工程热物理所

第一章绪论§1-0概述一、基本概念1、传热学传热学是研究热量传递规律的学科。1)物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传向低温部分；2)物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体传向低温物体。2、热量传递过程根据物体温度与时间的关系，热量传递过程可分为两类：（1）稳态传热过程；（2）非稳态传热过程。1）稳态传热过程（定常过程）凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程。2）非稳态传热过程（非定常过程）凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程均称非稳态传热过程。各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停机、工况改变时的传热过程则属非稳态传热过程。二、讲授传热学的重要性及必要性1、传热学是热工系列课程教学的主要内容之一，是建环专业必修的专业基础课。是否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到后续专业课的学习效果。2、传热学在生产技术领域中的应用十分广泛。如：(1)日常生活中的例子：a人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？b夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？c北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？(1)日常生活中的例子：(2)特别是在下列技术领域大量存在传热问题动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…(3)几个特殊领域中的具体应用a航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机b微电子：电子芯片冷却c生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存d军事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e制冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵f新能源：太阳能；燃料电池三、传热学的特点、研究对象及研究方法1）理论性、应用性强传热学是热工系列课程内容和课程体系设置的主要内容之一。是一门理论性、应用性极强的专业基础课，在热量传递的理论分析中涉及到很深的数学理论和方法。在生产技术领域应用十分广泛。传热学的发展促进了生产技术的进步。1、特点2)有利于创造性思维能力的培养传热学是建筑环境与设备工程专业的主干专业课之一，在教学中重视学生在学习过程中的主体地位，启迪学生学习的积极性，在时间上给学生留有一定的思维空间。从而进一步培养创新的思维能力。对综合性、应用性强的传热问题都有详细地分析讨论。同时介绍了传热学的发展动态和前景。从而给学生开辟了广阔且纵深的思考空间。3）教育思想发生了本质性的变化传热学课程教学内容的组织和表达方面从以往单纯的为后续专业课学习服务转变到重点培养学生综合素质和能力方面，这是传热学课程理论联系实际的核心。从实际工程问题中、科学研究中提炼出综合分析题，对培养学生解决分析综合问题的能力起到积极的作用。2、研究对象传热学研究的对象是热量传递规律。3、研究方法研究的是由微观粒子热运动所决定的宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻求热量传递的规律，认为研究对象是个连续体，即各点的温度、密度、速度是坐标的连续函数，即将微观粒子的微观物理过程作为宏观现象处理。由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方程），但不能确定物体内温度分布。4、学习目的通过学习能熟练掌握传热过程的基本规律、实验测试技术及分析计算方法，从而达到认识、控制、优化传热过程的目的。§1-2热量传递的三种基本方式一、导热（热传导）1、概念定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。从微观角度分析气体、液体、导电固体与非金属固体的导热机理。（1）气体中：导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能从高温传到低温处。（2）导电固体：其中有许多自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。（3）非导电固体：导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。（4）液体的导热机理：存在两种不同的观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。说明：只研究导热现象的宏观规律。2、导热的基本规律1）傅立叶定律（1822年，法国物理学家）如图1-1所示的两个表面分别维持均匀恒定温度的平板，是个一维导热问题。对于x方向上任意一个厚度为的微元层来说，根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热热量与当地的温度变化率及平板面积A成正比，即dxdtA式中是比例系数，称为热导率，又称导热系数，负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。（1-1）2）热流量单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为，单位w。3）热流密度（面积热流量）单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为q，单位w/㎡。当物体的温度仅在x方向放生变化时，按傅立叶定律，热流密度的表达式为:dxdtAq说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式（1-1）、（1-2）是一维稳态导热时傅立叶定律的数学表达式。通过分析可知：（1-2）（1）当温度t沿x方向增加时，＞０而q＜０，说明此时热量沿x减小的方向传递；（2）反之，当0时，q0，说明热量沿x增加的方向传递。（3）导热系数λ表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位：w/mk。dxdtdxdt不同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。二、对流1、基本概念1)对流：是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随有导热现象。2、对流换热的分类1）根据对流换热时是否发生相变分：有相变的对流换热和无相变的对流换热。2）根据引起流动的原因分：自然对流和强制对流。2)对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。1）自然对流：由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。2）强制对流：流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的。3）沸腾换热及凝结换热：液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对流沸腾）。3、对流换热的基本规律牛顿冷却公式流体被加热时：流体被冷却时：)(fwtthq)(wftthq式中，及分别为壁面温度和流体温度，℃。ftwt（1-3）（1-4）如果把温差（亦称温压）记为，并约定永远取正值，则牛顿冷却公式可表示为thqtAh其中h—比例系数（表面传热系数）单位。2W/mK（1-5）（1-6）th的物理意义：单位温差作用下通过单位面积的热流量。表面传热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小相对位置，而且与流体的流速有关。一般地，就介质而言：水的对流换热比空气强烈；就换热方式而言：有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。对流换热研究的基本任务：用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面换热导数的关系式。三、热辐射1、基本概念1）辐射和热辐射物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。2）辐射换热辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的辐射热。说明：辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。3）导热、对流、辐射的评述①导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。②在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。在辐射时，辐射体内热能→辐射能；在吸收时，辐射能→受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。③辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能，④辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又称其为非接触性传热。⑤热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。⑥物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。2、热辐射的基本规律：所谓绝对黑体：把吸收率等于1的物体称黑体，是一种假想的理想物体。黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的而且辐射热量服从于斯忒藩——玻耳兹曼定律。黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于斯忒藩——玻耳兹曼定律，即4TA（1-7）其中T——黑体的热力学温度K；——斯忒潘—玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为；A——辐射表面积m2。-8245.6710W/mK实际物体辐射热流量根据斯忒潘——玻耳兹曼定律求得：其中Φ——物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射换热量；——物体的发射率（黑度），其值总小于1，它与物体的种类及表面状态有关。4TA（1-8）要计算辐射换热量，必须考虑投到物体上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，详见第八章。物体包容在一个很大的表面温度为的空腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量)(424111TTA（1-9）§1-3传热过程和传热系数一、传热过程1、概念热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。2、传热过程的组成传热过程一般包括串联着的三个环节组成，即：①热流体→壁面高温侧；②壁面高温侧→壁面低温侧；③壁面低温侧→冷流体。若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。3、传热过程的计算22221111fwwwwfttAhttAttAh（a）（b）（c）针对稳态的传热过程，即Q=const如图1-3，其传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下：将式（a）、（b）、（c）改写成温差的形式：22221111/AhttAttAhttfwwwwf（d）（e）（f）三式相加，整理可得:也可以表示成:式中，称为传热系数，单位为。k2W/mK212111)(hhttAff（1-10）tAkttAkff)(21（1-11）二、传热系数1、概念是指用来表征传热过程强烈程度的指标。数值上等于冷热流体间温差℃，传热面积时热流量的值。K值越大，则传热过程越强，反之，则弱。其大小受较多的因素的影响：①参与传热过程的两种流体的种类；②传热过程是否有相变1t21mA说明：若流体与壁面间有辐射换热现象，上述计算未考虑之。要计算辐射换热，则：表面传热系数应取复合换热表面传热系数，包含由辐射换热折算出来的表面传热系数在内。其方法见8-4节。传热系数的表达式为:21111hhk（1-12）传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于组成传热过程诸环节的、及之和的倒数。如果对式（1-12）取倒数，还可理解得更深刻些。此时1/1h/2/1h或21111hhk（1-13）21111AhAAhAk（1-14）此式与欧姆定律比较，具有电阻之功能。由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的热阻组成。串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，如果通过