Chap 3-1 傳熱學(xué)概論

1、 材料工程基礎(chǔ)材料工程基礎(chǔ)1第三章第三章 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué) 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)21 概概 述述1.1 1.1 傳熱學(xué)傳熱學(xué) 傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，其傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，其基礎(chǔ)為基礎(chǔ)為熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律和和熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)31.1.1熱量傳遞過程熱量傳遞過程 1 1）穩(wěn)態(tài)傳熱過程（定常過程）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凡是物體中各點溫度不隨時間而變的熱傳遞過程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過程。各種熱力設(shè)備在持續(xù)不過程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過程。各種熱力設(shè)備在持續(xù)不變的工況下運行時的熱傳遞過程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過程；變的工況下運行時的

2、熱傳遞過程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過程；2 2）非穩(wěn)態(tài)傳熱過程（非定常過程）非穩(wěn)態(tài)傳熱過程（非定常過程） 非穩(wěn)態(tài)傳熱過程與穩(wěn)態(tài)傳熱過程相反。設(shè)備非穩(wěn)態(tài)傳熱過程與穩(wěn)態(tài)傳熱過程相反。設(shè)備在啟動、停機、工況改變時的傳熱過程則屬非穩(wěn)在啟動、停機、工況改變時的傳熱過程則屬非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。態(tài)傳熱過程。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)4A 夏天人在同樣溫度（如：夏天人在同樣溫度（如：25 ）的空氣和）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？水中的感覺不一樣。為什么？B 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，如北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，如何解釋其道理？玻璃越厚越好？何解釋其道理？玻璃越厚越好？1.1.2應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例(1) 日常生活

3、中的例子：日常生活中的例子： 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)5(2) 在材料技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題在材料技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)6() 在材料技術(shù)領(lǐng)域存在節(jié)能問題在材料技術(shù)領(lǐng)域存在節(jié)能問題 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)7 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)81.2 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式 1.2.1導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)） 1 、概念、概念 定義：定義：物體各部分之間不發(fā)生宏觀相對位物體各部分之間不發(fā)生宏觀相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導(dǎo)熱。子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導(dǎo)熱。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)9導(dǎo)熱機理：導(dǎo)熱機理

4、：氣體分子不規(guī)則運動時相互碰撞；氣體分子不規(guī)則運動時相互碰撞；導(dǎo)電固體自由電子；導(dǎo)電固體自由電子；非導(dǎo)電固體晶格振動產(chǎn)生的彈性波；非導(dǎo)電固體晶格振動產(chǎn)生的彈性波；液體兼有氣體和非導(dǎo)電固體的機理。液體兼有氣體和非導(dǎo)電固體的機理。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)10式中式中 為為熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率，又稱，又稱導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)，負(fù)號表示熱，負(fù)號表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。 2.2.導(dǎo)熱的基本規(guī)律導(dǎo)熱的基本規(guī)律 1 1）傅立葉定律）傅立葉定律（1822 1822 年，法國物理學(xué)家）年，法國物理學(xué)家） t1t2 dxdtkAQk（1-1） 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)112 ）熱流量）熱流

5、量 單位時間內(nèi)通過某一給定面積的熱量稱為單位時間內(nèi)通過某一給定面積的熱量稱為熱流量，記為熱流量，記為Q，單位，單位 w。 3 ）熱流密度（面積熱流量）熱流密度（面積熱流量） 單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量稱為熱流單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量稱為熱流密度，記為密度，記為 q ，單位，單位 w/ 。 當(dāng)物體的溫度僅在當(dāng)物體的溫度僅在 x 方向發(fā)生變化時，按方向發(fā)生變化時，按傅立葉定律，熱流密度的表達式為傅立葉定律，熱流密度的表達式為: 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)12dxdtkAQq 說明：傅立葉定律又稱導(dǎo)熱基本定律，式說明：傅立葉定律又稱導(dǎo)熱基本定律，式（1-11-1）、（）、（1-2 1-2 ）是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)

6、熱時傅）是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時傅立葉定律的數(shù)學(xué)表達式。立葉定律的數(shù)學(xué)表達式。（1-2） 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)13說明：說明：導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) k 表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，是一種物性參數(shù)，與材料的種類和溫度有關(guān)，數(shù)，是一種物性參數(shù)，與材料的種類和溫度有關(guān)，單位：單位： W/mk 。 k金屬金屬 k非金屬固體非金屬固體 k液體液體 k氣體氣體k 純銅純銅 = 398 W/mkk 水水=0.6 W/mkk 空氣空氣=0.026 W/mk 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)141.2.2 對流對流 1.基本概念基本概念 1) 對流：對流：是指由于流體是指由于流體的宏觀運動，從而使的宏觀運動，從而使流體

7、各部分之間發(fā)生流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱相互摻混所引起的熱量傳遞過程。量傳遞過程。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)152 、對流換熱的分類、對流換熱的分類 2) 2) 對流換熱對流換熱：流體流過一個物體表面時的流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。熱量傳遞過程，稱為對流換熱。區(qū)別概念：熱對流和對流換熱區(qū)別概念：熱對流和對流換熱對流換熱包括熱對流和導(dǎo)熱。對流換熱包括熱對流和導(dǎo)熱。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)163 、對流換熱的基本規(guī)律、對流換熱的基本規(guī)律 流體被加熱時：流體被加熱時： 流體被冷卻時流體被冷卻時：)(fwtthq)(wftthq（1-3）（1-4

8、）ftQ 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)17如果把溫差（亦稱溫壓）記為如果把溫差（亦稱溫壓）記為 ，并約定永遠(yuǎn)，并約定永遠(yuǎn)取正值，則取正值，則牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式可表示為可表示為thqthAQ 其中其中 比例系數(shù)（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)）比例系數(shù)（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)） 單位單位 。 2W/ mK（1-5）（1-6）t 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)18的物理意義：的物理意義：單位時間單位溫差作用下通單位時間單位溫差作用下通過單位面積的熱流量。過單位面積的熱流量。 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與傳熱過程中的許多因表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與傳熱過程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小相對位

9、置，而且與流體的流面的形狀、大小相對位置，而且與流體的流速、換熱有無相變有關(guān)。速、換熱有無相變有關(guān)。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)19. .對流換熱研究對流換熱研究的基本任務(wù)的基本任務(wù) 用理論分析或用理論分析或?qū)嶒灥姆椒ㄍ瞥龈鲗嶒灥姆椒ㄍ瞥龈鞣N場合下表面換熱種場合下表面換熱導(dǎo)數(shù)的關(guān)系式。導(dǎo)數(shù)的關(guān)系式。 K 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)201.2.3 熱輻射熱輻射 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物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因而發(fā)出輻射能因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。的現(xiàn)象稱為熱輻射。2 2 ）輻射換熱）輻射換熱 輻射與

10、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。行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)213 3）導(dǎo)熱、對流、輻射的評述）導(dǎo)熱、對流、輻射的評述 導(dǎo)熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在導(dǎo)熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在的條件下，才能實現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可的條件下，才能實現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可以在真空中傳遞，而且以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有在真空中輻射能的傳遞最有效效。 在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。在輻射時

11、，輻射體內(nèi)熱能隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。在輻射時，輻射體內(nèi)熱能 輻射能；在吸收時，輻射能輻射能；在吸收時，輻射能 受射體內(nèi)熱能，受射體內(nèi)熱能，因此，輻射換熱過程是一種能量互變過程。因此，輻射換熱過程是一種能量互變過程。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)22 輻射換熱是一種雙向熱流同時存在的換熱過程，輻射換熱是一種雙向熱流同時存在的換熱過程，即即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低不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溫物體向高溫物體輻射熱能。 熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子性態(tài)的一種宏觀表象。熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子性態(tài)的一種宏觀表象。 物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有關(guān)。這是熱輻物體的輻射能力與其溫度

12、性質(zhì)有關(guān)。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱，對流的基本特點。射區(qū)別于導(dǎo)熱，對流的基本特點。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)232 、熱輻射的基本規(guī)律：、熱輻射的基本規(guī)律： v所謂絕對所謂絕對黑體（黑體（lack body）：把吸收率等于把吸收率等于 1 1 的物體稱黑體，的物體稱黑體，是一種假想的理想物體。是一種假想的理想物體。 v黑體的吸收和輻射能力在同溫黑體的吸收和輻射能力在同溫度的物體中是最大的而且輻射度的物體中是最大的而且輻射熱量服從于熱量服從于斯忒藩斯忒藩玻耳茲曼玻耳茲曼( (Stefan Boltzmann) )定律定律。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)244TEb（1-7）其中其中 Eb絕對黑體輻射力，絕對黑體輻射力，

13、W/m2； T 黑體的熱力學(xué)溫度黑體的熱力學(xué)溫度 K ； 斯忒潘斯忒潘玻玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），其值為耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），其值為5.6710-8 W/m2.k4。黑體在單位時間內(nèi)發(fā)出的輻射熱量服從于斯黑體在單位時間內(nèi)發(fā)出的輻射熱量服從于斯忒藩忒藩玻耳茲曼定律，即玻耳茲曼定律，即 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)25實際物體：實際物體：物體包容在一個無限物體包容在一個無限大的空腔內(nèi)，則二表大的空腔內(nèi)，則二表面輻射換熱為：面輻射換熱為：4TE（1-7）424111TTAQ（1-） 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)261.3 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù) 1.3.1 傳熱過程傳熱過程 1 、概念、概念 熱量由

14、壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅頍崃坑杀诿嬉粋?cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過程稱傳熱過程。一側(cè)流體中去的過程稱傳熱過程。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)272 、傳熱過程的組成、傳熱過程的組成 傳熱過程一般包括串聯(lián)著的傳熱過程一般包括串聯(lián)著的三個環(huán)節(jié)三個環(huán)節(jié)組成，即：組成，即： 熱流體熱流體 壁面高溫側(cè)；壁面高溫側(cè)； 壁面高溫側(cè)壁面高溫側(cè) 壁面低溫側(cè)；壁面低溫側(cè)； 壁面低溫側(cè)壁面低溫側(cè) 冷流體。冷流體。 若是穩(wěn)態(tài)過程則通過串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同。若是穩(wěn)態(tài)過程則通過串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同。 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)283 、傳熱過程的計算、傳熱過程的計算 22221111fwwwwfttAhQttAkQttAhQ（a）

15、（b）（c）穩(wěn)態(tài)傳熱，穩(wěn)態(tài)傳熱，傳熱環(huán)節(jié)有三種傳熱環(huán)節(jié)有三種情況情況，其熱流量分別為：，其熱流量分別為： 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)29將式（將式（a a）, ,（b b）, ,（c c）改寫成溫差的形式：）改寫成溫差的形式：22221111/AhQttkAQttAhQttfwwwwf（d）（e）（f） 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)30三式相加，整理可得三式相加，整理可得: :也可以表示成也可以表示成: : 212111)(hkhttAQff（1-10）tAHttAHQff)(21（1-11） 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)311.3.2傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)RT1 、概念、概念 是指用來表征傳熱過程強烈程度的指標(biāo)。是指用來表征傳熱過程強烈程度的指標(biāo)。它等于冷熱流體間溫差它等于冷熱流體間溫差 ， 傳熱面積傳熱面積 時熱流量的值。時熱流量的值。 影響因素：影響因素： 參與傳熱過程的兩種流體的種類；參與傳熱過程的兩種流體的種類； 傳熱過程是否有相變傳熱過程是否有相變1t21mA 傳傳 熱熱 學(xué)學(xué)32傳熱系數(shù)的表達式為傳熱系數(shù)的表達式為: : 21111hkhRT21111hkh