傳熱學(xué)V第一章緒論

1、傳 熱 學(xué) Heat Transfer歐陽華 2010-2011學(xué)年第一學(xué)期Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer歐陽華 副教授機(jī)械樓A-517Tel：34206344E-mail：教學(xué)進(jìn)度：116周 (63學(xué)時(shí))考核方式： 平時(shí)成績(jī) 30 （包括出勤、作業(yè)、上機(jī)及實(shí)驗(yàn)） 考試成績(jī) 70Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH教材及參考書楊世銘、陶文銓，傳熱學(xué) （第四版），高等教育出版社，2006 （教材）陶文銓，數(shù)值傳熱學(xué)，西安交通大學(xué)出版社，2001王秋旺，傳熱學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)及典型題精解，西

2、安交通大學(xué)出版社，2001F.P. Incropera, D.P. DeWitt, T.L.Bergman and A.S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Ed., John Wiley & Sons (Asia), 2007John. H. Lienhard, A Heat Transfer. Phlogiston press, 2005J.P.Holman, Heat transfer，機(jī)械工業(yè)出版社，2005iTunes U: UC Berkeley ME 109: Introduction to Heat

3、 Transfer傳熱學(xué) Heat TransferShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer第一章 緒 論傳熱學(xué)：研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。 系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過程中傳遞熱量的多少。 關(guān)心的是熱量傳遞的過程，即溫度分布、熱量傳遞的速率。傳熱學(xué)Heat Transfer工程熱力學(xué)Thermodynamics熱科學(xué) Thermal Science水，M220oC鐵塊, M1300oCHeat transfer is the thermal energy in transit due to a spatial

4、 temperature difference. Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer傳熱學(xué)研究的基本問題物體內(nèi)部的溫度分布(溫度控制)熱量的傳遞速率強(qiáng)化或消弱熱量傳遞的方法傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即熱量始終從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩磦鬟f，如果沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，則熱量始終是守恒的。RECALL: 熱力學(xué)第一定律ststoutginEdtdEEEE封閉系統(tǒng)？開口系統(tǒng)？Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer為什么要學(xué)習(xí)傳熱學(xué)？凡是存在溫差的地方，

5、就存在熱量的傳遞，均屬于傳熱學(xué)研究范疇。日常生活：A 人體為恒溫體。若房間里氣體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？B 夏天人在同樣溫度（如：25 ）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？C 將一碗熱稀飯置于一盆冷水中冷卻，為了使稀飯冷的快些，應(yīng)該攪拌碗中的稀飯還是盆中的水？D 室內(nèi)暖氣片為何在空氣側(cè)加肋片？工業(yè)技術(shù)研究領(lǐng)域： 傳熱學(xué)是能源、動(dòng)力、機(jī)械、化工、電子、土木等行業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課程。航天飛行器重返大氣層、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的冷卻、重型發(fā)電機(jī)組、制冷空調(diào)設(shè)備、電子芯片冷卻、燃料電池 熱量如何有效傳遞？Shanghai Jiao Tong

6、UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer連續(xù)介質(zhì)假設(shè)： 假定研究對(duì)象的幾何尺度遠(yuǎn)大于分子平均自由行程，研究對(duì)象的溫度、密度、速度和壓力等物理參數(shù)為空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)。 常規(guī)尺度的物體均滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)； 不滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：微米級(jí)別尺度（MEMS, 1m1mm），高空稀薄氣體等。穩(wěn)態(tài)（定常）與非穩(wěn)態(tài)（非定常）傳熱： 基于溫度與時(shí)間的依變關(guān)系。),(zyxft ),(zyxft 穩(wěn)態(tài)（定常）非穩(wěn)態(tài)（非定常）Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer1-1 熱量傳遞的三種基本方式 導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射導(dǎo)熱（

7、熱傳導(dǎo)） Conduction物體各部分不發(fā)生宏觀相對(duì)位移，依靠微觀粒子（分子、原子、電子等）的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)相互碰撞而產(chǎn)生的熱量傳遞。 導(dǎo)熱是物質(zhì)的固有屬性。微觀導(dǎo)熱機(jī)理氣體氣體分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)固體導(dǎo)電固體：自由電子的運(yùn)動(dòng)非導(dǎo)電固體：晶格振動(dòng)液體Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH導(dǎo)熱基本定律（傅立葉定律）： ddxtA ddxtAqF：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量 W；q：熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量 W/m2；A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2； ：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）W/( mK)。傳熱學(xué) Heat Transfer一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱Joseph F

8、ourier (1768-1830)Heat transfer rateHeat fluxShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH導(dǎo)熱基本定律（傅立葉定律）： ddxtA ddxtAq傳熱學(xué) Heat Transfer負(fù)號(hào)：表示熱量傳遞的方向與溫度梯度方向相反。導(dǎo)熱系數(shù)： 表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，與材料種類和溫度有關(guān)。氣體液體非金屬固體金屬一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱20時(shí)，純銅 399 W/(mK)碳鋼 3540 W/(mK)水 0.599 W/(mK)空氣 0.0259 W/(mK)Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH

9、傳熱學(xué) Heat Transfer對(duì)流（熱對(duì)流） Convection流體流過固體壁面時(shí)，由于流體與壁面間溫差而引起的熱量傳遞。主要分類： 無相變：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流 有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式（牛頓冷卻公式）：thAF h：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) W/m2K，不僅是物性參數(shù)，還與流動(dòng)形態(tài)、換熱表面形狀和布置等 有關(guān)，研究對(duì)流換熱的基本任務(wù)在于確定各種情況下的表面換熱系數(shù)。 h水h空氣 h相變h無相變 h強(qiáng)迫對(duì)流h自然對(duì)流 (教材表1-1)Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer熱輻射 Thermal radiat

10、ion物體間通過熱輻射而引起的熱量傳遞。特點(diǎn)： 溫度高于0K的物體均具備熱輻射的能力； 無需介質(zhì)，可在真空傳遞； 伴隨熱能和輻射能的能量形式轉(zhuǎn)換； 輻射換熱過程是一種動(dòng)態(tài)的平衡過程。黑體： 能吸收投入表面的全部輻射能的理想物體。輻射換熱的基本研究方法：將真實(shí)物體的輻射與黑體進(jìn)行比較和修正，通過實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律。熱輻射的基本計(jì)算公式（斯忒潘-玻耳茲曼公式）：4TAF4Tq 黑體輻射常數(shù)：5.6710-8 W/m2K4實(shí)際物體引入黑度： 實(shí)際物體間的輻射換熱量：Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer

11、熱量傳遞三種基本方式的類比Lienhard, 2005Water is analogous to heat, and people is analogous to the heat transfer medium (atoms, molecules or electrons)Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer實(shí)際熱量傳遞過程： 常常表現(xiàn)為三種基本方式的相互串聯(lián)/并聯(lián)作用。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer1-2 傳熱過程和傳熱系數(shù) 傳熱過程：熱量由

12、壁面的一側(cè)流體通過固體壁面?zhèn)鬟f到另一側(cè)流體的過程。 傳熱過程包含的傳熱方式：導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射。Overall heat transfer processShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer212111)(AhAAhttfftAkttAkff)(211-2 傳熱過程和傳熱系數(shù)21111hhk傳熱過程的熱流量：（忽略輻射傳熱）傳熱方程式：引入傳熱系數(shù)：W/（m2K）k 越大，傳熱越好。若要增大 k，可增大h 和 ，或減小 （教材表1-2）僅包含壁面兩側(cè)流體的溫度與h一樣，也是過程量Shanghai Jiao Tong Uni

13、versitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer21211111hhrrrhhk1-2 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程電路類比)/(1 AktFRUI 傳熱過程熱阻: R=1/(Ak)/(1 AhRh對(duì)流傳熱熱阻: 導(dǎo)熱熱阻: )/(AR 面積熱阻如果通過傳熱過程的各環(huán)節(jié)的熱流量相等，則總熱阻等于串聯(lián)熱阻之和Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer1-2 傳熱過程和傳熱系數(shù)tf1tf2rh1rr1rh2rr2r2211/1/11/1/1111hrhrtotalrrrrrrk非穩(wěn)態(tài)傳熱及有內(nèi)熱源的傳熱，熱阻分析方法不

14、適用Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat Transfer1-3 傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史18世紀(jì)30年代的英國(guó)工業(yè)革命：導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射、數(shù)值傳熱學(xué)1-4 小結(jié) 熱量傳遞的三種基本方式 傳熱過程及熱阻的概念 工程實(shí)際中簡(jiǎn)單傳熱問題的分析 導(dǎo)熱（第24章） 對(duì)流（第5 7章） 熱輻射（第8 9章） 傳熱過程與換熱器（第10章）Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH作業(yè)（9月 9日交）：1-8，1-9，1-12，1-18，1-21，1-30，1-31，1-32傳熱學(xué) Heat TransferShanghai Ji

15、ao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學(xué) Heat TransferQuizzes： 1.The surface temperature of a person is assumed to be 35. Even though the room temperature is maintained to be constant of 25 , it is not uncommon for a person to feel chilled in the winter but comfortable in the summer. Why?Hint: 1. The environme

16、ntal temperature in winter and summer is different. 2. Room wall temperature. ANALYSIS: Thermal comfort is linked to heat loss from the human body, and a chilled feeling is associated with excessive heat loss. Because the temperature of the room air is fixed, the different summer and winter comfort levels can not be attributed to convection heat transfer from the body. However, the heat flux due to radiation will di