传热学

11－1热传导热传导（简称导热）在物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。导热现象发生在固体内部，也可发生在静止的液体和气体之中。热量传递有三种基本方式热传导(thermalconduction)热对流(thermalconvection)热辐射(thermalradiation)2最简单的导热现象：大平壁的一维稳态导热0xttw2tw1特点：1.平壁两表面维持均匀恒定不变温度；3.平壁温度只沿垂直于壁面的方向发生变化；2.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。热流量：单位时间传导的热量,Ww1w2ttA:材料的热导率（导热系数）：表明材料的导热能力，W/(m·K)。3w1w2ttqA热流密度q:单位时间通过单位面积的热流量w1w2ttAw1w2ttAw1w2ttRRA称为平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为K/W。tw1tw2R热阻网络4例题1三块分别由纯铜（热导率λ1＝398W/（m·K））、黄铜（热导率λ2＝109W/（m·K））和碳钢（热导率λ3＝40W/（m·K））制成的大平板，厚度δ均为10mm，两侧表面的温差都维持为不变，试求通过每块平板的导热热流密度。1250wwtttC51－2热对流热对流:由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象。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。牛顿冷却公式:=Ah(tw–tf)q=h(tw–tf)6wf1ttAh1hRAhtwtfhRh称为对流换热的表面传热系数（习惯称为对流换热系数），单位为W/(m2K)。对流换热热阻：=Ah(tw–tf)wfhttR称为对流换热热阻，单位为W/K。对流换热热阻网络：=Ah(tw–tf)71－3热辐射辐射：指物体受某种因素的激发而向外发射辐射能的现象解释辐射现象的两种理论：电磁理论与量子理论8热辐射:由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象。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。黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体,或称绝对黑体。9斯蒂芬-玻尔兹曼定律黑体在单位时间内向外发出的辐射能：K—黑体表面的绝对温度（热力学温度）—斯蒂芬-玻尔兹曼常数，或称黑体辐射常数2[m]—黑体辐射表面积（Stefan-Boltzmannlaw）一切实际物体辐射能力都小于同温度下的黑体4[W]AT—实际物体表面的发射率（黑度），0~1；与物体的种类、表面状况和温度有关10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。11辐射换热的主要特点：（1）所有温度大于0K的物体都具有发射热辐射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。发射热辐射时：内热能辐射能；（2）所有实际物体都具有吸收热辐射的能力，物体吸收热辐射时：辐射能内热能；（3）热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播；（4）物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。高温物体低温物体热辐射是热量传递的基本方式之一。12导热基本定律：傅立叶定律第二章导热2/mWntq适用条件：均质各向同性材料纯导热现象13一、热导率（导热系数）绝大多数材料的热导率值都可以通过实验测得。14温度对热导率的影响：一般地说,所有物质的热导率都是温度的函数,不同物质的热导率随温度的变化规律不同。纯金属的热导率随温度的升高而减小。一般合金和非金属的热导率随温度的升高而增大。大多数液体（水和甘油除外）的热导率随温度的升高而减小。纯金属的热导率随温度的升高而减小。15多孔材料的热导率绝大多数建筑材料和保温材料（或称绝热材料）都具有多孔或纤维结构(如砖、混凝土、石棉、炉渣等),不是均匀介质,统称多孔材料。多孔材料的热导率是指它的表观热导率,或称作折算热导率。用于保温或隔热的材料。国家标准规定，温度低于350℃时热导率小于0.12W/(mK)的材料称为保温材料。保温材料（或称绝热材料）：16二、稳态导热稳态导热是指温度场不随时间变化的导热过程.下面分别讨论日常生活和工程上常见的平壁、圆筒壁的一维稳态导热问题。1.平壁的稳态导热当平壁的两表面分别维持均匀恒定的温度时，平壁的导热为一维稳态导热。假设：表面面积为A、厚度为、为常数、无内热源，两侧表面分别维持均匀恒定的温度tw1、tw2，且tw1tw2。（1）单层平壁的稳态导热选取坐标轴x与壁面垂直,如图所示。17热流密度通过整个平壁的热流量为w1w2ttAqA21wwttq18（2）多层平壁的稳态导热多层平壁由多层不同材料组成，当两表面分别维持均匀恒定的温度时，其导热也是一维稳态导热。以三层平壁为例，假设（1）各层厚度分别为1、2、3，各层材料的热导率分别为1、2、3,且分别为常数；（2）各层之间接触紧密,相互接触的表面具有相同的温度；（3）平壁两侧外表面分别保持均匀恒定的温度tw1、tw4。显然，通过此三层平壁的导热为稳态导热,各层的热流量相同。19三层平壁稳态导热的总导热热阻为各层导热热阻之和，由单层平壁稳态导热的计算公式可得w1w4123ttRRRw1w4312123ttAAA三层平壁稳态导热可以由三个相互串联的热阻网络表示。由此类推,对于n层平壁的稳态导热w1w11nniittR利用热阻的概念,可以很容易求得通过多层平壁稳态导热的热流量,进而求出各层间接触面的温度。202.圆筒壁的稳态导热（1）单层圆筒壁的稳态导热主要讨论圆筒壁稳态导热过程中的壁内温度分布及导热热流量。假设：内、外半径分别为r1、r2，长度为l，为常数，无内热源，内外壁温度tw1、tw2均匀恒定。按上述条件，壁内温度只沿径向变化，如果采用圆柱坐标,则圆筒壁内的导热为一维稳态导热，21通过整个圆筒壁的热流量是不变的2πrlqw1w2211ln2ttrlrw1w2ttRw1w2211ln2ttdldR为整个圆筒壁的导热热阻,单位是K/W。单位长度圆筒壁的热流量为w1w2w1w2211ln2llttttdlRdRl为单位长度圆筒壁的导热热阻,单位是m·K/W。22（2）多层圆筒壁的稳态导热运用热阻的概念，很容易分析多层圆筒壁的稳态导热问题。以三层圆筒壁为例，无内热源，各层的热导率1、2、3均为常数，内、外壁面维持均匀恒定的温度tw1、tw2。这显然也是一维稳态导热问题。通过各层圆筒壁的热流量相等，总导热热阻等于各层导热热阻之和:123w1w4llllttRRRw1w4324112233111lnlnln222ttdddddd23对于n层不同材料组成的多层圆筒壁的稳态导热,单位长度的热流量为w1w11nlniittRw1w1111ln2nniiiittdd24对流换热分类：1.按有无相变分类：有相变的对流换热和无相变的对流换热。2.按流动原因分类：强（受）迫对流换热和自然对流换热。3.按流体流过壁面情况分类：内部（有界）流动对流换热和外部（无界）流动对流换热。第三章对流换热25对流换热是导热和热对流同时起作用的过程，过程中所传热量的基本计算依据是牛顿冷却定律，即φ＝hＡ（tf－tw）W或q＝h（tf－tw）W／m２h＝q/（tf－tw）W对流换热系数α表征着对流换热的强弱。在数值上，它等于流体和壁面之间的温度差为1℃时，通过对流换热交换的热流密度。单位为W/(m２·℃)。26对流换热的影响因素：一、流体流动的原因根据引起流体流动的原因，可将对流换热分为受(强）迫流动对流换热和自然对流换热两大类。如果流体的流动是由泵、风机或其他压差作用所造成，称受（强）迫流动。油气输送管线，伴热管线中流体与壁面的换热、大中型内燃机中流过散热器中的水、风等都属于此类。27如果流体的流动是由于流体冷热部分的密度不同引起的浮升力造成的，则称为自然对流。暖气片的散热，蒸汽或其他热流体输送管道的热量损失，都与这类换热有关。一般来讲：强迫对流换热优于自然对流。故开着电风扇和没有开电风扇，人的感觉大有不同。28二、在分析对流换热时，还应分清流体的流态。流体力学告诉我们，流体受迫在流道内流动时可以有两种不同性质的流态。流体分层地平行于流道的壁面流动，呈现层流状态。但当流动状态到超过某一临界值时，流体的流动出现了旋涡，而且在不断地发展和扩散，引起不规则的脉动，使流动呈现紊流状态。紊流时的对流换热强度高，换热系数α大29三、流体的物性影响对流换热过程的流体物性参数主要有：导热系数λ，比热cp、密度ρ、粘度μ等。四、换热面的几何形状、尺寸和相对位置参与对流换热过程的固体壁面的形状、大小和位置，都会影响流体的流动状况。五、相态变化30表3-1一些表面传热系数的数值范围对流换热类型表面传热系数h/[W/(m2K])空气自然对流换热1～10水自然对流换热100～1000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5000～2500031紊流(μf/μw)n;εl;εR管内层流过渡流受迫对流层流平板紊流层流紊流共存外绕单管εφ管束εφ；εN大空间自然对流小空间无相变有相变对流换热32例题2一室内暖气片的散热面积A＝3m2，表面温度tw＝50℃，与温度为20℃的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数h=4W/(m2·K)。试问该暖气片相当于多大功率的电暖气？334-1传热过程的分析与计算传热过程通常由导热、对流换热、辐射换热组合形成目的：传热量的计算增强传热削弱传热第四章传热过程和换热器34基本公式－－传热方程式Q＝kA(tf1-tf2)WQ＝kAΔtmWk－－传热系数W／（m２·℃)35一、通过大平壁的传热过程AhttQwf1111AttQww21AhttQfw2221Qtw2tw10xtQh1tf1h2tf2Qλ36单层大平壁多层大平壁AhAAhttQff212111AhAAhttQniiiff2112111)t-kA(tQf21fQtw1R1R2Rtw2tf1tf237对单层大平壁传热过程：21111hhk211111hhkniii：对于多层大平壁传热程38传热的增强1.增加两种流体之间温差；2.增大传热面积，如加肋（翅）片；3.提高传热系数k，即降低传热热阻。增大其中较小的α值(减小较大的换热热阻)才能有效提高k值。)t-kA(tQf21f21111hhk39二、通过圆筒壁的传热过程1.单层圆筒壁传热公式1212212211122()W111ln2ffffffkttttQkAttdRdllddl2o222111211k(W/mC)1ln2Kdddrdd工程中常用最外侧面积QQtw1R1R2Rtw2tf1tf2403.多层圆筒壁传热公式那么多层圆筒壁基于外表面的传热系数又应该是怎样的呢？W12ln112111121ldlddldttQnniiiiff41例题3一房屋的混凝土外墙厚度δ＝200mm，混凝土的热导率λ1＝1.5W/（m·K）。冬季室外空气温度tf2＝－5℃，室外空气与墙壁之间的表面传热系数h2＝20W/（m2·K）；室内空气温度tf1＝25℃，与墙壁之间的表面传热系数h1＝5W/（m2·K）。假设墙壁及两侧