第四章-1-热量传递基本方式

1第四章热量传递的基本理论热量传递的基本方式导热基本定律及稳态过程非稳态导热对流换热辐射换热2什么是传热学？传热学——研究在温差作用下热量传递规律的一门学科。热力学第二定律指出，凡是有温差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体。温差无处不在，热量传递是普遍现象。一切热能利用都离不开传热。3传热学的应用非常广泛：与机械工程、材料工程、石油化工、电子技术、环境控制工程、信息工程、航空航天、生物技术、医学和社会科学等学科的关系密切。深入到这些学科领域，形成边缘学科、交叉学科，出现新的学科交叉研究方向和许多前沿性研究课题。微尺度传热问题；微重力、零重力条件下的传热问题；生物活体组织的传热问题等。在许多高科技领域发挥着极其重要的作用4传热学解决的工程技术问题热设计—设计某一换热设备，使之达到预定的目的；热控制—控制某一物体，使之在热影响下能满足性能要求。5传热学知识可以解释某些现象。举例说明：人感到冷或热究竟是怎么回事？（★）是否以温度高低为衡量标准？（1）以人的体温为标准？NO（2）以环境温度为标准？NO（3）以温差大小为衡量标准？不对（★）以人体向周围环境散失热量的速率为标准！传热学的应用人是恒温动物，但冬夏感觉相差大！空气温度一样时，有风没风感觉明显不同！在水和空气中感觉不同！散热量小，感到热；散热量多，感到冷。6人体散热量与舒适度的关系q=58W/m2时，很热；q=232W/m2时，舒适；q=646W/m2时，凉；q=928W/m2时，很冷。外界环境温度高于人体温度呢？——人体吸收热量，感觉“闷热、烘烤”！7—夏天吹风扇为什么会感到凉快呢？—冬天同样气温下，为什么有风比无风时感到更冷些？—夏天，为什么呆在水里比在空气中凉快呢？—天冷时，盖被子为什么会感到暖和呢？传热学的应用生活中诸多传热现象89热量传递基本理论的研究特点-1热力学和传热学的共同点：研究热现象。但在研究角度、内容等方面却有很大差别：(1)“时间”问题工程热力学——研究基础是平衡态和可逆过程，均不涉及“时间”因素。传热学研究——时间是一个基本参量。没有时间的概念，就没有热量传递的强、弱问题，也就不存在热设计和热控制等问题。10工程热力学中，热量Q的单位J或kJ。传热学中，主要物理量以时间做分母，关心单位时间内传递多少热量。热流量—单位时间内通过某一给定面积A的热量，W。热流密度q—单位时间内通过单位面积的热量，W/m2。1W=1J/s1kW=103WqA11热量传递基本理论的研究特点-2(2)过程性质可逆过程是工程热力学研究的理论基础之一。可逆的热量传递过程——在温差趋于零或无限小时进行的。但实际工程中，根据热力学第二定律，没有一定的温差就不可能有传热。传热学——研究在一定温差下进的热量传递过程，温差的大小是研究的内容。因此，传热学研究的热量传递都是不可逆的、无功过程。12热量传递基本理论的研究特点-3(3)研究内容和方法工程热力学和传热学都是以经验定律为基础进行热现象研究的学科。但是，热力学不涉及物体和热工设备内不同时刻的温度分布状况，而这恰恰是传热学最感兴趣的问题。从研究解决问题的方法而言，工程热力学是在经验定律的基础上，以推论、演绎得出的普适结论和公式为依据，来分析、计算和解决问题的。传热学除解析法外，还有数值求解法。对于大量复杂的热传递问题，还必须借助于实验法，利用实验关联式去解决问题。13传热学与工程热力学举例：一杯热水的冷却过程工程热力学可以告诉：（1）最终可以冷却到室温；（2）热水降到室温时所放出的总热量。但是：—这杯热水冷却到室温需要多长时间？—冷却过程中某个瞬间热水的温度是多少？这些问题就是传热学所要解决的。传热学不仅研究能量传递的量，而且研究能量传递的速率。14传热学的任务两大类：1、着眼于热量传递速率—确定热量传递的速率（大小、快慢）—目的：强化传热、削弱传热。2、着眼于物体内部温度场—确定物体内各点的温度分布—目的多个现象判断：温度控制：热应力、热变形的计算。军事和医学：红外热像仪；热疗肿瘤。工件、焊接件、高温密封件、电子器件；隔热油管、采油井筒、航天器返回大气层的热防护。151617传热学的应用应用非常广泛：与机械工程、材料工程、石油化工、电子技术、环境控制工程、信息工程、航空航天、生物技术、医学和社会科学等学科的关系密切；深入到这些学科领域，形成边缘学科、交叉学科，出现新的学科交叉研究方向和许多前沿性研究课题。微尺度传热问题；微重力、零重力条件下的传热问题；生物活体组织的传热问题等。在许多高科技领域发挥着极其重要的作用18一、日常生活传热学知识可以解释某些现象。举例说明：人感到冷和热究竟是怎么回事？（★）是否以温度高低为衡量标准？（1）以人的体温为标准？NO（2）以环境温度为标准？NO（3）以温差大小为衡量标准？不对（★）以人体向周围环境散失热量的速率为标准！传热学的应用人是恒温动物，但冬夏感觉相差大！空气温度一样时，有风没风感觉明显不同！在水和空气中感觉散热量小，感到热；散热量多，感到冷。19人体散热量与舒适度的关系q=58W/m2时，很热；q=232W/m2时，舒适；q=646W/m2时，凉；q=928W/m2时，很冷。外界环境温度高于人体温度呢？——人体吸收热量，感觉“闷热、烘烤”！20——夏天吹风扇为什么会感到凉快呢？——冬天同样气温下，为什么有风比无风时感到更冷些？——夏天，为什么呆在水里比在空气中凉快呢？——天冷时，盖被子为什么会感到暖和呢？——吃火锅的时候，有辣椒油的火锅会比清汤锅开得快，为什么？传热学的应用生活中诸多传热现象21地膜覆盖；温室暖房；塑料大棚；农副产品的储存和干燥。传热学的应用二、农业生产22传热的应用与影响几乎遍及现代所有的工业部门——传统的工业领域：能源动力、冶金、化工、交通、建筑建材、机械、食品—传热学占主导——高新技术领域：航空航天、核能、微电子、材料、环境工程、新能源—有赖于应用传热学的最新研究成果——交叉学科：相变与多相流传热、低温传热、微尺度传热、生物传热传热学的应用三、工业领域231、传统工业领域－能源动力电力对各个国家重要性是不言而喻的。从发电的角度讲，水电、火电、核电、风电等都是将机械能通过发电机产生电能。但是机械能的来源不同，水力－落差；核电－裂变释放的核能，风力－气流；火电－燃料燃烧等。目前我国电能70%来自火电。火力发电厂中的能量转换原理：燃料化学能→水蒸气的热能→机械能→电能这种转换需要工质—水蒸气，还需一套蒸汽动力设备。传热学的应用242、高新技术领域传热学的应用不仅范围广，而且有时起着关键性作用。（1）电子设备中大规模集成电路的散热已成为保证设备的可靠性和安全性的重要问题。举例：计算机内CPU中央处理器上安装有散热片与一组散热风扇等，目的是加强CPU的散热。要获得新一代的电子计算机产品，关键之一解决电子元件的有效散热。目前，芯片冷却已从风冷向液体直接冷却发展。光学计算机的开发，可避开电子器件冷却的难题。传热学的应用25（2）航空航天领域传热学所起的作用功不可没。美国航空和宇宙航行局（NASA）所作的技术分析，美国航天飞机技术关键只有“一个半”：——“半个”是大推力的液氢一液氧火箭发动机——“一个”关键则是所谓“热防护系统”（TPS），即指以航天飞机外表面的防热瓦为主的整个热防护结构，被视为可反复使用的航天飞机成败的最大关键。原因：航天飞机极端复杂的气动热环境以及要求该防热系统必须能够重复使用造成的。传热学的应用26（3)航空航天领域举数字为证：—航天飞机在地球轨道上将反复地经受困太阳直接辐照产生的高温和进入地球阴影时面对接近0K的宇宙空间导致的低温，温度变化范围达到-157～55℃；同时还要经受1.33×10-4Pa的高真空环境。—在以7.5km/s的速度从120km高度重返地球大气层时，飞行器表面的热流密度大约达到2.5×105W/m2，气流局部温度高达5000～15000K（机翼前缘和头锥帽上的温度高达1650℃！）—必须能够经受太阳紫外线、高能粒子和微陨石可能的撞击。传热学的应用27（3）航空航天领域严酷环境要保证飞行安全，内部的人员、设备不受任何干扰，必须采取特殊有效的热防护措施。目前采用由氧化硅纤维和氧化铝纤维组成的第三代陶瓷瓦构成的热防护系统。传热学的应用28四、石油工业在石油工业存在着大量的传热学问题。1、在钻井和固井工程中的应用2、在采油工程中的应用3、在油气集输工程中的应用4、在石油化工领域的应用了解传热学的应用背景。传热学的应用293031第一节热量传递的三种基本方式简介一、热量传递的三种基本方式二、复合换热及传热过程32一、热量传递的三种基本方式热传导(thermalconduction)；热对流(thermalconvection)；热辐射(thermalradiation)。4-1热量传递的三种基本方式简介33（一）热传导（导热）1、定义当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，依靠物质微观粒子（分子、原子及自由电子等）的热运动而产生的热量传递现象。导热是物质的固有本质。特点：①不发生宏观相对位移；②能量形式不变（热能）。例子：。。。。4-1热量传递的三种基本方式简介342、导热的基本公式通过平壁的导热量：tA—热导率或导热系数，W/(m·K)，表明材料的导热能力。tw1tw2tAq4-1热量传递的三种基本方式简介A1w1w2ttt引入比例系数W/m2厚度截面面积W352、热对流（1）热对流（对流）流体中温度不同的各部分之间发生相对的宏观位移而引起的热量传递现象。特点：①具有宏观位移——仅发生在流体内部；②必伴随有微观粒子热运动而产生的导热。热对流是宏观热对流与微观导热联合作用的结果，同时受到热量传递规律和流体流动规律的支配，是一种十分复杂的热量传递现象。4-1热量传递的三种基本方式简介362、热对流例子：——上飘中的热烟气与空气间的换热；“一去二三里，烟村四五家”。4-1热量传递的三种基本方式简介——暖气片附近热空气与冷空气间的换热。热对流仅发生在流体中（液体或气体）。37（2）对流换热（convectionheattransfer)定义：流动着的流体与所接触的固体表面间由于温度不同而引起的热量传递现象，称为表面对流传热。简称对流传热，热对流和导热联合作用的结果。对流换热发生的三个条件：（1）流体必须与固体壁面接触；（2）流体必须是流动着的；（3）壁面和流体间存在温差。静止的流体薄层（导热）宏观流动（热对流）tw≠tf4-1热量传递的三种基本方式简介38对流换热的分类按流体有无相变：相变换热：沸腾换热与凝结换热无相变换热：绝大多数按引起流体流动的原因：自然对流换热—流体各部分之间密度差而引起的强制对流换热—机械（泵或风机等）作用或其他压差引起的4-1热量传递的三种基本方式简介39对流换热的实例—物体表面与空气间的换热过程—暖气片表面和室内空气的热交换—管内流体与管内壁的换热—钻井液、油井产液等在管内或管外与管壁的换热等传热学研究有实际意义的对流换热。自然对流有风时强制对流；无风时自然对流。强制对流4-1热量传递的三种基本方式简介40（3）对流换热量的计算牛顿冷却公式qhtwfttt流体被加热：fwttt流体被冷却：比例系数h—称表面传热系数，W/(m2·K)。A—对流换热面积，流体与固体壁面的接触面积，m2。hAtfwttt，对流换热温差，亦称温压。4-1热量传递的三种基本方式简介At41表面传热系数h—习惯称对流换热系数，单位W/(m2K)。—h大小反映对流换热的强弱。—影响因素：（1）流体物性（热导率、粘度