1传热学-第一章.

HeatTransfer传热学能源工程系黄金[e-mail]《传热学》戴锅生，第二版《数值传热学》陶文铨编著《对流换热》V.S.阿巴兹《凝结和沸腾》施明恒等编著《辐射换热》余其铮编著HeatTransfer(2ndEdition),byAnthonyF.MillsHeatTransfer,byJ.P.HolmanFundamentalsofHeatTransfer,byF.P.Incropera,D.P.DeWitt各式传热学的习题集（图书馆和购书中心）《传热学》杨世铭、陶文铨编著，高教出版社，第四版参考书：教材:平时成绩:20%(包括：实验(10%)、出勤及作业)期末考试:70%（停课闭卷考试）考核方法学时及学分总学时：64（其中4个实验学时）总学分：4.0纪律强调课堂纪律出勤（包括缺席、请假、迟到以及早退）作业课程的重要性12杯子3两滴完全相同的水珠分别落在120℃和400℃的铁板上，哪一滴先汽化掉，说明原因。用铝壶烧水，尽管炉火很旺，但水壶安然无恙，而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就被烧坏，为什么？45抽气口密封破坏，不保温？6第一章绪论§1-1概述1.传热学（HeatTransfer）(1)研究由温差引起的热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规则、计算和测试方法(2)热量传递过程的推动力：温差热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源有温差就会有传热温差是热量传递的推动力2.传热学与工程热力学的关系(1)热力学+传热学=热科学(ThermalScience)系统从一个平衡态到另一个平衡态的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。热力学：传热学：Φtm)(),,,(fΦzyxt水，M220oC铁块,M1800oC图1-1传热学与热力学的区别(2)传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则始终是守恒的结果过程3传热学应用实例(1)日常生活中的例子：自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍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？(2)工业技术领域的应用动力、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…大致上可以归纳为三种类型的问题：强化传热。即在一定的条件下（如一定的温度、体积、重量或泵功等）下增加所传递的热量削弱传热，或称热绝缘。即在一定的温差下使热量的传递减到最小。温度控制。对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制。(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航天器发射前与回收后超级保温材料航空发动机叶片冷却示意图气膜冷却气膜冷却基本原理是：从高温环境的壁面上的孔向主流引入二次气流（冷却工质或射流），这股冷气流在主流的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，附着在壁面一定区域上，形成温度较低的冷气膜将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气，从而对壁面起到良好的冷却保护作用。航空发动机冷却系统发汗冷却b）微电子：电子芯片冷却电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化迅速增加。由于功率不断增加，使电子器件的冷却成为目前IT工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因。芯片技术的冷却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；燃料电池封闭腔辐射换热选择性涂层保温层散热肋壁温度场分析有限空间自然对流太阳能耐集热器传热问题4传热过程的分类按温度与时间的依变关系，可分为稳态过程和非稳态过程两大类。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。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。),,(zyxft),,,(zyxft稳态导热非稳态导热稳态温度场非稳态温度场§1-2热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。导热传热、对流传热、辐射传热过程1导热（热传导）(heatConduction)(1)导热的定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象（教材P4）(2)导热的范畴：可以在固体、液体、气体中发生,三者的导热机理是不同的。(3)导热的特点：a必须有温差；b物体直接接触；c依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。声子和电子声子/分子运动分子热运动(4)导热的基本定律：1822年，法国数学家Fourier:WddxtAΦ2mWddxtAΦq上式称为Fourier定律，也称导热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：：热流量，单位时间传递的热量[W]；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积[m2]；：导热系数（热导率）[W/(mK)]。一维稳态平板内导热t0xdxdtQ文字表述：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热流量，正比于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。WddxtAΦ2mWddxtAΦq（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。dxdtdxdt(5)导热系数（也称为热导率Thermalconductivity)表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。单位：[W/(mK)]气体液体非金属固体金属;)(398CmW纯铜;)(6.0CmW水）（空气CCmW20)(026.0(6)一维稳态导热及其导热热阻如图所示，稳态q=const，于是积分Fourier定律有：210dd21wwttttqtxqww2mWddxtAΦq1wt2wtt0xdxdtQ定积分也可以考虑不定积分？21wwttA一块厚度δ=50mm的平板，两侧表面分别维持在.100,30021CtCtowow(1)材料为铜，λ=375w/(mK);(2)材料为钢，λ=36.4w/(mK);(3)材料为铬砖，λ=2.32w/(mK)；(4)材料为铬藻土砖，λ=0.242w/(mK)。解：参见前图及一维稳态导热公式有：试求下列条件下的热流密度。例题1－12321mW1028.905.010030032.2wwttq铬砖：2221mW1068.905.0100300242.0wwttq硅藻土砖：讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。因而，铜是热的良导体，而硅藻土砖则起到一定的隔热作用2621mW105.105.0100300375wwttq铜：2521mW1046.105.01003004.36wwttq钢：作业（一）：P261－9，1－10(1)定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。2对流（热对流）(heatConvection)(2)对流传热（Convectionheattransfer)：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的热对流不同，具有如下特点：a导热与热对流同时存在的复杂热传递过程b必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差c壁面处会形成速度和温度梯度很大的边界层特指对流传热中边界层的示意图(3)对流传热的分类对流传热按照不同的原因可分为多种类型是否相变，分为：有相变的对流传热和无相变的对流传热流动原因，分为：强迫对流传热和自然对流传热。流动状态，分为：层流和紊流。沸腾传热凝结传热有相变[w])(fwtthAΦ][w/m)(2fwtthAΦqConvectionheattransfercoefficient(4)对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式h—表面传热系数—热流量[W]，单位时间传递的热量q2mW—热流密度K)(mW2A2m—与流体接触的壁面面积wtC—固体壁表面温度t—流体温度C][w/m2thq——当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。表征对流传热过程强弱的物理量))((ttAΦhwK)(mW2影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等（Convectionheattransfercoefficient）(5)对流传热系数(表面传热系数)强调：表面传热系数与导热系数的区别a)单位上的区别[W/(mK)]～[W/(m2K)]b)表面传热系数不是一个物性参数，它不仅取决于流体物性、传热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切关系，与流体力学紧密联系。5-3020-100020-30050-20,0005,000-50,0002,000-100,0005,000-100,000FreeConvectionGasesLiquidsForcedConvectionGasesLiquidsLiquidmetalsPhasechangeBoilingliquidsCondensationH(W/m2-°C)ProcessTypicalvaluesofh教材P8(1)辐射的定义：物体通过电磁波来传递能量的方式。3热辐射(Thermalradiation)(2)热辐射的定义：因热的原因而发出辐射能的现象。a当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b冬天，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；c太阳能传递到地面d冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0℃以上，地面却结冰。有实际意义0.38～100μm主要0.76～20μma）任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b）可以在真空中传播；c）它不仅产生能量的转移，还伴随有能量形式的转换；d）具有强烈的方向性；e）辐射能与温度和波长均有关；f）发射辐射取决于温度的4次方。（3）热辐射的特点其中，与热传导和热对流的主要区别是判断：任何热量传递只有在有物质存在的条件下才能实现b、cX微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。（5）辐射传热的特点a）不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量b）在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换物体热力学能电磁波能物体热力学能c