傳熱學第一章 熱量傳遞的基本方式.ppt

傳熱學基礎 HeatTransferFoundation 楊世銘編高等教育出版社 1 教學目的 本課程是研究現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中與安全技術相關的熱傳遞理論的一門技術基礎課 通過本課程的學習 為學生今后學習有關專業(yè)基礎課打好基礎 培養(yǎng)學生對專業(yè)所涉及的傳熱問題的分析和計算能力 并為學生獲取和拓展專業(yè)發(fā)展中的新理論 新工藝打下基礎 2 學時數(shù) 32學時 28 4 周學時2 學分2分 閉卷考試80 平時作業(yè) 出勤占20 3 考核方法 4 參考書 傳熱學 戴鍋生編 第二版 高教出版社 傳熱學 楊世銘 陶文銓編 第三版 第四版 高教出版社 傳熱學重點難點及典型題精解 王秋旺編 西安交大出版社 傳熱學 趙鎮(zhèn)南編 高教出版社 高數(shù) 工程流體力學 工程熱力學 大學物理為先修課 安全工程專業(yè)培養(yǎng)目標以及主修課程 培養(yǎng)掌握現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和生產(chǎn)過程中安全技術及工程領域的災害防治 評價 設計 施工 管理 監(jiān)察和現(xiàn)代勞動保護管理及科學研究等方面的綜合型高級工程技術人才 主要課程 工程熱力學 傳熱學 流體力學 分析化學與物理化學 燃燒與爆破學 安全管理學 安全心理學 安全經(jīng)濟學 安全人機工程 安全法規(guī) 通風與空調 災害防治理論與技術 安全監(jiān)測與儀表 計算機應用等 第一章緒論 主要包含以下內(nèi)容 1 1傳熱學的研究對象及其在安全工程技術中的應用 1 2熱量傳遞的三種基本方式 1 3單位制 1 1傳熱學的研究對象及其在安全工程技術中的應用 一 研究對象及內(nèi)容研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學 具體來講主要有熱量傳遞的機理 規(guī)律 計算和測試方法 其內(nèi)容包括 研究熱量傳遞的速率 J S W 確定物體中的溫度分布研究傳熱機理 熱量靠什么傳過去的 熱量傳遞過程的推動力是溫差 測試方法 實驗研究法是傳熱學研究的重要手段 二 傳熱學應用實例 自然界與生產(chǎn)過程中到處存在溫差 傳熱現(xiàn)象很普遍 1 日常生活中的例子 人體為恒溫體 若房間里的溫度在夏天和冬天都保持20 那么在冬天與夏天 人在房間里所穿的衣服能否一樣 為什么 夏天人在同樣溫度的空氣和水中的感覺不一樣 為什么 北方寒冷地區(qū) 建筑房屋采用雙層玻璃 以利于保溫 如何解釋其道理 是否玻璃越厚越好 2 生產(chǎn)技術領域存在大量的傳熱問題 這些部門主要有 能源 化工 冶金 航空航天 建筑 機械制造 電子 制冷 農(nóng)業(yè) 環(huán)境保護等 這些領域中技術的巨大進步也推動了傳熱學學科的迅速發(fā)展 3 在本專業(yè)中的應用 培養(yǎng)要求 學習礦山與地下建筑 交通 航空航天 燃燒與爆破學 工廠 物業(yè) 商廈與地面建筑的災害防治技術 通風與空氣調節(jié) 安全管理學等專業(yè)知識 這些都與傳熱相關 溫度場的測算和換熱量的計算 環(huán)境變化對溫度場的影響 極限溫度的控制 為使一些設備能安全經(jīng)濟地運行 需要對熱量傳遞過程中物體關鍵部位的溫度進行控制 主要體現(xiàn)在以下幾個方面 傳熱學是一門為主干學科和主要課程打基礎的重要技術基礎課 與工程流體力學 熱力學 分析化學與物理化學課一起組成安全工程專業(yè)主要課程的理論基礎 為后續(xù)課程的學習提供良好的鋪墊 三 傳熱學在本專業(yè)中的重要作用 四 研究思路及主要內(nèi)容 主要采用理論研究方法 并以不同條件下物體中的溫度分布為主線 重點在導熱理論 以物體外部的換熱問題為側重點 介紹了對流換熱問題 隨后介紹了灰體間的輻射換熱及工件在加熱爐等工業(yè)爐內(nèi)所需考慮的氣體及火焰輻射 最后扼要介紹了復合換熱及傳熱過程 理論研究法 數(shù)值求解法 數(shù)學分析法 精確的解析解 近似的離散解 目前導熱理論體系相對成熟并日趨完善 五 傳熱過程的分類 按溫度與時間的依變關系 可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩大類 穩(wěn)態(tài)傳熱過程 定常過程 凡是物體中各點溫度不隨時間而變的熱傳遞過程均稱為穩(wěn)態(tài)傳熱過程 非穩(wěn)態(tài)傳熱過程 非定常過程 凡是物體中各點溫度隨時間的變化而變化的熱傳遞過程均稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱過程 各種物體在持續(xù)不變的運行工況下經(jīng)歷的熱傳遞過程屬于穩(wěn)態(tài)傳熱過程 而物體在加熱 冷卻 熔化和凝固情況下經(jīng)歷的熱傳遞過程則為非穩(wěn)態(tài)傳熱過程 六 連續(xù)體的假設及其意義 認為研究對象是個連續(xù)體 即各點的溫度 密度 速度等都是空間坐標的連續(xù)函數(shù) 即將微觀粒子的微觀物理過程作為宏觀現(xiàn)象處理 實際上只要被研究物體的幾何尺度遠大于其分子的平均自由行程 連續(xù)體的假設總是成立的 據(jù)此 可以利用高等數(shù)學的分析方法 連續(xù)函數(shù)的微分 積分等方法 來解決傳熱問題 1 2熱量傳遞的三種基本方式 三種基本方式 導熱 熱傳導 對流和熱輻射 1 導熱 熱傳導 Conduction 1 定義 物體的各部分之間不發(fā)生相對位移時 依靠分子 原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象 發(fā)生在同一物體或兩直接接觸的物體之間 例如 爐襯內(nèi)側向爐墻 房屋內(nèi)壁與外壁之間的熱傳遞 暖氣片內(nèi)外壁之間 2 導熱的特點 a必須有溫差 b物體直接接觸 c依靠分子 原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量 e不發(fā)生宏觀的相對位移 f純粹的導熱只能發(fā)生在密實的固體中 導熱過程示意圖 3 導熱的微觀機理 熱量是靠什么傳過去的 從微觀角度看 氣體 液體及固體的導熱機理各不相同 氣體 依靠氣體分子的熱運動來導熱的 是分子不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果 溫度越高 分子動能越大 不同能量水平的分子相互碰撞 使熱量從高溫傳到低溫處 導電固體 主要依靠自由電子的熱運動來傳遞的 它們在晶格之間像氣體分子那樣運動 其次 靠晶格結構的振動所產(chǎn)生的彈性波來傳遞的 次要的 但溫度高時 其影響不能忽略 晶格 晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣 非導電固體 導熱是通過晶格結構的振動所產(chǎn)生的彈性波來實現(xiàn)的 即依靠分子 原子在其平衡位置的附近振動產(chǎn)生的彈性波來實現(xiàn)的 液體的導熱機理 存在兩種不同的觀點 一種觀點認為定性上類似于氣體 只是情況更復雜些 因液體分子間距較近 分子間的作用力對分子碰撞的影響比氣體大 另一種觀點認為類似于非導電固體 主要依靠彈性波的作用來傳遞 說明 只研究導熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律 4 導熱基本定律 傅里葉定律 經(jīng)驗的提煉 1822年法國物理學家 提出的 如圖所示 平板的兩個表面分別維持均勻恒定的溫度 是個一維導熱問題 對于x方向上任意一個厚度為dx的微元層來說 單位時間內(nèi)通過該層的導熱熱量與當?shù)氐臏囟茸兓始捌桨迕娣eA成正比 即 4 導熱基本定律 傅里葉定律 熱流量 單位時間傳遞的熱量 W W W m2 q 熱流密度 單位時間通過單位面積傳遞的熱量 W m2 熱導率 又稱導熱系數(shù) 負號表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反 5 導熱系數(shù)的含義 導熱系數(shù)是表征材料導熱性能優(yōu)劣的參數(shù) 是一種物性參數(shù) 單位 不同材料的導熱系數(shù)值不同 即使同種材料 導熱系數(shù)值與溫度 濕度 密度等因素有關 金屬材料最高 良導電體 也是良導熱體 液體次之 氣體最小 1 定義 是指流體的各部分之間發(fā)生相對位移 冷 熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞方式 對流僅發(fā)生在流體中 且必然伴隨有導熱發(fā)生 熱對流 對流換熱 流體流過與之溫度不同的固體壁面時與固體壁之間的換熱 是導熱和對流聯(lián)合起作用的結果 有實際意義 2 對流 熱對流 Convection 對流換熱與熱對流不同 既有熱對流 也有導熱 它不是基本的傳熱方式 2 對流換熱的分類 無相變 強制對流和自然對流換熱有相變 沸騰 凝結 凝固 熔化等 自然對流 由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動 如 暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動強制對流 流體的流動是由于水泵 風機或其它壓差作用所造成的 如油冷卻器 空氣預熱器等 沸騰換熱及凝結換熱 液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結的對流換熱 稱為沸騰換熱及凝結換熱 3 對流換熱的基本計算式 牛頓冷卻公式 W m2 h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 約定 t取正值 4 影響h的因素及研究對流換熱的任務 影響h的因素 h的大小與流體的物性 換熱表面的形狀 大小及相對位置 流體的流速 流體及壁面的溫度等因素有關 研究對流換熱的任務 牛 冷公式只給出了h的定義式 并沒有給出其具體的計算式 揭示各種不同場合下h的具體計算式是研究對流換熱的任務所在 3 熱輻射 Thermalradiation 1 基本概念 輻射和熱輻射 物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射 其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射 輻射換熱 輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞稱為輻射換熱 注 輻射換熱與熱輻射的區(qū)別 任何物體 只要溫度高于0K 就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射 熱輻射是物體本身的屬性 等溫時為動態(tài)平衡 可以在真空中傳播 不需要中間介質 而且在真空中輻射能的傳遞最有效 不僅有能量的轉移 而且還伴隨有能量形式的轉換 輻射的輻射能取決于溫度的4次方 2 輻射換熱的特點 4 熱輻射的基本規(guī)律 Stefan Boltzmanlaw 黑體 能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體 包括所有方向和所有波長的輻射能 它是相同溫度下吸收及輻射能力最強的物體 其輻射熱流量服從斯忒藩 玻耳茲曼定律 3 輻射換熱的研究方法 假設一種理想的物體 黑體 忽略其它因素 只關心熱輻射的共性規(guī)律 然后將真實物體的輻射與黑體輻射進行比較 通過實驗獲得修正系數(shù) 從而獲得真實物體的熱輻射規(guī)律 黑體輻射的計算公式 Stefan Boltzmannlaw 真實物體則為 其中T 熱力學溫度 K 斯忒潘 玻耳茲曼常數(shù) 黑體輻射常數(shù) 其值為 5 67 10 8 A 輻射表面積 m2 物體的發(fā)射率 黑度 1 黑體 1 要計算輻射換熱量 必須考慮投射到物體上的輻射熱量的吸收過程 即收支總帳 兩平行黑體平板間的輻射換熱 5 輻射換熱的計算 物體1包容在一個很大的表面溫度為T2的空腔內(nèi) 物體1與空腔表面2之間的輻射換熱量 在實際問題中 這三種熱量傳遞方式往往不是單獨出現(xiàn)的 這不僅表現(xiàn)在互相串聯(lián)的幾個環(huán)節(jié)中 而且同一個環(huán)節(jié)也常常如此 例如 一塊高溫鋼板在廠房中的冷卻散熱 6 總結 三種熱傳遞方式的具體計算公式對于穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)過程都是適用的 例題1 1一塊厚度 50mm的平板 兩側表面分別維持在tw1 300 tw2 100 試求下列條件下通過單位截面積的導熱量 1 材料為銅 389W m K 2 材料為灰鑄鐵 35 8W m K 3 材料為鉻磚 5 04W m K 解 這是通過大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導熱問題 在穩(wěn)態(tài)過程中 垂直于x軸的任一截面上導熱量都相等 導熱系數(shù)為常數(shù)時一維穩(wěn)態(tài)導熱熱流密度的計算式 銅 灰鑄 鉻磚 例題1 2 一根水平放置的蒸汽管道 其保溫層外徑d 583mm 外表面實測平均溫度及空氣溫度分別為 此時空氣與管道外表面間的自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h 3 42W m2K 保溫層外表面的發(fā)射率 問 1 此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式 2 計算每米長度管道的總散熱量 解 1 此管道的散熱有輻射換熱和自然對流換熱兩種方式 2 把管道每米長度上的散熱量記為 近似地取室內(nèi)物體的表面溫度為室內(nèi)空氣溫度 于是每米長度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為 討論 計算結果表明 對于表面溫度為幾十攝氏度的一類表面的散熱問題 自然對流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級 必須同時予以考慮 當僅考慮自然對流時 單位長度上的自然對流散熱量為 1 3單位制 1 目前采用的單位制 國際單位制 法定單位制 工程單位制 基本單位相同 以國際單位制為基礎 適當增加一些其它單位構成 W 基本單位 kg m