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1、传 热 学,（Heat Transfer）,参 考 书,教材:传热学 杨世铭、陶文铨编著，第三版传热学 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 Heat Transfer(2nd Edition),by Anthony F.Mills Fundamentals of Heat Transfer,by F.P.Incropera,D.P.DeWitt,考 核 方 法,平时成绩:30%(包括：上机、实验、出勤及作业)期末考试:70%,第一章 绪 论,1-0 概 述 1.传热学（Heat Transfer）(1)研究热量传递规律的科学，
2、具体来讲主要有热量传递 的机理、规律、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(Thermal Science),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：,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院传递，如果没有能量形式的转化，则 始终是守恒的,3 传热学应用实例,自然界与生产过程到处存在温
3、差 传热很普遍,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？,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？,(2)特别是在下列技术领域大量存在传热问题,(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,动力、化工、制
4、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,b 微电子：电子芯片冷却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,4 传热过程的分类,按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类。,1-1 热量传递的三种基本方式,1 导热（热传导）(Conduction),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。,(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物
5、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,(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,(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。,(4)导热的基本定律：1822年，法国数学家Fourier:,上式称为Fourier定律，号称导热基本定律，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/(m K)。,图1-2 一维稳态平板内导热,(6)
6、一维稳态导热及其导热热阻 如图1-3所示，稳态 q=const，于是积分Fourier定律有：,(5)导热系数 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。,图1-3 导热热阻的图示,例 题 1-1,例题 1-1 一块厚度=50 mm 的平板，两侧表面分别维持在,试求下列条件下的热流密度。,材料为铜，=375 w/(mK);材料为钢，=36.4 w/(mK);材料为铬砖，=2.32 w/(mK)；材料为铬藻土砖，=0.242 w/(mK)。,解：参见图1-3。及一维稳态导热公式有：,铬砖：,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
7、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,铜：,钢：,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）(Convection),(2)对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，他与单纯的对流不同，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 壁面处会形成速度梯度很大的边界层,对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热,图1-4 对流换热中边界层的
8、示意图,(4)对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式,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,影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等,（Convection heat transfer coefficient）,(5)对流换热系数(表面传热系数),Thermal resistance for convection,(6)对流换热热阻：,(1)定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象,3 热辐射(Thermal radiation),(2)特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，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 伴随能量形式的转变；d
9、 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)生活中的例子：a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b 冬天的夜晚，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，但地面却可能 结冰。,图16,(5)辐射换热的特点,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 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、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
10、高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温,(4)辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样，(参照图18)。,(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，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,，,，,真实物体则为：,（9）两黑体表面间的辐射换热(参见图19)：,例 题 1-2,一根
11、水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583 mm，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=3.42 W/(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。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,量为：,近似地取管道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，对于表面温度为几上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。,当仅考虑
12、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 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热,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,图19 一维稳态传热过程,忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻,固体的导热热阻,右侧对流换热热阻,上面传热过程中传递的热量为：,(1-10),传热系数，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。,传热系数,a k 越大，传热越好。若要增大 k，可增大,c h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要 内容,注意：,b 非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法,1-3 传热
13、学发展简史,18世纪30年代工业化革命促进了传热学的发展导热（Heat conduction）钻炮筒大量发热的实验（B.T.Rumford,1798年）两块冰摩擦生热化为水的实验（H.Davy,1799年）导热热量和温差及壁厚的关系（J.B.Biot,1804年）Fourier 导热定律(J.B.J.Fourier,1822 年）G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/M.Jakob,对流换热（Convection heat transfer）不可压缩流动方程（M.Navier,1823年)流体流动Navier-Stokes基本方程(G.G.Stokes,18
14、45年）雷诺数(O.Reynolds,1880年）自然对流的理论解（L.Lorentz,1881年）管内换热的理论解（L.Graetz,1885年；W.Nusselt,1916年）凝结换热理论解（W.Nusselt,1916年）强制对流与自然对流无量纲数的原则关系（W.Nusselt,1909年/1915年）流体边界层概念（L.Prandtl,1904年）热边界层概念（E.Pohlhausen,1921年）湍流计算模型（L.Prandtl,1925年；Th.Von Karman,1939年；R.C.Martinelli,1947年）,热辐射及辐射换热(Thermal radiation)黑体辐
15、射光谱能量分布的实验数据(O.Lummer,1889年）黑体辐射能量和温度的关系(J.Stefan and L.Botzmann,1889年）黑体辐射光谱能量分布的公式维恩公式（1896年）/Rayleigh-Jeans公式能量子假说（M.Planck,1900年）/光量子理论（A.Einstein,1905年）物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff,1859年/1860年）物体间辐射换热的计算方法（波略克，1935年；H.C.Hotel,1954年；A.K.Oppenheim,1956年)数值传热学（1970年）,本章小结：,(1)导热 Fourier 定律：(2)对流换热 Ne
16、wton 冷却公式：(3)热辐射 Stenfan-Boltzmann 定律：(4)传热过程,思考题：1.热量传递的基本方式及传热机理。2.一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义。3.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。4.黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其中各物理量 的定义。5.传热过程及传热系数的定义及物理意义。6.热阻的概念.对流热阻,导热热阻的定义及基本表达式。7.接触热阻,污垢热阻的概念。8.使用串连热阻叠加的原则和在换热计算中的应用。9.对流换热和传热过程的区别.表面传热系数(对流换热系 数)和传热系数的区别。10.导热系数,表面传热系数和传热系数之间的区别。,作业：1-5，1-6，1-9，1-14，1-17，1-26，1-27，1-28，1-31,
