遞環(huán)節(jié)組成:a)熱量以對(duì)流換熱的方式從高溫流體傳給固體壁面；

b)熱量以導(dǎo)熱的方式從高溫流體側(cè)壁面?zhèn)鬟f到低溫流體側(cè)壁面；

c)熱量以對(duì)流換熱的方式從低溫流體側(cè)壁面?zhèn)鹘o低溫流體。注意：在第一和第三個(gè)環(huán)節(jié)中有時(shí)還須考慮壁面與流體及周?chē)h(huán)境之間的輻射換熱。2024/5/30382傳熱系數(shù)的計(jì)算①

從熱流體tf1到壁面高溫側(cè)tw1的換熱：②從壁面高溫側(cè)tw1到低溫側(cè)tw2的換熱：③

從壁面低溫側(cè)tw2到冷流體tf2的換熱：上面三式中的熱流量

相等，聯(lián)立可解得式：2024/5/3039k稱(chēng)為傳熱系數(shù)或總傳熱系數(shù)，單位為W/(m2

K)；當(dāng)壁面為平壁時(shí)，其計(jì)算式如下：

—傳熱過(guò)程的總熱阻，由各環(huán)節(jié)的熱阻串聯(lián)而成，它們分別為各環(huán)節(jié)熱阻?！獑挝幻娣e熱阻，m2

K/W。和上式同樣適用于各環(huán)節(jié)的熱量傳遞面積不相等的情形，如通過(guò)圓筒壁的傳熱，這時(shí)通過(guò)壁面的導(dǎo)熱熱阻的計(jì)算須相應(yīng)改變。Theoverallheattransfercoefficient2024/5/3040例題1-1

有三塊分別由純銅、碳鋼和硅藻土磚制成的大平板，它們的厚度都為

=50mm，兩側(cè)表面的溫差都維持為tw1–tw2=100℃不變，試求通過(guò)每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。純銅、碳鋼和硅藻土磚的導(dǎo)熱系數(shù)分別為

1=398W/(m·K)，

2=40W/(m·K)，

3=0.242W/(m·K)。[解]

這是通過(guò)大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，根據(jù)式(1-2)，對(duì)于純銅板對(duì)于碳鋼板

對(duì)于硅藻土磚2024/5/3041例題1-2一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為A=2.5m2，表面溫度為tw=50℃，和溫度為20℃的室內(nèi)空氣之間自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h=5.5W/(m2·K)。試計(jì)算該暖氣片的對(duì)流散熱量。若暖氣片的表面發(fā)射率為

1=0.8，室內(nèi)墻壁溫度為20℃。試計(jì)算該暖氣片和室內(nèi)墻壁的輻射傳熱量。

[解]

暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱，根據(jù)式(1-4)=Ah(tw–tf)=2.5m2×5.5W/(m2·K)×(50-20)K=412.5W

故該暖氣片的對(duì)流散熱量為412.5W。由于墻壁面積比暖氣片大得多，由式(1-8)，兩者間的輻射傳熱量為：可見(jiàn)，此暖氣片室內(nèi)的對(duì)流散熱量和輻射散熱量大致相當(dāng)。2024/5/3042例題1-3

有一氟里昂冷凝器，管內(nèi)有冷卻水流過(guò)，對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h1=8800W/(m2

K)，管外是氟里昂凝結(jié)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=1800W/(m2

K)，管壁厚為

=1.5mm，導(dǎo)熱系數(shù)為

=380W/(m

K)，試計(jì)算三個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻和總傳熱系數(shù)，欲增強(qiáng)傳熱應(yīng)從哪個(gè)環(huán)節(jié)入手。（假設(shè)管壁可作為平壁處理）。

[解]三個(gè)環(huán)節(jié)的面積熱阻為：

水側(cè)換熱熱阻：

管壁導(dǎo)熱熱阻：

蒸汽凝結(jié)熱阻：

總傳熱系數(shù)：三個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻比例為16.9%、0.6%、82.5%。故蒸汽側(cè)的熱阻占主要部分，應(yīng)從這一環(huán)節(jié)入手增強(qiáng)換熱。2024/5/3043例題1-4

一房屋的外墻為混凝土，其厚度為

=200mm，混凝土的熱導(dǎo)率為

=1.5W/(m

K)，冬季室外空氣溫度為tf2=-10℃,有風(fēng)天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=20W/(m2

K)，室內(nèi)空氣溫度為tf1=25℃,和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h1=5W/(m2

K)。假設(shè)墻壁及兩側(cè)的空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都不隨時(shí)間而變化，求單位面積墻壁的散熱損失及內(nèi)外墻壁面的溫度tw1和tw2。[解]這是一個(gè)穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，冷熱流體由混凝土墻壁隔開(kāi)。根據(jù)式(1-9)，通過(guò)墻壁的熱流密度即單位面積墻壁的散熱損失為

根據(jù)牛頓冷卻公式(1-4)，對(duì)于內(nèi)外墻面與空氣之間的對(duì)流換熱2024/5/3044于是可求得

分析本例中三個(gè)傳熱環(huán)節(jié)的熱阻可以發(fā)現(xiàn)，由于自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小，熱阻大，總的傳熱溫差(25–(-10)=35

C)中，室內(nèi)自然對(duì)流的所占溫差最大，為20

C，墻壁的導(dǎo)熱溫差次之，為10

C，室外的強(qiáng)制對(duì)流熱阻最小，所需溫差也最小，為5

C。2024/5/3045例題1-5一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(wèn)：（1）此管道散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式；（2）計(jì)算每米長(zhǎng)度管道