1、传 热 学 Heat Transfer,主讲教师：潘振华,Email: ,学习内容,第一章 绪 论 第二章 导热基本定律和稳态导热 第三章 非稳态导热 第四章 对流换热原理 第五章 单相流体对流换热特征数关联式 第六章 热辐射基本定律 第七章 辐射换热计算,1.1 传热学的研究对象和任务1.2 热量传递的三种基本方式1.3 传热过程1.4 传热学发展简史,第一章 绪论,传热学是研究由温度差引起的热量传递规律的一门科学,传热学绪论,why,how,about,what,why为什么学习传热学？,日常生活中的例子 ：,夏天，人在同样温度下（25）的房间和水里待着，感觉是不是一样？,北方的房屋的玻璃
2、都是双层的，以利于保温，如何解释？,为什么说二氧化碳含量的增多是造成全球气候变暖的罪魁祸首？,在纸做的杯子里烧水，水开了，杯子都没有烧坏，这是为什么？,航空航天、军工、能源动力、化工制药、机械制造、建筑供暖通风、电子、材料冶金、农业林业、建筑工程、低温制冷、 微电子、核能、新材料、环境保护 、生物工程中 ,一、传热现象普遍存在,日常生活/工业/农业/国防,日常生活,发电厂的冷却塔,核聚变装置,传统工业能源与动力,是传热学主要的应用领域,传统工业石油化工,换热器广泛应用于石油化工厂的冷却塔、洗涤塔等场合，一般占化工厂设备投资的40%,炼油厂内星罗棋布的换热管道,在制冷空调中，大量的运用了散热片、
3、换热器来达到热交换的目的,传统工业制冷空调,高超音速飞行器,表面温度分布 Ma=8， 高度=20km,高新技术航空航天,卫星上装有的太阳能吸收装置能够提供卫星工作所需的部分能量,“哥伦比亚”号航天飞机,左翼上的裂缝,隔热瓦,2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机在返回地球时解体坠毁。事后调查显示，由于“哥伦比亚”号一个储存罐的保温层脱落，把外部隔热的陶瓷片打脱落，露出机体里面的金属结构。航天飞机返回大气层时，由于与空气摩擦，产生高达2000摄氏度的高温，让暴露的金属机体很快解体。,高新技术电子器件冷却,芯片内空气 流动换热示意图,高新技术医药卫生,传热学广泛应用于激光手术、肿瘤高温治疗、低
4、温外科、移植器官冷冻储存、疾病热诊 断等技术中,人体热像图（蓝色表示低温）,节能环保建筑环境,建筑上,利用空气导热系数小的特点 ,制成的空心砖具有良好的保温效果,用计算软件画出的室外环境仿真,节能环保天气环境,环境科学家估计: 如果全球大气平均温度升高5-6度，目前南北极地区的冰雪将融化，地球上绝大部分陆地将被淹没,温室效应 : 大气中的二氧化碳含量增加, 近地表大气层起着温室玻璃的 作用,太阳光可以射到温室，但 热量很难发射出去,这样使得 地球的温度升高,温度控制：对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制,二、 传热学在各个领域的应用,强化传热： 在一定条件 （如一定的温差、体积、重量或泵
5、功等）下增加所传递的热量,削弱传热(热绝缘)：在一定的温差下使热量的传递减到最小,进排气,燃气涡轮发动机热端部件强化冷却,冷却技术失效时,传热研究面临的挑战 精确的传热分析模型高效强化传热技术,为了适应涡轮叶片进口温度不断提高的高性能燃气轮机的发展趋势，国内外普遍应对的技术途径集中在两个方面：即高温耐热材料的研究和高效传热冷却技术的研究。,受热状态是影响燃气涡轮动力装置高温零件可靠性和寿命的决定因素之一。 在涡轮叶片设计中，温度估计的 100K 温差将带来叶片寿命一个数量级的误差，为了保证可靠工作，不得不采用“过冷却”的办法来弥补对温度估计的误差，这样就不能充分有效地利用现有的冷却技术。,wh
6、at传热学简介,1.1.1 传热学的定义,1.1 传热学的研究对象和任务,凡是有温度差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分。,热力学 第二定律,（克劳休斯说法 ）,（1）传热学是研究在温差作用下热量传递规律的一门学科。,热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源,热量传递过程的推动力：温差,研究内容热量传递的机理、规律、计算和测试方法,是一门理论性、实践性强的专业基础课，课程内容既涉及到流体力学、工程热力学、高等数学、大学物理等先修课程，同时又是后续专业课的基础课传热学是能源、动力、化工、机械、电子、土木等学科的主干技术基础课,(2)传热学涉及
7、到许多工程学科，是一门基础学科,思考： 传热学与工程热力学的关系？传热学与流体力学的关系？,传热学与流体力学、工程热力学是能源动力类专业的三大支柱,工程热力学： 研究热能的性质、热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律、方法以及提高热效率的途径。,传热学与工程热力学的关系,传 热 学： 研究系统内或系统间发生的热量传递速率，即热能传递的不平衡过程。,联系：,传热学以热力学第一定律和第二定律为基础热量 Q 传递始终是从高温物体向低温物体传递；在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒。,Q0-,Q0+,(2) Q0- = Q0+,(1) 热能从高温低温,传热学研究的是有温差存在时
8、的热能传递规律。,区别：,工程热力学研究的是处于平衡态的系统，其中不存在温差或者压力差。,物理量中不包含时间：焓、热力学能、熵、比热容等,物理量以时间作分母，关心单位时间内传递多少热能：热流量(W)等,铁块，M1 300oC,热力学 ：Tm , Q热量,传热学 ：热量传递过程的速率,注意：热力学中的热量与传热学中的热流量区别开来。前者的单位是焦耳，后者是瓦。,强调的是平衡态，系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少，不存在温差或压力差，不讲热量传递速率，时间不是自变量。,热量传递需要时间, 传热学就是专门研究热量传递的速率。,传热学与流体力学的关系,流体力学： 是力学的一个分支，它
9、研究流体（包括气体和液体）这种连续介质的宏观运动规律以及与其它运动形态之间的相互作用的规律，应用非常广泛。,传热学： 一般研究有温差的流动，强调热量的交换,对流换热是与流体的运动密不可分。,流体力学：一般研究等温流动，强调流动的阻力,1.1.3 传热学学科特点及研究对象,传热学是一门与工程实际紧密结合的学科,是热工系列课程内容和课程体系设置的主要内容之一，是一门理论性、应用性极强的专业基础课 。,经过多年的发展，一方面热量传递的一些基本规律与理论已经基本成型，它们在工程实际的各个领域促进了生产技术的进步。,另一方面，新兴科学技术的发展又向传热学提出了新的课题和新的挑战。传热学作为一门众多专业的
10、基础课，为大家后续课程的学习打下坚实的基础。,学习重点 ：,热量传递的方式和基本规律 ；,热量传递过程中热流量的计算方法 ；,增强和削弱传热的方法 ；,具备一定的计算设计能力；,确定物体内部各点的温度分布 ；,掌握热工参数的一些测量方法 。,1.2 热量传递的三种基本方式,热量传递有三种基本的方式，分别是：热传导、热对流、热辐射。,1.2.1 热传导(导热),物体各部分之间不发生相对位移或两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。,温度差是导热进行的必要条件 ；物体直接接触，不发生位移；导热可以发生在固体、液体、气体中；导热是物质的固有本质；温度差可以在
11、物体内部的不同部位，也可以是两个不同温度的物体相互接触时。,定义：,导热的基本定律-傅里叶定律（1822年）,A：垂直于导热方向的截面积,表示材料导热性能的大小，是重要的物性参数,热流量 -单位时间内通过某一给定面积的热流量； 它体现了传热的速率或快慢，W；,热流密度q -单位时间内通过单位面积的热流量；W/m2,传热是一个过程，而非平衡态 这与热力学有区别,无限大 平壁,1.2.2 热对流,由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间 发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。,定义：,热对流必然同时伴随着热传导！,热对流仅能发生在流体中,对流换热：流体流过固体表面时的热量传递过程,
12、注：对流换热与热对流有区别 ,流体与不同温度的固体壁面间的换热；,对流换热时既有热对流又有导热；,对流换热和热对流是不同的两个概念 ；,由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁 面处会形成速度梯度很大的边界层。,对流换热的特点：,导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；,必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动，也必 须有温差；,对流换热 （流动起因不同）,自然对流： （暖气片等）,强迫对流：,由于流体冷热部分温度不同造成密度不同，从而产生浮升力，进而在浮升力的作用下引起流体的相对运动,流体的流动是由水泵、风机或其他动力源造成的,（冷凝器等）,对流换热的基本计算式：,牛顿冷却公式（1701）,
13、式中,和 为固体壁面和流体的温度；,h 为对流换热系数，单位为,为对流换热量；,A 为与流体接触的壁面面积；,当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量,表面传热系数（对流换热系数）,影响h因素：流速、流体物性（ ）、换热表面的形状、大小与布置等,对流换热系数的数值范围,对流换热系数是对流换热中最重要的内容，我们研究对流换热的主要任务就在于用理论分析或实验的方法找出各种场合对流换热系数的计算公式 。,1.2.3 热辐射,热辐射：物体因热的原因转化本身的热力学能向外发出辐射能的现象,辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式,凡物体都具有辐射能力,物体的温度越高、辐射能力越强
14、；若物体的种类不同、表面状况不同，其辐射能力不同,辐射换热特点：,不需要冷热物体的直接接触，即便在真空中热辐射也能进行 ；,在辐射换热过程中不仅有能量的转移，还伴随伴随着能量形式的转化； 物体的热力学能 电磁波能 物体的热力学能,物体间靠热辐射方式进行的热量传递,辐射换热：,注：辐射换热与热辐射有区别 ,存在热动平衡；无论温度高低，物体都在不停地吸收、发射电磁波能，物体间以热辐射方式进行热量传递是双向的；,实验表明，物体的辐射能力与不仅跟表面温度有关，而且同一温度下不同物体的辐射和吸收的本领也大不一样。,黑体：,能将投射到其表面上的热辐射（不同波长）能全部吸收的物体。,黑体是理想物体；,黑体吸
15、收辐射的本领在同温度物体中最大 ；,黑体发射辐射的能力在同温度物体中也最大。,斯蒂芬波尔兹曼定律 ：,式中,由此可见，黑体表面单位时间内发出的辐射能是与其表面的热力学温度的四次方成正比的。,称为黑体辐射系数,T 为黑体的热力学温度；,为黑体在某温度下发射的辐射能；,称为黑体辐射常数,实际物体：,式中,为物体的发射率（黑度），它表示实际物体发射辐射的能力接近黑体的程度。,系统发射率,1.3 传热过程 通常由导热、热对流、热辐射组合形成,1.3.1 定义 温度较高的流体经过固体壁将热量传给壁另一侧冷流体的过程。,工程实例：冬季室内热空气经墙壁散热给室外空气 、供热蒸汽管道的散热 ,传热过程包括串联
16、的三个环节:,热流体 壁面高温侧 壁面高温侧 壁面低温侧 壁面低温侧 冷流体,冷热流体通过一块大平壁交换热量,热流体 壁面高温侧 壁面高温侧 壁面低温侧 壁面低温侧 冷流体,1.3.2 传热方程式,下面，我们以无限大平壁为例，推导传热过程的计算公式。,热流体与壁左侧的对流换热量：,通过壁的导热量 ：,右侧壁与冷流体的对流换热量 ：,假设传热过程是稳态的，这三部分的热量是相等的，这样，联立上述三个式子，消去未知的两个壁面温度，整理后便可得出传热过程热流量的计算公式：,式中,K 为总传热系数，单位为,传热系数的大小不仅取决于参与换热过程的两流体的种类，而且与过程本身有关（如流速大小、有无相变等）。
17、,传热系数:,在数值上等于冷、热流体间温差为1K，传热面积为1m2时的热流量的值，是表征传热过程强烈程度的标尺。,K越大，传热越好。,热侧对流换热热阻,平壁导热热阻,冷侧对流换热热阻,传热热阻,我们可以通过传热过程中各个热阻值的大小，来判断传热过程中各个环节对传热产生的影响孰大孰小，并可以进一步的通过改变其中的一些热阻值来起到增强或者削弱传热的作用。,热阻是传热学中一个比较重要的概念，它使传热问题的物理概念更加的清楚、明了，同时又给计算带来了很大的方便。,为了强化室内暖气片的散热，在由管内热水到室内空气和环境的传热过程中，显然管内热水对流换热的换热能力远大于暖气片外壁与室内空气对流换热和环境辐
18、射换热，因而热阻主要集中在空气侧，要增加散热量，应对空气侧下功夫，这就是通常所遇到的空气侧加肋片（翅片）的情形。,例1.1 有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却，为使稀饭凉得更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？,解：从凉水冷却稀饭的过程是一个传热过程。显然，稀饭侧以及水侧的对流换热在不搅动时都属于自然对流。而稀饭的换热比水要差。因此，要强化传热增加散热量，应该用搅拌的方式强化稀饭侧的传热。,例1.2 中央电视台1999年9月5日的科技博览指出：72的铁和600 的木头摸上去的感觉是一样的，你知道为什么吗？,例1.3 为什么隔着玻璃晒太阳会感觉到更加的暖和？,解：这个问
19、题类似于大棚种植的温室效应，太阳光可以很容易透过玻璃，而人体表面发射的红外线却很难透过玻璃。,一、传热学研究方法,实验研究 + 理论分析 + 数值模拟,通过实验观察与测试，深刻认识基本现象与规律、积累第一手实验数据资料在实验和分析的基础上，采用宏观和微细观相结合的方法，发展出能够正确反映物理现象规律的数理模型采用数值模拟手段进行热现象的数值模拟研究，进一步揭示物理现象本质,how如何学习传热学？,传热学学习方法与要点,18世纪30年代首先从英国开始的工业革命促进了生产力的空前发展。生产力的发展为自然科学的发展成长开辟了广阔的道路-传热学发展的大背景导热和对流两种基本热量传递方式早为人们所认识，
20、但辐射作为一种热量传递方式直到1803年发现红外线被以后才被确认。,About1.4 传热学发展简史,热 传 导,傅里叶被公认为导热理论的奠基人,19世纪初，兰贝特、毕渥、傅里叶都从固体一维导热的实验研究入手开展研究，1804年，毕渥根据实验提出了导热比例系数的概念，提高了对导热规律的认识，只是粗糙了一点,傅里叶在进行实验研究的同时，十分注重数学工具的运用，很有特色。1822年发表了著名的论著：热的解析理论，成功地创建了导热理论,对流换热,努塞尔成为发展对流换热理论的先驱,1880年雷诺进行了著名的雷诺实验,1909-1915年努谢尔获得了有关无量纲数之间的原则关系，有力地促进了实验研究求解对
21、流换热问题的进展,普朗特于1904年提出了著名的边界层理论、玻尔豪森引入了热边界层概念,流体流动的理论是对流换热理论的前提。1823年纳维尔提出的流动方程可适用于不可压缩流体，1845年经斯托克斯改进为N-S方程，完成了建立流体流动基本方程的任务-求解困难,辐射换热,在热辐射的早期研究中，认识黑体辐射的重要意义并用人工黑体进行实验研究对于建立热辐射的理论具有重要作用,19世纪初斯蒂芬根据实验确立了黑体辐射力与温度的4次方成正比的规律，后来被玻尔兹曼在理论上证实,1900年，普朗克提出了确定黑体辐射光谱能量分布的普朗克定律，并用不同于与经典物理学中的连续性概念的“能量子假说“加以成功解释,20世纪初提出角系数的概念，工程辐射换热计算,传热强化（ heat transfer enhancement; augmentation）背景：20世纪70年代出现的能源危机分支领域： 生物传热学、焊接传热学等背景：对传热学认识逐渐深入，向不同应用领域急剧发展 数值传热学（计算传热学）背景：计算机技术的迅速发展 微米纳米传热学背景：微机电系统（MEMS）乃至纳机电系统（NEMS）研究的迅速发展,近代发展,作业：,思考题 12 19 113 习 题 14 112,
