工程熱物理研究所

傳熱學(xué)〔HeatTransfer〕第一章緒論§1-0概述1.傳熱學(xué)〔HeatTransfer〕(1)研討熱量傳送規(guī)律的科學(xué)，詳細(xì)來(lái)講主要有熱量傳送的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法(2)熱量傳送過(guò)程的推進(jìn)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)嵩从袦夭罹蜁?huì)有傳熱溫差是熱量傳送的推進(jìn)力

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)(ThermalScience)系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過(guò)程中傳送熱量的多少。

關(guān)懷的是熱量傳送的過(guò)程，即熱量傳送的速率。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根底，即一直從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩簜魉?，假設(shè)沒(méi)有能量方式的轉(zhuǎn)化，那么一直是守恒的3傳熱學(xué)運(yùn)用實(shí)例自然界與消費(fèi)過(guò)程四處存在溫差傳熱很普遍b夏天人在同樣溫度〔如：25度〕的空氣和水中的覺(jué)得不一樣。為什么？c北方冰冷地域，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。假設(shè)房間里氣體的溫度在夏天和冬天都堅(jiān)持20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？(2)特別是在以下技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問(wèn)題(3)幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的詳細(xì)運(yùn)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〕、新資料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…b微電子：電子芯片冷卻c生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官的冷凍保管d軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥儲(chǔ)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?！?-1熱量傳送的三種根本方式1導(dǎo)熱〔熱傳導(dǎo)〕(Conduction)熱量傳送的三種根本方式：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)，依托分子、原子及自在電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)展的熱量傳送景象(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必需有溫差；b物體直接接觸；c依托分子、原子及自在電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳送熱量；d在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。(4)導(dǎo)熱的根本定律：1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier:上式稱為Fourier定律，號(hào)稱導(dǎo)熱根本定律，是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。其中：：熱流量，單位時(shí)間傳送的熱量[W]；q：熱流密度，單位時(shí)間經(jīng)過(guò)單位面積傳送的熱量；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/(mK)]。圖1-2一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱t(yī)0

x

dxdtQ(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)的研討內(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)運(yùn)用實(shí)例(3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)4傳熱過(guò)程的分類(4)導(dǎo)熱的根本定律5導(dǎo)熱(5)導(dǎo)熱系數(shù)(5)導(dǎo)熱系數(shù)表征資料導(dǎo)熱才干的大小，是一種物性參數(shù)，與資料種類和溫度關(guān)。Q圖1-3導(dǎo)熱熱阻的圖示

t0

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dxdtQ導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻例題1-1例題1-1一塊厚度δ=50mm的平板，兩側(cè)外表分別維持在試求以下條件下的熱流密度。資料為銅，λ=375w/(mK);資料為鋼，λ=36.4w/(mK);資料為鉻磚，λ=2.32w/(mK)；資料為鉻藻土磚，λ=0.242w/(mK)。解：參見(jiàn)圖1-3。及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：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)的宏大差別，導(dǎo)致在一樣的條件下經(jīng)過(guò)銅板的導(dǎo)熱量比經(jīng)過(guò)硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，銅是熱的良導(dǎo)體，而硅藻土磚那么起到一定的隔熱作用銅：鋼：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)而把熱量由一處傳送到另一處的景象。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)物體外表時(shí)的熱量傳送過(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)雜熱傳送過(guò)程b必需有直接接觸〔流體與壁面〕和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必需有溫差c壁面處會(huì)構(gòu)成速度梯度很大的邊境層對(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)換熱圖1-4對(duì)流換熱中邊境層的表示圖Convectionheattransfercoefficient(4)對(duì)流換熱的根本計(jì)算公式——牛頓冷卻公式h—外表傳熱系數(shù)

—熱流量[W]，單位時(shí)間傳送的熱量q—熱流密度A—與流體接觸的壁面面積—固體壁外表溫度—流體溫度——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)所傳送的熱量影響h要素：流速、流體物性、壁面外形大小等〔Convectionheattransfercoefficient〕(5)對(duì)流換熱系數(shù)(外表傳熱系數(shù))Thermalresistanceforconvection(6)對(duì)流換熱熱阻：(1)定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波方式傳送能量的景象3熱輻射(Thermalradiation)(2)特點(diǎn)：a任何物體，只需溫度高于0K，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伴隨能量方式的轉(zhuǎn)變；d具有劇烈的方向性；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)他接近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比反面熱；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)要溫馨；c太陽(yáng)能傳送到地面d冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0℃以上，但地面卻能夠結(jié)冰。(5)輻射換熱的特點(diǎn)a不需求冷熱物體的直接接觸；即：不需求介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳送能量b在輻射換熱過(guò)程中伴隨著能量方式的轉(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)果是熱由高溫傳到低溫(4)輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)展的熱量傳送，它與單純的熱輻射不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣。(6)輻射換熱的研討方法：假設(shè)一種黑體，它只關(guān)懷熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他要素，然后，真實(shí)物體的輻射那么與黑體進(jìn)展比較和修正，經(jīng)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：能吸收投入到其外表上的一切熱輻射的物體，包括一切方向和一切波長(zhǎng)，因此，一樣溫度下，黑體的吸收才干最強(qiáng)黑體輻射的控制方程：Stefan-Boltzmann定律，

，真實(shí)物體那么為：〔9〕兩黑體外表間的輻射換熱

圖1－7兩黑體外表間的輻射換熱例題1-2一根程度放置的蒸汽管道，其保溫層外徑d=583mm，外外表實(shí)測(cè)平均溫度及空氣溫度分別為，此時(shí)空氣與管道外外表間的自然對(duì)流換熱的外表傳熱系數(shù)h=3.42W/(m2K),保溫層外外表的發(fā)射率問(wèn)：〔1〕此管道的散熱必需思索哪些熱量傳送方式；〔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?！?〕把管道每米長(zhǎng)度上的散熱量記為量為：近似地取管道的外表溫度為室內(nèi)空氣溫度，于是每米長(zhǎng)度管道外外表與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為：討論：計(jì)算結(jié)果闡明，對(duì)于外表溫度為幾上幾十?dāng)z氏度的一類外表的散熱問(wèn)題，自然對(duì)流散熱量與輻射具有一樣的數(shù)量級(jí)，必需同時(shí)予以思索。當(dāng)僅思索自然對(duì)流時(shí)，單位長(zhǎng)度上的自然對(duì)流散熱§1-2傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)1傳熱過(guò)程的定義：兩流體間經(jīng)過(guò)固體壁面進(jìn)展的換熱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1－8墻壁的散熱3一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程中的熱量傳送圖1－9一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程忽略熱輻射換熱，那么左側(cè)對(duì)流換熱熱阻固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對(duì)流換熱熱阻上面?zhèn)鳠徇^(guò)程中傳送的熱量為：(1-10)傳熱系數(shù)，是表征傳熱過(guò)程劇烈程度的標(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ak越大，傳熱越好。假設(shè)要增大k，可增大ch1、h2的計(jì)算方法及添加k值的措施是本課程的重要內(nèi)容留意：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§1-3傳熱學(xué)開展簡(jiǎn)史18世紀(jì)30年代工業(yè)化革命促進(jìn)了傳熱學(xué)的開展導(dǎo)熱〔Heatconduction〕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對(duì)流換熱〔Convectionheattransfer〕不可緊縮流動(dòng)方程〔M.Navier,1823年)流體流動(dòng)Navier-Stokes根本方程(G.G.Stokes,1845年〕雷諾數(shù)(O.Reynolds,1880年〕自然對(duì)流的實(shí)際解〔L.Lorentz,1881年〕管內(nèi)換熱的實(shí)際解〔L.Graetz,1885年；W.Nusselt,1916年〕凝結(jié)換熱實(shí)際解〔W.Nusselt,1916年〕強(qiáng)迫對(duì)流與自然對(duì)流無(wú)量綱數(shù)的原那么關(guān)系〔W.Nusselt,1909年/1915年〕流體邊境層概念〔L.Prandtl,1904年〕熱邊境層概念〔E.Pohlhausen,1921年〕湍流計(jì)算模型〔L.Prandtl,1925年；Th.VonKarman,1939年；R.C.Martinelli,1947年〕

熱輻射及輻射換熱(Thermalradiation)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.StefanandL.Botzmann,1889年〕黑體輻射光譜能量分布的公式維恩公式〔1896年〕/Rayleigh-Jeans