8第八章热量传递的基本方式.

Fundamentalsofthermalengineering热工基础研究问题：①计算和控制传热速率，即热流量Φ；②确定物体内的温度分布。第八章热量传递的基本方式研究对象：研究传热规律，认识传热过程，控制和优化传热过程。传热：高温物体低温物体自发地传递热量Fundamentalsofthermalengineering热工基础Fundamentalsofthermalengineering热工基础传热学与工程热力学研究问题的区别热力学：平衡状态、状态变化的条件、方向、限度(,,,)()tfxyzQf传热学：过程的速率、温度场铁块：300℃水：20℃Fundamentalsofthermalengineering热工基础电暖器日常生活中的例子Fundamentalsofthermalengineering热工基础日常生活中的例子电影《泰坦尼克号》里，为什么Jack冻死了，而Rose没有？Fundamentalsofthermalengineering热工基础日常生活中的例子Fundamentalsofthermalengineering热工基础日常生活中的例子为什么水壶的提把上要包上橡胶？Fundamentalsofthermalengineering热工基础日常生活中的例子冬天的棉被晒一晒、拍一拍，晚上睡觉就会觉得很暖和，为什么?暖水瓶胆为镀银真空夹层玻璃，暖水瓶的保温原理是什么？北方寒冷地区，房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？空气夹层越厚越好吗？深秋晴朗的夜晚容易结霜，为什么？树叶上的霜在上面还是下面？Fundamentalsofthermalengineering热工基础热量传递的三种基本方式热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射Fundamentalsofthermalengineering热工基础导热的特点：①必须有温差；②物体直接接触；③依靠分子原子自由电子等微观粒子的热运动来传递；④单纯的导热只发生在密实的固体中。8-1热传导1热传导（导热）定义：温度不同的物体直接接触或同一物体内不同温度的各部分之间，依靠物质分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动引起的能量传递。热传导可以在固体、液体、气体中发生。Fundamentalsofthermalengineering热工基础2大平壁的一维稳态导热特点：①平壁两表面维持均匀恒定不变温度；②平壁温度只沿垂直于壁面的方向发生变化；③平壁温度不随时间改变；④热量只沿着垂直于壁面的方向传递。Φδtw1tw2A热流量Φ：单位时间传递的热量。128-1热传导Fundamentalsofthermalengineering热工基础Φδtw1tw2Atw1tw2RA:材料的热导率（导热系数）：表明材料的导热能力，W/(m·K)，由实验测定。2W/mttqA热流密度平壁的导热热阻K/WRA8-1热传导Fundamentalsofthermalengineering热工基础8-1热传导tqR温度差热阻热流密度热流电流热阻电阻温度差电位差平壁：ΔΔ=/ttqRtw1tw2R热阻网络Fundamentalsofthermalengineering热工基础热对流：流体受热或冷却时，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。8-2热对流热对流只发生在流体之中，并伴随有微观粒子热运动而产生的导热。对流换热:流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。tftwΦAFundamentalsofthermalengineering热工基础()W1wftAhttAhtAh2W/m1tqhtAhtftwΦtftwA1hRAhΦ1K/WhRAh对流换热热阻8-2热对流牛顿冷却公式:h为对流换热的表面传热系数（习惯称为对流换热系数），W/(m2·K)Fundamentalsofthermalengineering热工基础8-2热对流h的大小反映对流换热的强弱，与以下因素有关：（1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比热容等）；（2）流体流动的形态（层流、紊流）；（3）流动的成因（自然对流或受迫对流）；（4）物体表面的形状、尺寸；（5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。Fundamentalsofthermalengineering热工基础8-2热对流一些表面传热系数的数值范围对流换热类型表面传热系数hW/(m2K)空气自然对流换热1～10水自然对流换热200～1000空气强迫对流换热10～100水强迫对流换热100～15000水沸腾2500～35000水蒸气凝结5000～25000Fundamentalsofthermalengineering热工基础特点：①T0K的物体均有辐射。②不需要介质，可以在真空中传递。③有能量的转换（辐射能热力学能）。8-3热辐射热辐射：由热的原因而发生的辐射。辐射换热：物体辐射和吸收过程的综合结果产生的物体间的热量传递。辐射：指物体受某种因素的激发而向外发射辐射能的现象。Fundamentalsofthermalengineering热工基础电磁波的波谱：射线：5×10-5mX射线：5×10-75×10-2m紫外线：4×10-30.38m可见光：0.380.76m红外线：0.76103m无线电波：103mFundamentalsofthermalengineering热工基础理论上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在0.1m至100m之间，包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段。8-3热辐射辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。辐射换热的主要影响因素：（1）物体本身的温度、表面辐射特性；（2）物体的大小、几何形状及相对位置。Fundamentalsofthermalengineering热工基础其中：ε为物体的发射率（黑度）ε≤1，绝对黑体ε=1σb为斯蒂芬－波尔兹曼常数，σb＝5.67×10－8W/(m2·K4)辐射力：42W/mbET斯蒂芬－波尔兹曼定律441212112()WbATT辐射换热：8-3热辐射Fundamentalsofthermalengineering热工基础斯忒藩（Stefan∙Josef）（1835－1893）奥地利物理学家1858年在维也纳大学获得哲学博士学位，1863年，评为物理学教授，1866年成为物理学研究所的所长。他的研究涉猎了空气动力学，流体力学，热辐射等等七个科学领域。1879年，斯忒藩通过实验断定：黑体的辐射能力正比于它的绝对温度的四次方，1884年，这个结论在理论上经波尔茨曼验证，从而形成了“斯忒藩-波尔兹曼定律”。Fundamentalsofthermalengineering热工基础路德维希·玻尔兹曼（LudwigEdwardBoltzmann）（1844-1906)奥地利物理学家1866年获得维也纳博士学位。历任格拉茨大学、维也纳大学、慕尼黑大学和莱比锡大学教授。玻尔兹曼的贡献主要在热力学和统计物理方面，是热力学和统计物理学的奠基人之一。1869年，他将麦克斯韦速度分布律推广到保守力场作用下的情况，得到了波尔兹曼定律。1872年，玻尔兹曼建立了波尔兹曼方程（又称输运方程），用来描述气体从非平衡态到平衡态过渡的过程。1877年他又提出了著名的玻尔兹曼熵公式。Fundamentalsofthermalengineering热工基础注意：（1）热传导、热对流和热辐射三种热量传递基本方式往往不是单独出现的；（2）分析传热问题时首先应该弄清楚有那些传热方式在起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算。（3）如果某一种传热方式与其他传热方式相比作用非常小，往往可以忽略。Fundamentalsofthermalengineering热工基础Φδtw1tw2Atf1tf211AhA21Ahtf1tw1tw2tf2Φ特指热流体通过固壁将热量传给冷流体的全过程，一般由两种或三种热量传递基本方式组成。1111()fwAhtt212()wwAtt3222()wfAhtt8-4传热过程Fundamentalsofthermalengineering热工基础121212()()W11ffffAttkAttkAthh123稳态传热，有2W/mqktA2121W/mK11khh传热系数1212111khhRRRRAkAhAAh传热热阻8-4传热过程Φδtw1tw2Atf1tf211AhA21Ahtf1tw1tw2tf2ΦFundamentalsofthermalengineering热工基础热阻叠加原理用热阻来分析传热问题，要增强传热，可以减少串联热阻中最大的那个热阻；要减弱传热则可以加大串联热阻中最小的那个热阻或外加热阻值大的串联热阻，即加保温层。8-4传热过程Fundamentalsofthermalengineering热工基础例：有一平底铝制水壶，壶底直径D为24cm，底厚=2mm，内装tf2=20C的冷水，置于电炉上。已知铝的导热系数为200W/(m·K)，传热热流量Φ=400W，壶内壁对冷水的换热系数h为200W/(m2·K)，求壶底外壁的温度t1。Fundamentalsofthermalengineering热工基础解：211fttAhA12211()()64.314fttCAhhD22121fttttAhA2121ftttAAhA1hAhΦFundamentalsofthermalengineering热工基础小结（1）热传导、热对流、热辐射三种热量传递基本方式的机理及特点；（2）热流量、热流密度、导热系数、对流换热、表面传热系数、传热系数、热阻等基本概念；（3）灵活运用平壁的一维稳态导热公式、对流换热的牛顿冷却公式、通过平壁的一维传热过程计算公式进行相关物理量的计算Fundamentalsofthermalengineering热工基础作业8-18-38-5