高教传热学第四版课件第1章

传热学（HeatTransfer）任课教师谭思超电话：[phone]邮箱：[e-mail]办公室：三甲实验楼205QQ：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（HeatTransfer）(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1μm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：Φtm)(),,,(fΦzyxt水，M220oC铁块,M1300oC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，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；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2mWddxtAΦqWddxtAΦ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.导热气体液体非金属固体金属(6)导热系数：属性：表征材料导热能力的大小是物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210dd21wwttttqtxqww通过平板的一维导热(7)一维稳态导热及其导热热阻210dd21wwttttqtxqwwFourier定律改写成：λdtqdx两边积分：1.导热(7)一维稳态导热及其导热热阻Q1wt2wtA导热热阻图示rtttqww21RtAttΦww21rtttqww21RtAttΦww21rtttqww21RtAttΦww21rtttqww21RtAttΦww21rtttqww21RtAttΦww21rtttqww21RtAttΦww21rtttqww21RtAttΦww21rtttqww21RtAttΦww21rAR导热热阻单位导热热阻rAR导热热阻单位导热热阻rAR导热热阻单位导热热阻rAR导热热阻单位导热热阻2.对流换热（Convection）(2)对流换热：(1)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fwtthq热流密度,W/m2表面传热系数,W/（m2.K)壁面温度,℃流体温度，℃qAΦ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：（Convectionheattransfercoefficient）(5)表面传热系数(对流换热系数)h流体物性流速换热表面的形状、大小与布置pc、、、研究对流换热的基本任务就是确定hK)(mW2/wfhAtt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过程[W/(m2.K)]自然对流空气1～10水200～1000强制对流气体20～100高压水蒸气500～3500水1000～15000水的相变换热沸腾2500～35000蒸汽凝结5000～250003.热辐射(Thermalradiation)(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(Thermalradiation)(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0℃以上3.热辐射(Thermalradiation)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(Thermalradiation)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(Thermalradiation)(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，(8)黑体辐射的控制方程：Stefan-Boltzmann定律4TA实际物体则为：（9）两黑体表面间的辐射换热)(4241TTA3.热辐射(Thermalradiation)4TA4Tq黑体：两黑表面间的辐射换热42T1T2T41T3.热辐射(Thermalradiation)（10）空腔与内包小物体间的辐射换热441112()ATT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1A1T12T例题1.1一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径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/(m2K),保温层外表面的发射率。CtCtfw23,489.0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。lq)(,fwclttdhthdq)/(5.156)2348(42.3583.014.3mW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)(4241,TTdqrl)/(7.274])27323()27348[(9.01067.5583.014.3448mW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111fwhAttw1t2wtf11th，f22th，12wwAtt222wfhAtt121211ffAtthh12ffkAttkAt（1）传热过程的计算：传热系数，]KmW[2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：12111khh12111khh1ft1wt2wt2ft11hA21hAA传热过程的热阻分析a.k越大，传热越好。若要增大k，可增大或减小21,,hhc.h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要内