《傳熱學(xué)》第1章_緒論分析課件

1、傳 熱 學(xué)(Heat Transfer)E-mail：jayjicn主講：冀杰西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院傳熱學(xué)課程導(dǎo)入課程性質(zhì)： 專業(yè) 基礎(chǔ) 課傳熱學(xué)在車輛工程中的應(yīng)用： 發(fā)動(dòng)機(jī)熱利用及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制動(dòng)系統(tǒng)的熱失效等、排氣系統(tǒng)熱分析。要求： 上課時(shí)間必須保持紀(jì)律； 學(xué)而時(shí)“習(xí)”之，不亦說乎； 有教無類。傳熱學(xué)課程導(dǎo)入傳熱學(xué)課程導(dǎo)入傳熱學(xué)課程導(dǎo)入課程教材：傳熱學(xué)(第四版) 楊世銘、陶文銓 高等教育出版社參考書籍：傳熱學(xué)(第2版) 戴鍋生 高等教育出版社數(shù)值傳熱學(xué)(第2版) 陶文銓 西安交通大學(xué)出版社Heat Transfer(第9版) J.P.Holman 機(jī)械工業(yè)出版社TK1

2、24/T708-2 TK124/D482 傳熱學(xué)課程導(dǎo)入學(xué)習(xí)網(wǎng)站：西安交通大學(xué)CFD-NHT-EHT研究中心http:/nht/course/crx/para/intro.htm南京航空航天大學(xué)傳熱學(xué)精品課程/heat/other/1.html上海理工大學(xué)傳熱學(xué)精品課程 http:/jpkc/heat_transfer/index.htm集美大學(xué)傳熱學(xué)精品課程/skyclass/C171/Asp/Root/Index.asp考核辦法：平時(shí)成績: 30% (包括：出勤15、作業(yè)15)期末考試: 70% (閉卷)第1章 緒論1.1 傳熱學(xué)的研究內(nèi)容及其在科學(xué)技術(shù)和工程中的應(yīng)用1.1.1 什么是傳熱

3、學(xué)定義：研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)。解釋： 溫差是傳熱學(xué)研究的推動(dòng)力，熱力學(xué)第二定律：“凡是有溫差存在的地方，就有熱能自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞”。 熱能傳遞規(guī)律是指單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量與物體中相應(yīng)的溫度差之間的關(guān)系。 科學(xué)是指能夠利用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式明確地描述熱能傳遞規(guī)律，并能利用這些知識測試、控制和優(yōu)化熱量傳遞過程。范圍： 空間：宏觀傳熱學(xué)，假定傳熱學(xué)研究對象的介質(zhì)是連續(xù)的； 時(shí)間：不考慮極高速時(shí)的傳熱現(xiàn)象(激光等)。第1章 緒論1.1.2 傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)得關(guān)系 熱力學(xué) + 傳熱學(xué) = 熱科學(xué)(Thermal Science)系統(tǒng)從一個(gè)熱平衡態(tài)到另一個(gè)熱平衡態(tài)的過程中傳遞

4、熱量的多少。tm，關(guān)心的是熱量傳遞的過程，即熱量傳遞的速率。水，M220oC鐵塊 M1300oC傳熱學(xué)與熱力學(xué)的關(guān)系聯(lián)系：傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即在能量轉(zhuǎn)換和 傳遞過程中各種形式能源的總量保持不變； 始終從高溫?zé)嵩?向低溫?zé)嵩醋园l(fā)地傳遞。區(qū)別: 熱力學(xué)是必須處于平衡狀態(tài)系統(tǒng)，沒有 溫差和壓力差，而傳熱學(xué)的關(guān)鍵是有溫差。第1章 緒論1.1.2 傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域中的應(yīng)用傳熱問題的種類: 強(qiáng)化傳熱：在一定的條件下(溫差、體積、重量、泵能等)增加所 傳遞的能量。 削弱傳熱：在一定的溫差下使熱量的傳遞減到最小。 溫度控制：對熱量傳遞過程中物體關(guān)鍵部位的溫度進(jìn)行控制。傳熱學(xué)基本技能

5、: 了解概念：了解傳熱學(xué)課程中的基本概念，并且能夠利用這些概 念解釋復(fù)雜的傳熱現(xiàn)象。 掌握方法：掌握傳熱學(xué)問題的分析方法，比如實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)法、比擬 法等，同時(shí)掌握解決一般工程問題的解決思路。 學(xué)會解題：傳熱學(xué)是典型的工程問題，要會根據(jù)掌握的數(shù)學(xué)知識 解決實(shí)際工程問題。第1章 緒論1.2 熱能傳遞的三種基本方式熱傳導(dǎo) (heat conduction)；熱對流 (heat convection)；熱輻射 (thermal radiation)。對三種傳熱方式分別進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后結(jié)合三種基本傳熱方式解釋復(fù)雜熱現(xiàn)象。第1章 緒論1.2.1 熱傳導(dǎo)(Heat Conduction)定義：物體各部分之間不發(fā)生

6、相對位移時(shí)，依靠分子原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞。特點(diǎn): (1) 必須要有溫差; (2) 物體內(nèi)部或者物體直接接觸;(3) 依靠微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)傳熱; (4) 只討論熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律，忽略微觀機(jī)理。介質(zhì): 可以在固體、氣體、液體中發(fā)生。第1章 緒論1822年，法國數(shù)學(xué)家Fourier提出:單位時(shí)間內(nèi)通過該層的導(dǎo)熱熱量與當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓始捌桨迕娣e成正比，稱為Fourier定律(速率方程)。其中：負(fù)號表示熱量由高溫處到低溫處傳遞;:熱流量,單位時(shí)間傳遞的熱量W; 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)。圖1-2 一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱導(dǎo)熱的基本定律： 0 x

7、t tw2 tw1 如果平板兩個(gè)表面均維持均勻溫度，壁內(nèi)溫度只沿垂直于壁面的方向變化,那么:第1章 緒論導(dǎo)熱系數(shù) 表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，是一種物性參數(shù)，與材料種類和溫度有關(guān)。一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式： 單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量稱為熱流密度，用字母q表示，它與熱流量 之間的關(guān)系表示為：如果是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，那么熱流密度在任意界面上都是相等的，因此，熱流密度可以表示為泰坦尼克號第1章 緒論例 題 1-1試求下列條件下的熱流密度。材料為銅，=375 w/(mK );材料為鋼，=36.4 w/(mK );材料為鉻磚，=2.32 w/(mK )；材料為硅藻土磚， =0.242 w/(mK )。計(jì)算：題

8、目假設(shè)符合一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱規(guī)律，直接套用穩(wěn)態(tài)傅里葉導(dǎo)熱定律一塊厚度=50 mm 的平板，兩側(cè)表面分別維持在 0 xt tw2 tw1 假設(shè)：(1)一維導(dǎo)熱問題；(2) 穩(wěn)態(tài)過程； (3) 導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)第1章 緒論鉻磚：硅藻土磚：討論：由計(jì)算可見，由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，導(dǎo)致在相同的條件下通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級。因而，銅是熱的良導(dǎo)體，而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用銅：鋼：第1章 緒論1.2.2 熱對流(Heat Convection)定義：由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的物體各部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱物體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。對流換熱的分類： 無相變：

9、強(qiáng)迫對流和自然對流 有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱特點(diǎn): (1)熱對流僅能發(fā)生在流體中； (2)熱對流必須伴隨熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。對流傳熱：流體流過一個(gè)物體表面時(shí)，流體與物體表面間的熱量傳遞過程對流換熱中的邊界層第1章 緒論 熱流量W, 單位時(shí)間傳遞的熱量q 熱流密度h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)A 與流體接觸的壁面面積 固體壁表面溫度 流體溫度牛頓冷卻公式(Newtons law of cooling)：(對流傳熱速率方程)第1章 緒論表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(Convective heat transfer coefficient)：影響因素：流體物性(密度、比熱容等)， 換熱表面的形狀、大小和布置， 流體流速傳熱特性：水大于

10、空氣(介質(zhì))， 有相變大于無相變， 強(qiáng)制對流大于自然對流。本書第5-7章將著重討論表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素及如何求解定義：當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面面積上、 單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量 對流換熱類型表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h W /( m2K) 氣體自然對流換熱225 液體自然對流換熱501000 氣體強(qiáng)迫對流換熱25250 液體強(qiáng)迫對流換熱5025000 液體沸騰2500100000 蒸氣凝結(jié)2000100000 表1-1 一些表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍第1章 緒論第1章 緒論1.2.2 熱輻射(thermal radiation)定義：由于熱的原因產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象特點(diǎn)：(1) 任

11、何物體，只要溫度高于0 K(絕對零度)，就會不停地向 周圍空間發(fā)出熱輻射； (2) 可以在真空中傳播,且在真空中傳遞效率最高(區(qū)別傳熱 和對流傳熱的特點(diǎn))； (3) 伴隨輻射能和熱能之間的能量形式轉(zhuǎn)變(另一個(gè)區(qū)別) ； (4) 輻射具有強(qiáng)烈的方向性。 輻射傳熱：輻射與吸收過程的綜合結(jié)果就造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞。當(dāng)物體與周圍環(huán)境處于熱平衡時(shí)(與環(huán)境溫度相同)，輻射傳熱量等于零，但這是動(dòng)態(tài)平衡，輻射與吸收過程仍在不斷的進(jìn)行。第1章 緒論生活中的例子： a 當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會感到面向火的一面比背面熱； b 冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會感到比沒有窗簾時(shí)要舒服； c 太陽能傳遞到地

12、面，只有輻射，沒有傳熱和對流。第1章 緒論熱輻射規(guī)律研究方法：假設(shè)有一種絕對黑體(理想狀態(tài))，它只關(guān)心熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他因素，然后，真實(shí)物體的輻射則與黑體進(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。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。黑體的吸收和輻射本領(lǐng)在同溫度的物體中是最大的。斯忒藩-波耳茲曼定律(Stefan-Boltzmann)：黑體的熱力學(xué)溫度，單位為K；斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)，其值為5.6710-8W/(m2K4)；輻射表面積，單位為m2第1章 緒論實(shí)際物體熱輻射特性：表示黑體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱輻射熱量。其中 表示物體

13、的發(fā)射率，總小于1。1. 發(fā)射率表示同溫度下實(shí)際物體的輻射能力與黑體輻射能力的 性能比較，在實(shí)際中應(yīng)用較廣；2. 斯忒藩-波耳茲曼定律又稱四次方定律，是輻射傳熱計(jì)算的基礎(chǔ)；3. 公式中的是向外輻射的熱流量，而不是輻射傳熱量，傳熱量 還要計(jì)算吸收的能量(第九章)。幾點(diǎn)說明：第1章 緒論輻射傳熱計(jì)算：兩黑體表面間的輻射換熱實(shí)際兩物體之間的輻射換熱量高溫物體低溫物體第1章 緒論例題 1-3一塊發(fā)射率=0.8的鋼板，溫度為27，試計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)鋼板單位面積上所發(fā)出的輻射能。假設(shè)：(1) 鋼板表面溫度均勻；(2) 表面發(fā)射率均勻。計(jì)算：按照實(shí)際物體熱輻射定律，單位面積上所發(fā)出的輻射能為：注意：(1) 公

14、式中的溫度為絕對溫度； (2) 計(jì)算結(jié)果為鋼板單位面積上輻射出去的能量，不是輻射傳熱量。問題：如果室內(nèi)環(huán)境溫度也是27 ，那么鋼板的輻射傳熱量是多少？第1章 緒論熱量傳遞方式小結(jié)：三種方式：熱傳導(dǎo)、對流傳熱、熱輻射特點(diǎn)：實(shí)際問題中，傳熱方式往往不是單獨(dú)出現(xiàn)的。傅里葉定律、牛頓冷卻公式及斯忒藩-波耳茲曼定律 對穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)過程都是適用的。關(guān)鍵點(diǎn)：熟練掌握三種熱能傳遞方式的概念及計(jì)算公式！能夠準(zhǔn)確分析復(fù)雜傳熱學(xué)問題！第1章 緒論例題 1-2試求：（1） 此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式； （2） 計(jì)算每米長度管道的總散熱量。假設(shè)：（1） 沿管子長度方向各給定參數(shù)都保持不變；(2) 穩(wěn)態(tài)過程 （

15、3） 管道周圍的其他固體表面溫度等于空氣溫度。分析：（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一根水平放置的蒸汽管道，其保溫層外徑d=583 mm，外表面實(shí)測平均溫度及空氣溫度分別為 ，此時(shí)空氣與管道外表面間的自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的值等于h=3.42 W /(m2K), 保溫層外表面的發(fā)射率 。近似地取管道的表面溫度為室內(nèi)空氣溫度，于是每米長度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的熱輻射為：討論：計(jì)算結(jié)果表明，對于表面溫度為幾十?dāng)z氏度的一類表面的散熱問題，自然對流散熱量與熱輻射具有相同的數(shù)量級，必須同時(shí)予以考慮。當(dāng)僅考慮自然對流時(shí)，單位長度上的自然

16、對流散熱量為：第1章 緒論每米長管道的總散熱量為：1.3 傳熱過程和傳熱系數(shù)第1章 緒論定義：熱量由壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過程注意：傳熱過程具有特定的含義，與一般熱量傳遞過程不同過程：(1) 從熱流體到壁面高溫側(cè)的熱量傳遞； (2) 從壁面高溫側(cè)到壁面低溫側(cè)的熱量傳遞， 亦即穿過固體壁的導(dǎo)熱； (3) 從壁面低溫側(cè)到冷流體的熱量傳遞。關(guān)鍵：穩(wěn)態(tài)過程中，通過串聯(lián)著的每個(gè)環(huán)節(jié)的 熱流量應(yīng)該是相等的熱流量表達(dá)式：第1章 緒論對上面的公式進(jìn)行整理，得到傳熱過程中傳遞的熱量為：注意：如果在傳熱過程中需要考慮輻射傳熱，那么h1、h2可取為復(fù)合換熱 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)其中：k稱為傳熱系數(shù)，是總

17、的熱阻的倒數(shù)，需要先知道三個(gè)分別的熱阻。 數(shù)值上等于冷、熱物體間溫差t=1、傳熱面積A=1m2時(shí)的熱流量 的值，是表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺。 為了與前面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)區(qū)別，我們將這個(gè)系數(shù)稱為總傳熱系數(shù)。 傳熱過程越強(qiáng)烈，傳熱系數(shù)越大。第1章 緒論傳熱系數(shù)的大致數(shù)值范圍過程h/W/(m2K)從氣體到氣體(常壓)1030從氣體到高壓水蒸汽或水10100從油到水100600從凝結(jié)有機(jī)物蒸氣到水5001000從水到水10002500從凝結(jié)水蒸氣到水20006000第1章 緒論傳熱熱阻將傳熱過程與電學(xué)的歐姆定律作比較傳熱量類似于電學(xué)中的電流I溫差t類似于電學(xué)中的電壓U而1/(Ak)類似于電學(xué)中的電阻R1

18、/(Ak)稱為傳熱過程熱阻那么分別為各環(huán)節(jié)的熱阻在一個(gè)串聯(lián)的熱量傳遞過程中，如果通過各個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量相同，則各串聯(lián)環(huán)節(jié)的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻之和。熱阻分析法可用于穩(wěn)態(tài)傳熱過程分析，不可用于非穩(wěn)態(tài)傳熱分析第1章 緒論例題 1-4試求：（1） 三個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻及冷凝器的總傳熱系數(shù)； （2） 欲增強(qiáng)傳熱應(yīng)從哪個(gè)環(huán)節(jié)入手。假設(shè)：（1） 穩(wěn)態(tài)過程； （2） 將圓管按厚度等于管子壁厚的平板處理。分析：（1） 根據(jù)不同傳熱方式分別計(jì)算出各環(huán)節(jié)熱阻； （2） 根據(jù)各環(huán)節(jié)熱阻占總熱阻比例增強(qiáng)傳熱。對一臺氟利昂冷卻器的傳熱過程作初步測算得到一下數(shù)據(jù)：管內(nèi)水的對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1=8700W/(m2K)，管外

19、氟利昂蒸氣凝結(jié)換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2=1800W/(m2K)，換熱管子壁厚=1.5mm，管子的材料是銅，它的導(dǎo)熱系數(shù)為=383W/(mK) 。第1章 緒論計(jì)算：三個(gè)環(huán)節(jié)單位面積熱阻的計(jì)算分別如下：水側(cè)換熱面積熱阻：管壁導(dǎo)熱面積熱阻：氟利昂蒸氣凝結(jié)面積熱阻：冷凝器的總傳熱系數(shù)：水側(cè)、管壁、氟利昂側(cè)的面積熱阻分別占17%，0.6%，82.4%，氟利昂蒸氣側(cè)占主要地位，要增強(qiáng)冷凝器的傳熱，應(yīng)從這一環(huán)節(jié)入手。第1章 緒論1.4 傳熱學(xué)的發(fā)展簡史和研究方法傳熱學(xué)發(fā)展簡史：熱是一種運(yùn)動(dòng)，而不是一種“熱素”，兩個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)：1798 年倫福特鉆炮筒大量發(fā)熱實(shí)驗(yàn)1799 年戴維兩塊冰塊摩擦生熱化成水的實(shí)驗(yàn)J. B. Biot發(fā)現(xiàn)了基本的導(dǎo)熱定律J.B.Fourier利用完善的數(shù)學(xué)理論揭示了導(dǎo)熱現(xiàn)象，是導(dǎo)熱理論的奠基人第1章 緒論對流傳熱學(xué)發(fā)展簡史：納維-斯托克斯完成了流體流動(dòng)基本方程，難以求解雷諾提出了雷諾數(shù)，澄清了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的混亂。努賽爾開辟了在無量綱數(shù)原則下求解對流傳熱的方法普朗特提出邊界層概