传热学第一章绪论.

主讲教师：徐颖[e-mail]：18004591868传热学Heattransfer1-1传热学的研究内容及其在科技和工程中的应用1、传热学的概念是一门研究由温差引起的热量传递规律的科学。热量传递在自然界和生产技术领域普遍存在。高温物体低温物体物体的高温部分物体的低温部分工程热力学与传热学的区别热力学传热学1-1传热学的研究内容及其在科技和工程中的应用系统从一个平衡态到另一个平衡态过程中传递热量的多少关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率一、传热学的应用1.传热学在生活中的应用2.传热学在科学技术中的应用1-1传热学的研究内容及其在科技和工程中的应用传热学在生活中的应用夏天吹风扇传热学在生活中的应用•暖瓶和保温杯保温严寒地区采用双层玻璃传热学在生活中的应用水壶的提把上要安装橡胶传热学在生活中的应用塑料大棚传热学在生活中的应用石油化工领域：反应釜、蒸汽吞吐井、稠油热采、油气集输传热学在科技与工程中的应用建筑领域：空心砖、地板辐射采暖传热学在科技与工程中的应用航空航天领域：载人航天器的热控制与热保护问题航空航天领域：载人航天器的热控制与热保护问题——哥伦比亚航天飞机事故航空航天领域：载人航天器的热控制与热保护问题——哥伦比亚航天飞机事故航空航天领域：航天员的热保护问题微电子领域传热学在科技与工程中的应用生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存；军事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存；制冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵，高温水源热泵；新能源：太阳能；燃料电池传热学在科技与工程中的应用传热解决的问题强化传热（吹风扇等）削弱传热（宇航服、双层玻璃等）温度控制（航天飞机、芯片风扇等）1-1传热学的研究内容及其在科技和工程中的应用热量传递过程1-1传热学的研究内容及其在科技和工程中的应用稳态非稳态传热学课程的重要性油气储运专业主干课程。传热学与流体力学、工程热力学并称能源动力类专业的三大支柱。传热学在该专业领域的应用热油集输管道为例（1）热量以什么方式传递？（2）散热量为多少？（3）如何降低热量损失？传热学课程的重要性学习目的：利用专业知识，解释工程传热问题；能够对储运专业及其相关领域传热问题进行定量或定性求解；掌握计算工程传热问题的基本方法，及一定的试验技能；学会分析强化或削弱热量传递的方法。传热学课程组成理论学时：42实验学时：6考核方法：百分制平时出勤及作业10％;实验成绩占15％；期末考试卷面成绩占75％。热传导（导热）（Heatconduction）热对流（对流）（Heatconvection）热辐射（辐射）（Thermalradiation）1-2热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式——热传导一、热传导（导热）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热传导。如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。导热的特点:必须有温差；物体直接接触；不发生宏观的相对位移；没有能量形式之间的转化。热量传递的三种基本方式——热传导冬天温度相同的铁和木头，为什么摸起来感觉不同？热量传递的三种基本方式——热传导2、导热的基本定律1）傅立叶定律（1822年，法国物理学家）1768-1830热量传递的三种基本方式——热传导2、导热的基本定律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，即热量传递的三种基本方式——热传导dxdxdtdxdtA式中：—单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，W。—热导率，又称导热系数。导热系数表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数。单位：W/(m·K)。不同材料的导热系数值不同。同一种材料导热系数值与温度等因素有关。热量传递的三种基本方式——热传导（1-1）•（1）当温度t沿x方向增加时，＞０而＜０，说明此时热量沿x减小的方向传递；•（2）反之，当0时，0，说明热量沿x增加的方向传递。（1）（2）•负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。热量传递的三种基本方式——热传导dxdtdxdt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/㎡。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。热量传递的三种基本方式——热传导dxdtAq-（1-2）热量传递的三种基本方式——热传导热量传递的三种基本方式——热传导热量传递的三种基本方式——热传导1、基本概念1)热对流：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)对流传热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流传热。热量传递的三种基本方式——热对流2、对流传热的分类（1）根据对流传热时是否发生相变分：有相变的对流传热和无相变的对流传热。热量传递的三种基本方式——热对流（2）根据引起流动的原因分：自然对流和强制对流。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。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。（1）（2）热量传递的三种基本方式——热对流对流传热的特点：（1）必须有流体的宏观运动，必须存在温差（2）对流传热既有对流，又有导热（对流传热不是基本的热量传递方式）（3）流体与壁面必须直接接触（4）没有能量形式之间的转化热量传递的三种基本方式——热对流夏天在同样温度的水和空气中的感觉不一样？热量传递的三种基本方式——热对流对流传热的基本规律牛顿冷却公式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tthqtAh（1-5）（1-6）其中h—比例系数（表面传热系）,。热量传递的三种基本方式——热对流2W/mKh是否是物性参数？不是！流体的物性（λ、ρ、η、cp）流体流速h流体种类换热表面形状物体大小位置热量传递的三种基本方式——热对流自然对流气体液体强制对流气体液体相变对流传热沸腾或凝结对流传热的表面传热系数热量传递的三种基本方式——热对流一般地，就介质而言：水的对流传热比空气强烈；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。对流传热研究的基本任务：用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面换热系数的关系式。热量传递的三种基本方式——热对流热量传递的三种基本方式——热对流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）辐射传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传热。热量传递的三种基本方式——热辐射•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热辐射。•说明：辐射传热是一个动态过程，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。热量传递的三种基本方式——热辐射热辐射特点：导热、对流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。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。辐射时：辐射体内热能→辐射能吸收时：辐射能→受射体内热能热量传递的三种基本方式——热辐射③辐射传热是一种双向热流同时存在的传热过程，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辐射传热不需要中间介质，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。热量传递的三种基本方式——热辐射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。热量传递的三种基本方式——热辐射•冬夏室内温度相同，为什么冬天穿毛衣，夏天穿T恤？热量传递的三种基本方式——热辐射2、热辐射的基本规律：所谓绝对黑体：能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体。黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的。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，即热量传递的三种基本方式——热辐射2、热辐射的基本规律：热量传递的三种基本方式——热辐射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5.67*10-8；A——辐射表面积m2。2、热辐射的基本规律：热量传递的三种基本方式——热辐射实际物体辐射热流量根据斯忒潘——玻耳兹曼定律求得：Φ——物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射传热量，W；——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）2、热辐射的基本规律：要计算辐射传热量，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传热量热量传递的三种基本方式——热辐射)(424111TTA（1-9）1A1T12T小结导热——傅里叶定律(需介质、微观粒子热运动、存在温差，直接接触、无位移)对流传热——牛顿冷却定律（需介质，存在位移、温差、无能量形式转化）热辐射——斯忒潘——玻耳兹曼定律（存在能量形式转化、辐射能力与物体温度有关）1-2热量传递的三种基本方式dxdtA4TAtAh思考题：书23页复习题-5书24页复习题-6书24页习题1-4暖气的传热过程？埋地管道输送热油时的传热过程？1-2热量传递的三种基本方式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。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；（对流传热）②壁面高温侧→壁面低温侧；（导热）③壁面低温侧→冷流体。（对流传热）若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。1-3传热过程和传热系数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：22221111f（a）（b）（c）1-3传热过程和传热系数将式（a）、（b）、（c）改写成温差的形式：22221111/AhttAttAhttf（d）（e）（f）1-3传热过程和传热系数212111)(hhttAff（1-10）也可以表示成:式中—称为传热系数，单位为。tAkttAkff)(21（1-11）k2W/mK二、传热系数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1-3传热过程和传热系数1t21mAk1-3传热过程和传热系数传热系数的表达式为:21111hhk（1-12）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。1-3传热过程和传热系数21111hhk（1-13）21111AhAAhAk（1-14）)/(1AktAk/1—传热过程热阻RUI/1-3传热过程和传热系数热量传递的三种基本方式——热辐射热量传递的三种基本方式——热辐射1-3传热过程和传热系数1-3传热过程和传热系数1-3传热过程和传热系数1-3传热过程和传热系数1-3传热过程和传热系数