工程傳熱學第1章-緒論

1、第一章第一章 緒論緒論1-1 1-1 傳熱學概述傳熱學概述1-2 1-2 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式1-3 1-3 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù)1.1 概概 述述1.1.1、傳熱學研究內容傳熱學研究內容傳熱學是研究熱量傳遞規(guī)律的學科，研究熱量傳遞傳熱學是研究熱量傳遞規(guī)律的學科，研究熱量傳遞的機理、規(guī)律、計算和測試方法。的機理、規(guī)律、計算和測試方法。熱量傳遞過程的推動力：溫差熱量傳遞過程的推動力：溫差 1)物體內只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫物體內只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分；部分傳向低溫部分； 2)物體之間存在溫差時，熱量就會自發(fā)的從高溫物體

2、之間存在溫差時，熱量就會自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體。物體傳向低溫物體。1.1.2、傳熱學研究中的連續(xù)介質假設、傳熱學研究中的連續(xù)介質假設 將假定所研究的物體中的溫度、密度、速度、將假定所研究的物體中的溫度、密度、速度、壓力等物理參數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)。壓力等物理參數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)。v自然界與生產過程到處存在溫差自然界與生產過程到處存在溫差傳熱很普遍傳熱很普遍v傳熱學在日常生活、生產技術領域中的應用十傳熱學在日常生活、生產技術領域中的應用十分廣泛。分廣泛。1.1.3、傳熱學的應用、傳熱學的應用v強化傳熱強化傳熱v削弱傳熱削弱傳熱v溫度控制溫度控制熱量傳遞中的三類問題熱量傳遞中的三類問題a

3、人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持天都保持22度，那么在冬天與夏天、人在房間里所度，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？穿的衣服能否一樣？為什么？b 夏天人在同樣溫度（如：夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？感覺不一樣。為什么？c 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？保溫。如何解釋其道理？越厚越好？日常生活中的例子日常生活中的例子為什么水壺的提把要包上橡膠？為什么水壺的提把要包上橡膠？不同材質

4、的湯匙放入熱水中，哪個黃油融解更快？不同材質的湯匙放入熱水中，哪個黃油融解更快？生產技術領域大量存在傳熱問題生產技術領域大量存在傳熱問題a 航空航天：衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器航空航天：衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器冷卻；重返大氣層冷卻；超高音速飛行器冷卻；b 微電子：微電子： 電子芯片冷卻電子芯片冷卻c 生物醫(yī)學：腫瘤高溫熱療；生物芯片；組織與生物醫(yī)學：腫瘤高溫熱療；生物芯片；組織與器官的冷凍保存器官的冷凍保存d 軍軍 事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存e 制制 冷：跨臨界二氧化碳汽車空調冷：跨臨界二氧化碳汽車空調/熱泵；高

5、溫水熱泵；高溫水源熱泵源熱泵f 新能源：太陽能；燃料電池新能源：太陽能；燃料電池o 很多行業(yè)中如何讓熱量有效地傳遞成為解決問題的關鍵 大規(guī)模集成電路芯片的散熱問題 航天飛機的有效冷卻和隔熱 材料加工行業(yè)的散熱問題傳熱學的研究方法傳熱學的研究方法實驗測定理論分析數(shù)值模擬傳熱學的地位傳熱學的地位 傳熱學是本專業(yè)必修的傳熱學是本專業(yè)必修的專業(yè)課專業(yè)課，理論性、，理論性、應用性極強。通過學習能熟練掌握傳熱應用性極強。通過學習能熟練掌握傳熱過程的基本規(guī)律、實驗測試技術及分析過程的基本規(guī)律、實驗測試技術及分析計算方法，從而達到認識、控制、優(yōu)化計算方法，從而達到認識、控制、優(yōu)化傳熱過程的目的。傳熱過程的目的

6、。1-11-1熱能傳遞的基本方式熱能傳遞的基本方式 熱能傳遞基本方式：導熱（熱傳導）、熱能傳遞基本方式：導熱（熱傳導）、對流、熱輻射對流、熱輻射1.2.11.2.1、導熱（熱傳導）、導熱（熱傳導） 1 1 、概念、概念 定義：定義：物體各部分之間不發(fā)生相對位物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱導熱。粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱導熱。 如：固體與固體之間及固體內部的熱量傳如：固體與固體之間及固體內部的熱量傳遞。遞。 2 2、導熱的特點、導熱的特點 必須有溫差必須有溫差 物體直接接觸物體直接接觸 依靠分子

7、、原子及自由電子等微觀粒子依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量；不發(fā)生宏觀的相對熱運動而傳遞熱量；不發(fā)生宏觀的相對位移位移 沒有能量形式之間的轉化沒有能量形式之間的轉化1.2.21.2.2、熱對流、熱對流 1 1 、基本概念、基本概念 1) 1) 熱對流：熱對流：是指由于流體的宏觀運動，從而使流體是指由于流體的宏觀運動，從而使流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。引起的熱量傳遞過程。 熱對流僅發(fā)生在流體中，流體中有溫差熱對流僅發(fā)生在流體中，流體中有溫差 對流的同對流的同時必伴隨有導熱現(xiàn)象。時必伴隨有導熱現(xiàn)象。自

8、然界不存在單一的熱對流。自然界不存在單一的熱對流。2) 2) 對流換熱對流換熱：流體流過一個物體表面時的熱量傳流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。遞過程，稱為對流換熱。 1.2.31.2.3、熱輻射、熱輻射 1 1、基本概念、基本概念 1 1）輻射和熱輻射）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。因物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。 2 2）輻射換熱）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輻射換熱。行的物

9、體間的熱量傳遞稱輻射換熱。2.輻射換熱的特點輻射換熱的特點不需要物體直接接觸?？梢栽谡婵罩袀鬟f，而且不需要物體直接接觸?？梢栽谡婵罩袀鬟f，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。在真空中輻射能的傳遞最有效。在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉換，而且伴在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉換，而且伴隨有能量形式的轉化。隨有能量形式的轉化。輻射時：輻射體內熱能輻射時：輻射體內熱能輻射能；輻射能；吸收時，輻射能吸收時，輻射能受射體內熱能。受射體內熱能。只要溫度大于零就有能量輻射。只要溫度大于零就有能量輻射。物體的輻射能力與其溫度性質有關。這是熱輻射物體的輻射能力與其溫度性質有關。這是熱輻射區(qū)別于導熱，對流的基本特點

10、。區(qū)別于導熱，對流的基本特點。 自然界中的物體都在不停的向空間發(fā)出熱輻射，自然界中的物體都在不停的向空間發(fā)出熱輻射，同時又不斷的吸收其他物體發(fā)出的輻射熱，不同時又不斷的吸收其他物體發(fā)出的輻射熱，不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物體向高溫物體輻射熱能。體向高溫物體輻射熱能。 說明：輻射換熱是一個動態(tài)過程，當物體與周說明：輻射換熱是一個動態(tài)過程，當物體與周圍環(huán)境溫度處于熱平衡時，輻射換熱量為零，圍環(huán)境溫度處于熱平衡時，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過程仍在不停的進行，只是輻射但輻射與吸收過程仍在不停的進行，只是輻射熱與吸收熱相等。熱與吸收熱相等。3 3

11、 ）導熱、對流、輻射的評述）導熱、對流、輻射的評述 導熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在有物質存在導熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在有物質存在的條件下，才能實現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質，的條件下，才能實現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質，可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。最有效。 在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉換，在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉換，而且伴隨有能量形式的轉化。而且伴隨有能量形式的轉化。 在輻射時，輻射體內熱能在輻射時，輻射體內熱能 輻射能；輻射能； 在吸收時，輻射能在吸收時，輻射能 受射體內熱能受射體內熱能 物體的輻射能力與其溫度性質有

12、關。物體的輻射能力與其溫度性質有關。綜合分析綜合分析1-3 1-3 傳熱學發(fā)展簡史傳熱學發(fā)展簡史1818世紀世紀3030年代工業(yè)化革命促進了傳熱學的發(fā)展年代工業(yè)化革命促進了傳熱學的發(fā)展 導熱（導熱（Heat conductionHeat conduction）鉆炮筒大量發(fā)熱的實驗（鉆炮筒大量發(fā)熱的實驗（B. T. Rumford, B. T. Rumford, 17981798年）年）兩塊冰摩擦生熱化為水的實驗（兩塊冰摩擦生熱化為水的實驗（H. Davy, H. Davy, 17991799年）年）導熱熱量和溫差及壁厚的關系（導熱熱量和溫差及壁厚的關系（J. B. BiotJ. B. Biot

13、, , 18041804年）年）Fourier Fourier 導熱定律導熱定律 (J. B. J. Fourier , 1822 (J. B. J. Fourier , 1822 年）年）G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M. JakobJaeger/ M. Jakob 對流換熱對流換熱 （Convection heat transferConvection heat transfer）不可壓縮流動方程不可壓縮流動方程 （M.Navier,1823M.Na

14、vier,1823年年) )流體流動流體流動NavierNavier-Stokes-Stokes基本方程基本方程 (G.G.Stokes,1845(G.G.Stokes,1845年）年）雷諾數(shù)雷諾數(shù)(O.Reynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年）自然對流的理論解（自然對流的理論解（L.LorentzL.Lorentz, 1881, 1881年）年）管內換熱的理論解（管內換熱的理論解（L.GraetzL.Graetz, 1885, 1885年；年；W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年） 凝結換熱理論解凝結換熱理論解 （W.NusseltW.Nusselt, 1916, 1916年）年）強制對流與自然對流無量綱數(shù)的原則關系強制對流與自然對流無量綱數(shù)的原則關系 （W.Nusselt,1909W.Nusselt,1909年年/ /19151915年）年）流體邊界層概念流體邊界層