传热学V4-第一章-绪论

传热学HeatTransfer欧阳华2010-2011学年第一学期ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer欧阳华副教授机械楼A-517Tel：[phone]E-mail：[e-mail]教学进度：1～16周(63学时)考核方式：平时成绩30％（包括出勤、作业、上机及实验）考试成绩70％ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH教材及参考书杨世铭、陶文铨，传热学（第四版），高等教育出版社，2006（教材）陶文铨，数值传热学，西安交通大学出版社，2001王秋旺，传热学重点难点及典型题精解，西安交通大学出版社，2001F.P.Incropera,D.P.DeWitt,T.L.BergmanandA.S.Lavine,FundamentalsofHeatandMassTransfer,6thEd.,JohnWiley&Sons(Asia),2007John.H.Lienhard,AHeatTransfer.Phlogistonpress,2005J.P.Holman,Heattransfer，机械工业出版社，2005iTunesU:UCBerkeleyME109:IntroductiontoHeatTransfer传热学HeatTransferShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer第一章绪论传热学：研究由温差引起的热量传递规律的科学。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，即温度分布、热量传递的速率。传热学HeatTransfer工程热力学Thermodynamics热科学ThermalScience＝﹢水，M220oC铁块,M1300oCHeattransferisthethermalenergyintransitduetoaspatialtemperaturedifference.ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer传热学研究的基本问题物体内部的温度分布(温度控制)热量的传递速率强化或消弱热量传递的方法传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即热量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，则热量始终是守恒的。RECALL:热力学第一定律ststoutginEdtdEEEE封闭系统？开口系统？ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer为什么要学习传热学？凡是存在温差的地方，就存在热量的传递，均属于传热学研究范畴。日常生活：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℃，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℃）的空气和水中的感觉不一样。为什么？C将一碗热稀饭置于一盆冷水中冷却，为了使稀饭冷的快些，应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的水？D室内暖气片为何在空气侧加肋片？工业技术研究领域：传热学是能源、动力、机械、化工、电子、土木等行业的主要技术基础课程。航天飞行器重返大气层、航空发动机涡轮叶片的冷却、重型发电机组、制冷空调设备、电子芯片冷却、燃料电池……热量如何有效传递？ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer连续介质假设：假定研究对象的几何尺度远大于分子平均自由行程，研究对象的温度、密度、速度和压力等物理参数为空间坐标的连续函数。常规尺度的物体均满足连续介质假设；不满足连续介质假设：微米级别尺度（MEMS,1μm～1mm），高空稀薄气体等。稳态（定常）与非稳态（非定常）传热：基于温度与时间的依变关系。),,(zyxft),,,(zyxft稳态（定常）非稳态（非定常）ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer1-1热量传递的三种基本方式导热、对流、辐射导热（热传导）Conduction物体各部分不发生宏观相对位移，依靠微观粒子（分子、原子、电子等）的无规则热运动相互碰撞而产生的热量传递。导热是物质的固有属性。微观导热机理气体气体分子无规则的热运动固体导电固体：自由电子的运动非导电固体：晶格振动液体ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH导热基本定律（傅立叶定律）：ddxtAΦddxtAΦq：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[W/m2]；A：垂直于导热方向的截面积[m2]；：导热系数（热导率）[W/(m·K)]。传热学HeatTransfer一维稳态导热JosephFourier(1768-1830)HeattransferrateHeatfluxShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH导热基本定律（傅立叶定律）：ddxtAΦddxtAΦq传热学HeatTransfer负号：表示热量传递的方向与温度梯度方向相反。导热系数：表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。气体液体非金属固体金属一维稳态导热20℃时，纯铜λ＝399[W/(m·K)]碳钢λ＝35～40[W/(m·K)]水λ＝0.599[W/(m·K)]空气λ＝0.0259[W/(m·K)]ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer对流（热对流）Convection流体流过固体壁面时，由于流体与壁面间温差而引起的热量传递。主要分类：无相变：强迫对流和自然对流有相变：沸腾换热和凝结换热对流换热的基本计算公式（牛顿冷却公式）：thAh：表面传热系数[W/m2·K]，不仅是物性参数，还与流动形态、换热表面形状和布置等有关，研究对流换热的基本任务在于确定各种情况下的表面换热系数。h水h空气h相变h无相变h强迫对流h自然对流(教材表1-1)ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer热辐射Thermalradiation物体间通过热辐射而引起的热量传递。特点：温度高于0K的物体均具备热辐射的能力；无需介质，可在真空传递；伴随热能和辐射能的能量形式转换；辐射换热过程是一种动态的平衡过程。黑体：能吸收投入表面的全部辐射能的理想物体。辐射换热的基本研究方法：将真实物体的辐射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。热辐射的基本计算公式（斯忒潘-玻耳兹曼公式）：4TA4Tq黑体辐射常数：σ＝5.67×10-8[W/m2·K4]实际物体引入黑度ε：实际物体间的辐射换热量：ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer热量传递三种基本方式的类比Lienhard,2005Waterisanalogoustoheat,andpeopleisanalogoustotheheattransfermedium(atoms,moleculesorelectrons)ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer实际热量传递过程：常常表现为三种基本方式的相互串联/并联作用。ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer1-2传热过程和传热系数传热过程：热量由壁面的一侧流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射。OverallheattransferprocessShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer212111)(AhAAhttΦfftAkttAkΦff)(211-2传热过程和传热系数21111hhk传热过程的热流量：（忽略辐射传热）传热方程式：引入传热系数：W/（m2·K）k越大，传热越好。若要增大k，可增大h和λ，或减小δ（教材表1-2）仅包含壁面两侧流体的温度与h一样，也是过程量ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer21211111hhrrrhhk1-2传热过程和传热系数传热过程电路类比)/(1AktRUI传热过程热阻:R=1/(Ak))/(1AhRh对流传热热阻:导热热阻:)/(AR面积热阻如果通过传热过程的各环节的热流量相等，则总热阻等于串联热阻之和ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer1-2传热过程和传热系数tf1tf2rh1rr1rh2rr2rλ2211/1/11/1/1111hrhrtotalrrrrrrk非稳态传热及有内热源的传热，热阻分析方法不适用ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer1-3传热学发展简史18世纪30年代的英国工业革命：导热、对流、热辐射、数值传热学1-4小结热量传递的三种基本方式传热过程及热阻的概念工程实际中简单传热问题的分析导热（第2～4章）对流（第5~7章）热辐射（第8~9章）传热过程与换热器（第10章）ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH作业（9月9日交）：1-8，1-9，1-12，1-18，1-21，1-30，1-31，1-32传热学HeatTransferShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransferQuizzes：1.Thesurfacetemperatureofapersonisassumedtobe35℃.Eventhoughtheroomtemperatureismaintainedtobeconstantof25℃,itisnotuncommonforapersontofeelchilledinthewinterbutcomfortableinthesummer.Why?Hint:1.Theenvironmentaltemperatureinwinterandsummerisdifferent.2.Roomwalltemperature.ANALYSIS:Thermalcomfortislinkedtoheatlossfromthehumanbody,andachilledfeelingisassociatedwithexcessiveheatloss.Becausethetemperatureoftheroomairisfixed,thedifferentsummerandwintercomfortlevelscannotbeattributedtoconvectionheattransferfromthebody.However,theheatfluxduetoradiationwilldiffer.Thereisasignificantdifferencebetweenwinterandsummerradiationfluxes,andthechilledconditionisattributabletotheeffectofthecolderwallsonradiation.0℃inwinter35℃insummerInnerwalltemperature?condqcondq25℃inroomconvqradqwall