傳熱學(xué)-第一章

1、傳熱學(xué)-第一章第1頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日參 考 書 教材: 傳熱學(xué) 楊世銘、陶文銓編著，第三版?zhèn)鳠釋W(xué) 戴鍋生，第二版數(shù)值傳熱學(xué) 陶文銓編著對(duì)流換熱 V. S. 阿巴茲凝結(jié)和沸騰施明恒等編著輻射換熱 余其錚編著 Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Mills Fundamentals of Heat Transfer, by F. P. Incropera, D.P. DeWitt 第2頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日考 核 方 法平時(shí)成績(jī): 30% (包括：上機(jī)、實(shí)驗(yàn)、出勤及作業(yè))期末考

2、試: 70%第3頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日第一章 緒 論1-0 概 述 1. 傳熱學(xué)（Heat Transfer） (1) 研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，具體來(lái)講主要有熱量傳遞 的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法 (2) 熱量傳遞過(guò)程的推動(dòng)力：溫差 熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o 低溫?zé)嵩?有溫差就會(huì)有傳熱 溫差是熱量 傳遞的推動(dòng)力 第4頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日2. 傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系(1) 熱力學(xué) + 傳熱學(xué) = 熱科學(xué)(Thermal Science) 系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過(guò)程中傳遞熱量的多少。 關(guān)心的是熱量

3、傳遞的過(guò)程，即熱量傳遞的速率。熱力學(xué)：傳熱學(xué)：水，M220oC鐵塊, M1300oC圖1-1 傳熱學(xué)與熱力學(xué)的區(qū)別(2) 傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即 始終從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩簜鬟f，如果沒(méi)有能量形式的轉(zhuǎn)化，則 始終是守恒的第5頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日3 傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例 自然界與生產(chǎn)過(guò)程到處存在溫差 傳熱很普遍 b 夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺(jué)不一樣。為什么？c 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？(1) 日常生活中的例子：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度，那么在

4、冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？第6頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日(2) 特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問(wèn)題(3) 幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用a 航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；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（Ma=10）冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽(yáng)能高空無(wú)人飛機(jī)動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)第7頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日b

5、 微電子： 電子芯片冷卻c 生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑煟簧镄酒?；組織與器 官的冷凍保存d 軍 事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存e 制 冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵；高溫 水源熱泵f 新 能 源：太陽(yáng)能；燃料電池4 傳熱過(guò)程的分類按溫度與時(shí)間的依變關(guān)系，可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩大類。第8頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日1-1 熱量傳遞的三種基本方式1 導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對(duì)流(熱對(duì)流)和熱輻射。(1)定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞

6、現(xiàn)象(2)物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生(3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)：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(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；d 在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。第9頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日(4)導(dǎo)熱的基本定律： 1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier: 上式稱為Fourier定律，號(hào)稱導(dǎo)熱基本定律，是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。其中：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(guò)單位面積傳遞的熱量；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/( m K)。圖1-2 一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱t(yī)0 x dxdtQ第10頁(yè)

7、，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日(6) 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻 如圖1-3所示，穩(wěn)態(tài) q = const，于是積分Fourier定律有：復(fù)習(xí)：1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容 (1) 定義 2 傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系 (2) 物質(zhì)的屬性： 3 傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例 (3) 導(dǎo)熱的特點(diǎn) 4 傳熱過(guò)程的分類 (4) 導(dǎo)熱的基本定律 5 導(dǎo)熱 (5) 導(dǎo)熱系數(shù)(5) 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)，與材料種類和溫度關(guān)。第11頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日Q圖1-3 導(dǎo)熱熱阻的圖示 t0 x dxdtQ導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻第12頁(yè)，共36頁(yè)，2022

8、年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日例 題 1-1例題 1-1 一塊厚度=50 mm 的平板， 兩側(cè)表面分別維持在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 )；材料為鉻藻土磚， =0.242 w/(mK )。解：參見(jiàn)圖1-3。 及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：第13頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日鉻磚： 硅藻土磚：討論：由計(jì)算可見(jiàn)， 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(guò)銅板的導(dǎo)熱量比通過(guò)硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。 因而，銅是熱的良導(dǎo)體， 而硅藻土磚則起到一定

9、的隔熱作用銅：鋼：第14頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之 間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處 傳遞到另一處的現(xiàn)象。2 對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)(2) 對(duì)流換熱：當(dāng)流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞 過(guò)程，他與單純的對(duì)流不同，具有如下特點(diǎn)： a 導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)程 b 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也 必須有溫差 c 壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層 對(duì)流換熱的分類 無(wú)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)換熱第15頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日?qǐng)D

10、1-4 對(duì)流換熱中邊界層的示意圖第16頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日Convection heattransfer coefficient(4) 對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式牛頓冷卻公式h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 熱流量W，單位時(shí)間傳遞的熱量q 熱流密度A 與流體接觸的壁面面積 固體壁表面溫度 流體溫度第17頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日 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)所傳遞的熱量影響h因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等（Convection heat transfer coefficient）(5) 對(duì)流換熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))

11、第18頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日Thermal resistance for convection(6) 對(duì)流換熱熱阻： 第19頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日(1) 定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象3 熱輻射(Thermal radiation)(2) 特點(diǎn)：a 任何物體，只要溫度高于0 K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d 具有強(qiáng)烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。 (3) 生活中的例子： a 當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面

12、熱； b 冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒(méi)有窗簾時(shí) 要舒服； c 太陽(yáng)能傳遞到地面 d 冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0以上，但地面卻可能 結(jié)冰。第20頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日?qǐng)D16第21頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日(5) 輻射換熱的特點(diǎn)a 不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在 真空中就可以傳遞能量b 在輻射換熱過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換 物體熱力學(xué)能 電磁波能 物體熱力學(xué)能c 無(wú)論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁 波能、相 互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物 體輻射給高溫物體的能量；總的結(jié)果是

13、熱由高溫傳到低溫(4) 輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣，(參照?qǐng)D18)。 第22頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日(6) 輻射換熱的研究方法：假設(shè)一種黑體，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(guò)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(7) 黑體的定義：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(zhǎng)，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng) 黑體輻射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律 ， ，真實(shí)物體則為： （9） 兩黑體表面間的輻射換

14、熱 (參見(jiàn)圖19)：第23頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日?qǐng)D17 兩黑體表面間的輻射換熱第24頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日例 題 1-2 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(cè)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(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42 W /(m2 K), 保溫層外表面的發(fā)射率問(wèn)：（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(zhǎng)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(duì)流換熱兩種方式。（2）把管道每米長(zhǎng)度上的散熱量記為量為：第25頁(yè)，共36頁(yè)，2022

15、年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日近似地取管道的表面溫度為室內(nèi)空氣溫度， 于是每米長(zhǎng)度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為：討論： 計(jì)算結(jié)果表明， 對(duì)于表面溫度為幾上幾十?dāng)z氏度的一類表面的散熱問(wèn)題， 自然對(duì)流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級(jí)，必須同時(shí)予以考慮。當(dāng)僅考慮自然對(duì)流時(shí)，單位長(zhǎng)度上的自然對(duì)流散熱第26頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日1-2 傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)1 傳熱過(guò)程的定義：兩流體間通過(guò)固體壁面進(jìn)行的換熱2 傳熱過(guò)程包含的傳熱方式：導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射輻射換熱、對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)圖18 墻壁的散熱第27頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日3 一維

16、穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程中的熱量傳遞圖19 一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程忽略熱輻射換熱，則左側(cè)對(duì)流換熱熱阻固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對(duì)流換熱熱阻第28頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日上面?zhèn)鳠徇^(guò)程中傳遞的熱量為：(1-10)傳熱系數(shù) ，是表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過(guò)程有關(guān)。 傳熱系數(shù)單位熱阻或面積熱阻第29頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日a k 越大，傳熱越好。若要增大 k，可增大c h1、h2的計(jì)算方法及增加k值的措施是本課程的重要 內(nèi)容注意：b 非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程以及有內(nèi)熱源時(shí)，不能用熱阻分析法第30頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日1-3

17、 傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史18世紀(jì)30年代工業(yè)化革命促進(jìn)了傳熱學(xué)的發(fā)展導(dǎo)熱（Heat conduction）鉆炮筒大量發(fā)熱的實(shí)驗(yàn)（B. T. Rumford, 1798年）兩塊冰摩擦生熱化為水的實(shí)驗(yàn)（H. Davy, 1799年）導(dǎo)熱熱量和溫差及壁厚的關(guān)系（J. B. Biot, 1804年）Fourier 導(dǎo)熱定律 (J. B. J. Fourier , 1822 年）G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M. Jakob 第31頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日對(duì)流換熱 （Convection heat transfer）

18、不可壓縮流動(dòng)方程 （M.Navier,1823年)流體流動(dòng)Navier-Stokes基本方程 (G.G.Stokes,1845年）雷諾數(shù)(O.Reynolds,1880年）自然對(duì)流的理論解（L.Lorentz, 1881年）管內(nèi)換熱的理論解（L.Graetz, 1885年；W.Nusselt,1916年）凝結(jié)換熱理論解 （W.Nusselt, 1916年）強(qiáng)制對(duì)流與自然對(duì)流無(wú)量綱數(shù)的原則關(guān)系 （W.Nusselt,1909年/1915年）流體邊界層概念 （L.Prandtl, 1904年）熱邊界層概念 （E.Pohlhausen, 1921年）湍流計(jì)算模型 （L.Prandtl,1925年；Th.Von Karman, 1939年；R.C. Martinelli, 1947年） 第32頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)7分，星期日熱輻射及輻射換熱(Thermal radiation)黑體輻射光譜能量分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(O.Lummer,1889年）黑體輻射能量和溫度的關(guān)系(J.Stefan and L.Botzmann,1889年）黑體輻射光譜能量分布的公式維恩公式（1896年）/Rayleigh-Jeans公式能量子假說(shuō) （M. Planck,1900年）/光量子理論（A.Einstei