1、2019/5/10,1,传热学B,（Heat Transfer）,2019/5/10,2,成绩分布,考试成绩 70分,平时成绩 30分,传热学（第四版）杨世铭，陶文铨编 高等教育出版社,教材：,其中，平时成绩含出勤、作业、实验。,2019/5/10,3,作业:,1-9, 1-12, 1-202-4, 2-9, 2-14, 2-18, 2-50, 2-553-10, 3-13, 3-215-3, 5-8, 5-206-7, 6-14, 6-418-6, 8-8, 8-209-6, 9-23, 9-30,2019/5/10,4,第一章 绪 论,CHAPTER 1: Introduction,201
2、9/5/10,5,1. 传热学的研究内容,(1) 研究由温差引起的热能传递规律的科学（单位时间内传递热量与物体温差之间的关系，以及不同条件下物体中各点的温度分布）具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法（传递过程中的热能称为热量）,1.1 传热学的研究内容及其在科学技术和工程中的应用,2019/5/10,6,(3) 传热学的基本任务,求解温度分布( temperature distribution ),求解热量传递速率( heat transfer rate ),(2) 热量传递过程的推动力：温差(temperature difference),热力学第二定律：热量可以自发地由高温热
3、源传给低温热源,有温差就会有传热,温差是热量传递的推动力,2019/5/10,7,为什么水壶的把手要包上橡胶？,生活实例,若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？,暖房子工程的意义？,2019/5/10,8,人居环境与城市规划,The Urban Heat Island Effect,2019/5/10,9,工程实例几何尺度,micro-eletrome chanical system,nano-eletro mechanical system,2019/5/10,10,工程实例时间尺度,2019/5/10,11,热力学 + 传热学 =
4、 热科学,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。,关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。,3. 传热学与工程热力学的关系,2. 传热学研究中连续介质的假定,假定所研究的物体中的温度、密度、速度、压力等物理参数都是空间的连续函数。,*稳态过程与非稳态过程 *热力学第一、二定律为研究基础,2019/5/10,12,强化传热，即在一定条件下增加所传递的热量； 削弱传热，即在一定的温差下使热量的传递减到最小； 温度控制，满足生产产品或设备安全运行要求。,4. 传热学在科学技术各个领域中的应用,动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、
5、纳机电系统（NEMS)、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术,2019/5/10,13,a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机 b 微电子： 电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器 官的冷冻保存 d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵 f 新 能 源：太阳能；燃料电池,2019/5/10,14,电子器件冷却,2019/5/10,
6、15,航天飞行器,2019/5/10,16,航空母舰,2019/5/10,17,航空发动机高温叶片冷却,高压透平工况：,气体温度1800K 叶片温度1200K 冷却气体800K,2019/5/10,18,冷却技术失效时,2019/5/10,19,超临界直流锅炉,2019/5/10,20,新材料,2019/5/10,21,压水堆核电站示意图,2019/5/10,22,1.2 热能传递的三种基本方式,热量传递的三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。,1. 热传导(heat conduction),(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的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
7、运动而进行的热能传递现象，简称导热。,(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,(3)导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。,2019/5/10,23,气体的导热：由于分子的热运动和相互碰撞时发生的能量传递,2019/5/10,24,(4)导热的基本定律：1822年，法国数学家Fourier:,上式称为Fourier定律，称为导热基本定律，上式是一维稳态导热时Fourier定律的数学表达式。其中：,：热流量（heat transfer rate )，单位时间传递的热量W； q：热流
8、密度( heat flux )，单位时间通过单位面积传递的热量； A：垂直于导热方向的截面积m2； ：导热系数（热导率, thermal conductivity）W/( m .K)。,一维稳态平板内导热,W,W/m2,2019/5/10,25,(6)一维稳态导热及导热热阻如图1-2所示，稳态 q = const，于是积分Fourier定律公式，有：,(5)导热系数 (thermal conductivity)表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。,导热热阻 conduction resistance,2019/5/10,26,例 题 1-1,例题 1-1 一块厚度=5
9、0 mm 的平板， 两侧表面分别维持在,试求下列条件下的热流密度。,材料为铜，=375 w/(mK ); 材料为钢， =36.4 w/(mK ); 材料为铬砖， =2.32 w/(mK )； 材料为硅藻土砖， =0.242 w/(mK )。,解：参见图1-2。 根据一维稳态导热公式有：,2019/5/10,27,铬砖：,硅藻土砖：,讨论：由计算可见,由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别,导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。因而，铜是热的良导体，而硅藻土砖则起到一定的隔热作用。,铜：,钢：,2019/5/10,28,定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，
10、由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生的相对位移，冷热流体相互掺混所导致的热量传递过程。,2. 热对流(heat convection),(2) 对流传热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，与单纯的对流不同，具有如下特点：a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层,对流传热的分类无相变：自然对流（natural convection)强制对流(forced convection)有相变：沸腾换热(boiling heat transfer) 凝结换热(condensation heat tra
11、nsfer),2019/5/10,29,对流换热中边界层的示意图,2019/5/10,30,(4) 对流换热的基本计算式牛顿冷却公式,Newtons law of cooling,2019/5/10,31,部分表面传热系数的数值范围,2019/5/10,32, 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,影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等,（convective heat transfer coefficient）,(5)表面传热系数(对流换热系数),2019/5/10,33,(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象,3 热辐射(radiati
12、ve heat transfer),(2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。,(3) 生活中的例子：a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；c 太阳能传递到地面；d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0以上，但地面却可能结冰。,2019/5/10,34,两黑体表面间的辐射换热,辐射换热,2019/5/10,35,(5) 辐射换热的特点,a 不需要冷热物体的直接接触
13、；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量 b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换物体热力学能 辐射能 物体热力学能 c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射辐射能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热量由高温物体传递给低温物体。,(4) 辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像热对流和对流换热一样。,2019/5/10,36,(6) 辐射换热的研究方法：假设一种黑体，研究换热时只关心热辐射的共性规律，忽略其它因素，然后将真实物体的辐射与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律。,
14、(7) 黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力和辐射能力最强。一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体。,2019/5/10,37,黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律,实际物体则为：,（9） 两黑体表面间的辐射换热,：物体的发射率（黑度）,2019/5/10,38,两黑体表面间的辐射换热,两黑体表面间的辐射换热,2019/5/10,39,例 题 1-2,一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为 ，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系
15、数h=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率,问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；（2）计算每米长度管道的总散热量。 解： （1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。 （2）把管道每米长度上的散热量记为,2019/5/10,40,近似地取管道的表面温度为室内空气温度， 于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：,讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几上几十摄氏度的一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。,当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热,2019/5/10,41,1.3 传热过程和传热系数,传热
16、过程的定义：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程。 传热过程包含的传热方式：热传导、热对流、热辐射。,墙壁的散热,2019/5/10,42,1、传热方程式,一维稳态传热过程,忽略热辐射换热，则,固体的导热量,右侧对流换热量,左侧对流换热量,2019/5/10,43,上面传热过程中传递的热量为：,总传热系数k,传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。,或写为,2019/5/10,44,2、传热热阻,传热过程热阻分析,2019/5/10,45,1.4 传热学发展简史与研究方法,18世纪30年代工业化革命促进了传热学的发展 导热（Heat conducti
17、on） 钻炮筒大量发热的实验（B. T. Rumford, 1798年） 两块冰摩擦生热化为水的实验（H. Davy, 1799年） 导热热量和温差及壁厚的关系（J. B. Biot, 1804年） Fourier 导热定律 (J. B. J. Fourier , 1822 年） G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M. Jakob,2019/5/10,46,对流换热 （Convection heat transfer） 不可压缩流动方程 （M.Navier,1823年) 流体流动Navier-Stokes基本方程 (G.G.Stoke
18、s,1845年） 雷诺数(O.Reynolds,1880年） 自然对流的理论解（L.Lorentz, 1881年） 管内换热的理论解（L.Graetz, 1885年；W.Nusselt,1916年） 凝结换热理论解 （W.Nusselt, 1916年） 强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909年/1915年） 流体边界层概念 （L.Prandtl, 1904年） 热边界层概念 （E.Pohlhausen, 1921年） 湍流计算模型 （L.Prandtl,1925年；Th.Von Karman, 1939年；R.C. Martinelli, 1947年）,2019/
19、5/10,47,热辐射及辐射换热(Thermal radiation) 黑体辐射光谱能量分布的实验数据(O.Lummer,1889年） 黑体辐射能量和温度的关系(J.Stefan and L.Botzmann,1889年） 黑体辐射光谱能量分布的公式 维恩公式（1896年）/Rayleigh-Jeans公式 能量子假说 （M. Planck,1900年）/光量子理论（A.Einstein,1905年） 物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff,1859年/1860年） 物体间辐射换热的计算方法 （波略克，1935年；H.C.Hotel, 1954年；A.K.Oppenheim,1956年) 数值传热学 （1970年）,
