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1、传 热 学,（Heat Transfer）,任课教师,谭思超电话：13091441949邮箱：办公室：三甲实验楼205QQ：25632128,学习要求,质疑发现问题态度的转变,推理分析问题思维的转变,实证解决问题行为的转变,自学“学”会还是“教”会学什么-兴趣 怎么学-探究 为何学-乐趣自治“主”动还是“被”动治什么-惰性 怎么治-习惯 为何治责任 自学+自治=自由,课程要求,预习课程内容发现问题,掌握重点、理解难点应用数学知识从具体工程问题中抽象科学问题并进行数学描述,课后作业解决问题,课堂提问有效表达,完成实验实验和理论分析的相互反馈,教 材 及 参 考 书,教材: 传热学（第四版）， 杨
2、世铭、陶 文铨编著，高等教育出版社，2006.8,传热学（第二版） 戴锅生编,数值传热学，陶文铨编，西安: 西安交通 大学出版社, 1988,对流换热 V. S. 阿巴兹,凝结和沸腾施明恒等编,辐射换热，余其铮编，哈尔滨:哈尔滨工业大 学出版社，2000,第1章作业,1-81-101-161-181-211-231-28,第1章 绪 论,1.传热学的研究内容（Heat Transfer）,(1) 研究热能传递规律的科学。,(2) 热能传递过程的动力：温差,1.1 传热学的研究内容及其应用,2. 传热学的重要性,自然界温差无处不在，无时不有,传热学是能源、动力、化工、机械、电子、土木等学科的主干
3、技术基础课,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,3. 传热学研究中的连续介质假定,假定：所研究物体中的温度、密度、速度、压 力等物理参数都是空间的连续函数。,气体：被研究物体的几何尺度远大于分子间的 平均自由行程，连续体的假定即成立。,微机电系统（MEMS）：由尺寸在1m到1mm 之间的器件所组成的系统。,MEMS不能采用连续介质的假定,4. 传热学与工程热力学的关系,(1) 热力学 + 传热学 = 热科学, 系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热能的多少。,关心的是热能传递的过程，即热量传递的速率。,热力学： 传热学：,(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基
4、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。,5. 传热学的应用,广泛应用,传统工业,高新技术,节能环保,日常生活,5. 传热学的应用,节能环保,建筑环境,大气环境,5. 传热学的应用,太阳能集热器,家用散热器,手套,日常生活,5. 传热学的应用,航空航天,高新技术,电子器件,医药卫生,5. 传热学的应用,能源动力,传统工业,石油化工,制冷空调,5. 传热学的应用,航空航天,在航空航天领域，航天飞机表面材料要求绝热良好；卫星上装有的太阳能吸收装置能提供卫星工作所需的部分能量。,大型客机,火箭升空,5. 传热学的应用,建筑环境,建筑上，利用空气导热系数小的特点
5、，制成的空心砖具有良好的保温效果。,空心砖,实心砖,室外环境仿真,传热学广泛应用于激光手术、肿瘤高温治疗、低温外科、移植器官冷冻储存、疾病热诊断等技术中,医药卫生,5. 传热学的应用,电脑内,必须加强诸多芯片的散热,电子器件,芯片内空气流动换热示意图,5. 传热学的应用,5. 传热学的应用,是传热学最主要的应用领域,能源与动力,发电厂的冷却塔,核聚变装置,300MW的水-氢冷发电组,5. 传热学的应用,化工厂内各种热交换装置,炼油厂星罗棋布的热力管道,石油开采现场,5. 传热学的应用,分体式空调,立式空调,在制冷空调中，大量的运用了散热片、换热器来达到热交换的目的,制冷空调,天气环境,温室效应
6、,环境科学家估计:如果全球大气平均温度升高5-6度，目前南北极地区的冰雪将融化，地球上绝大部分陆地将被淹没。,大气中的二氧化碳含量增加近地表大气层起着温室玻璃的作用,太阳光可以射到温室，但热量很难发射出去,这样使得地球的温度升高。,5. 传热学的应用,应用：,5. 传热学的应用,强化传热,削弱传热,温度控制,6. 传热过程的分类,传热过程,稳态传热,非稳态传热,1.1 热量传递的三种基本方式,对流换热,热辐射,传热（温差 能量传输）,导热,换热器,(1)定义：,(2)物质的属性：,(3)导热的特点：,1.导热,在静态介质中，由温度梯度引起的热能传递,可以在固体、液体、气体中发生。,必须有温差；
7、,物体直接接触；,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动 而传递热能；,在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。,1.导热,(4)导热的物理机制,不同物质导热机制不同,气体：,固体,气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果,导电体：,自由电子的运动,非导电体：,晶格结构的振动弹性波,液体：,存在不同的观点,只研究导热现象的宏观规律,1.导热,(5)傅里叶定律,通过平板的一维导热,1822年，法国数学家Fourier,热流密度,W/m2,热流量,W,温度梯度,导热系数，W/( m.K),面积,m2,负号表示热流方向与温度梯度方向相反,1.导热,(6)导热系数：,属性：,表征材料导热能力的大小,是物
8、性参数,与材料种类及温度有关,符号：,单位：,W/( m.K),材料导热系数大小所遵循的规律：,1.导热,稳态 q = const,通过平板的一维导热,(7)一维稳态导热及其导热热阻,Fourier定律改写成：,两边积分：,1.导热,(7)一维稳态导热及其导热热阻,导热热阻图示,2.对流换热（Convection）,(2)对流换热：,热对流：,当流体流过一个物体表面时的热量传递过程。,流体（气体或液体）中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。,导热与热对流同时存在的复杂热传递过程,(3)对流换热的特点：,必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动,壁面处会形
9、成速度梯度很大的边界层,（4）对流换热的分类：,2.对流换热（Convection）,凝结换热,流动起因,强迫对流,自然对流,有无相变,无相变,有相变,沸腾换热,2.对流换热（Convection）,(4) 牛顿冷却公式,热流密度,W/m2,表面传热系数,W/（m2.K),壁面温度,流体温度，,热流量,W,换热面积，m2,对流换热示意图,2.对流换热（Convection）,当流体与壁面温度相差1K 时，单位时间 单位面积所传递的热量,影响因素：,（Convection heat transfer coefficient）,(5)表面传热系数 (对流换热系数),h,流体物性,流速,换热表面的形
10、状、大小与布置,2.对流换热（Convection）,(6)表面传热系数的大致范围,表面传热系数的数值范围,3.热辐射(Thermal radiation),(1) 定义：,(2) 特点：,由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象,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,可以在真空中传播,伴随能量形式的转变,具有强烈的方向性,辐射能与温度和波长均有关,3.热辐射(Thermal radiation),(3) 生活中的例子：,当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热,冬天的夜晚，在有窗帘的屋子内会感到比没有窗 帘时要舒服,太阳能传递到地面,冬天，蔬菜大棚内的空气温度在
11、0以上,3.热辐射(Thermal radiation),辐射换热示意图,太阳能集热器示意图,(4) 辐射换热：,物体间靠热辐射进行的热量传递,(5) 辐射换热的特点,3.热辐射(Thermal radiation),不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量,伴随着能量形式的转换,热力学能 电磁能 热力学能,无论温度高低，物体都在不停地向外发射电磁波,物体间能相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热量由高温传到低温,3.热辐射(Thermal radiation),(6) 辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，
12、然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律,(7) 黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强,，,黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律,实际物体则为：,（9） 两黑体表面间的辐射换热,3.热辐射(Thermal radiation),黑体：,3.热辐射(Thermal radiation),（10）空腔与内包小物体间的辐射换热,表面积为 、表面温度为 、发射率为 的物体被包容在一个很大的表面温度为 的空腔内,例题1.1,一根水平放置的蒸汽管道， 其
13、保温层外径d=583mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为 ，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42W /(m2 K), 保温层外表面的发射率 。,问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式； （2）计算每米长度管道的总散热量。,量为：,解： （1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。 （2）把管道每米长度上的散热量记为 。,近似地取墙壁的表面温度为室内空气温度， 于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为,讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几到几十摄氏度的一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。,当仅
14、考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热,1.2 传热过程和传热系数,1 定义：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。,2 传热过程包含的传热方式：,导热、对流、热辐射,3 一维稳态传热过程中的热量传递,传热过程的剖析,（1） 传热过程的计算：,传热系数，,传热方程式,（2） 传热系数：,3 一维稳态传热过程中的热量传递,是指用来表征传热过程强烈程度的指标，不是物性参数，与过程有关。,传热系数的表达式：,a. k 越大，传热越好。若要增大 k，可增大,h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程 的重要内容,（3）注意：,非稳态传热过程以及有内热源时，不能用 热阻分析
15、法,（3）传热系数的大致数值范围,传热系数的大致数值范围,本章小结,(1) 导热 Fourier 定律：,(2) 对流换热 Newton 冷却公式：,(3) 热辐射 Stenfan-Boltzmann 定律：,(4) 传热过程 传热方程：,用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手会显著地感到热。试分析其原因。,思考题,用一只手握住盛有热水的杯子，手所感受到的是杯子外壁面的温度。不搅拌时，杯中的水与杯子间为自然对流传热，这种情况下的对流传热系数相对较小，杯子外壁面的温度相对较低；当另一只手用筷子快速搅拌热水，水在杯中随着搅拌而旋转，水与杯子间的换热为强制对流换热，对流传
16、热系数增大，水与杯子间的换热量增加，杯子外壁面的温度升高，因此握杯子的手会显著地感到热。,习题,习题1-4附图 热面位置不同对换热的影响,1-4.对于附图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种布置？,习题,1-4.对于附图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种布置？,习题,1-5.一个内部发热的圆球悬挂于室内,对于附图所示的三种情况,试分析,(1)圆球表面热量散失的方式;(2)圆球表面与空气之间的热交换方式。,习题1-5附图 热圆球的三种冷
17、却方式,习题,1-5.一个内部发热的圆球悬挂于室内,对于附图所示的三种情况,试分析,(1)圆球表面热量散失的方式;(2)圆球表面与空气之间的热交换方式。,习题,1-15.用均匀地绕在圆管外表面上的电阻带作加热元件,以进行管内流体对流换热的试验，如附图所尔。用功率表测得外表面加热的热流密度为3500Wm2；用热电偶测得某一截面上的空气温度为45,内管壁温度为80。设热量沿径向传递，外表面绝热良好,试计算所讨论截面上的局部表面传热系数。圆管的外径为36mm，壁厚为2 mm。,习题1-15附图,习题,1-23.在锅炉炉膛的水冷壁管子中有沸腾水流过，以吸收管外的火焰及烟气辐射给管壁的热量。试针对下列三
18、种情况画出从烟气到水的传热过程的温度分布曲线：（1）管子内、外均干净；（2）管内结水垢，但沸腾水温与烟气温度保持不变；（3）管内结水垢，管外结灰垢，沸腾水温及锅炉的产汽率不变。,习题,习题,习题,1-36航空喷气发动机的工作叶片与高温的燃气相接触，为了使叶片金属的温度不超过允许数值，常在叶片中间铸造出冷却通道，从压气机出口抽出一小部分冷空气进入这些通道。附图中示意性地画出了这样的叶片的截面。现在给出以下数据：空心叶片内表面面积Ai=200mm2;冷却空气的平均温度tfi=700，表面传热系数hi=320W/(m2.K)；面积Ao=2840mm2的叶片外表面与平均温度为1000 的燃气接触，平均表面传热系数ho=1420W/(m2.K)。此时叶片外表面温度为820 ，内表面温度为790 。试分析此时该叶片内的导热是否处于稳态？,
