工程热力学与传热学(中文)-第8章-热量传递的基本方式

工程热力学与传热学传热学第八章热量传递的基本方式郭煜中国石油大学（北京）机械与储运工程学院第八章热量传递的基本方式内容要求传热的基本概念热传导及一维稳态导热的傅里叶定律热对流，对流换热及牛顿冷却公式热辐射及其特点传热过程简介传热学（Heattranfer）：是研究热量传递过程中的基本规律及其应用的科学。传热的基本概念传热：传热是物质在温度差的作用下所发生的热量传递过程。Wheneverthereisatemperaturedifferenceinamediumorbetweenmedia,heattransfermustoccur.热量传递的基本方式热传导（Conduction）热对流（Convection）热辐射（Radiation）研究平衡体系。计算系统由一种平衡状态转化为另一种平衡状态所需的能量。钢棒和水这一体系最终的平衡温度。热力学传热学需要多长的时间才能达到平衡状态，即热传播的速率。在达到平衡状态前某一时刻钢棒温度是多少？即钢棒和水的温度随时间的变化规律。宏观范畴连续介质传热学和热力学的关系水桶内灼热钢棒的冷却过程举例8-1热传导8-1-1热传导（导热）（Conduction）物体的各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递过程。无论固，液，气体，只要有温度差，在接触时就会发生导热现象。单纯的导热，只能发生在密实的固体中。说明8-1-2一维稳态导热的傅里叶定律（Fourier’slawofone-dimensionalsteadystateheat-conduction）一维稳态导热的傅里叶定律：22121/mWttxdtdAqWttAxdtdA一维稳态法国数学—物理学家Joseph.Fourier提出的。δtw1t(x)tw2xt0大平壁的稳态导热δtw1t(x)tw2xt0大平壁的稳态导热Φ两个表面均维持均匀温度的大平板导热分析式中2/mWAqWxdtdAΦ—热流量（Heattransfer-rate）单位时间通过给定面积传递的热量。W,kWλ—导热系数（thethermalconductivity）反映了材料的导热能力。W/(m.K)q—热流密度（Heatflux）单位时间通过单位面积传递的热量。W/m2dt/dx—热流方向上的温度梯度。负号的含义温度梯度的方向？热量传递的方向？8-2热对流8-2-1热对流和对流换热1.对流（Convection）：是指流体各部分之间发生相对位移时，冷热流体相互掺混所引起的热量传递现象。2.对流换热（Convectionheattransfer）：流体流过另一个物体表面时，对流和导热联合起作用的热量传递现象。流动方向twwall平壁上的对流换热u∞u平壁上的对流换热tfΦt流动方向twwall平壁上的对流换热u∞u平壁上的对流换热tfΦt平壁表面的传热机理8-2-2牛顿冷却公式（Newton’slawofcooling）thtthqtthAfwfw)()(对流换热的基本计算公式1701年，牛顿提出式中h—对流换热的表面换热系数。W/m2.K（theconvectionheattransfercoefficient）t—壁面及流体间的总温差（theoveralltemperaturedifference）。A—换热表面积（thesurfacearea）。流动方向twwall平壁上的对流换热u∞u平壁上的对流换热tfΦt流动方向twwall平壁上的对流换热u∞u平壁上的对流换热tfΦt8-2-3对流换热的表面传热系数1.表面传热系数的大小反映了对流换热的强弱。（1）流体的物性（热导率,粘度,密度,比热容等）（2）流动的成因（自然对流,强制对流）（3）流动的形态（层流,紊流）（4）物体表面的形状和尺寸（5）换热时物体有无相变（沸腾,凝结）2.影响因素8-3热辐射1.辐射：是指物体受某种因素的激发而向外发射辐射能的现象。2.热辐射：物体由于受热而向外发射辐射能的现象。经典的电磁理论认为：辐射能是由电磁波（electromagnatic）传输的能量。8-3-1热辐射的有关概念受热，电子碰撞，光照，化学反应等热辐射的波长范围理论上：0—（整个波谱）日常生活,工业上常见的温度范围：0.1—100µm（包括部分紫外线，可见光，部分红外线）3.辐射换热（Radiationheattransfer）当物体之间存在温差时，以热辐射方式进行的热量传递现象。两物体温度不同时，高温物体失去热量两物体温度相同时，辐射换热量为零q1,netq2,netT2T1q1,netq2,netT2T1发射，吸收辐射能4.热辐射的特点所有温度大于0K的实际物体都具有发射热辐射的能力。热辐射过程中不仅有能量的传递，而且有能量形式的转化。可以不依靠中间媒介，在真空中传播。热力学能热力学能辐射能问题2：蒸汽动力装置中冷凝器的放热过程问题1：暖气片的散热过程8-4传热过程热水对流换热导热对流换热辐射换热内壁外壁周围环境凝结换热导热对流换热蒸汽冷却水管子内壁管子外壁分析传热问题8-4-1传热过程（1）热量以对流换热的方式从高温流体传给壁面，有时还有辐射换热（2）热量以导热方式由高温流体壁面传给低温流体壁面（3）热量以对流换热方式从低温流体壁面传给低温流体，有时还有与周围环境的辐射换热1.传热过程：热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。2.传热过程的三个环节trr2r1drrtw1tw2фtrr2r1drrtw1tw2фλδtw1t(x)tw2xt0大平壁的稳态导热δtw1t(x)tw2xt0大平壁的稳态导热Φ8-4-2传热过程举例0xttf2tf1tw1tw2δh1h2λΦ0xttf2tf1tw1tw2δh1h2λΦ一个大平壁,导热系数=常数，厚度平壁左侧流体tf1,表面传热系数h1,平壁右侧流体tf2,表面传热系数h2,且tf1tf2，设平壁两侧流体温度和表面传热系数不随时间变化。考察（1）传热过程（2）通过平壁传递的热量分析1111111111)(hwfwfwfRtthAtttthA高温侧：平壁：RttAttttA低温侧：2222222221)(hfwfwfwRtthAtttthA0xttf2tf1tw1tw2δh1h2λΦ0xttf2tf1tw1tw2δh1h2λΦ稳态导热时，通过每个热量传递环节的热流量相等kffhhffffRttRRRtthAAhAtt212121212111稳态传热时，通过平壁传导的热量：WKRRRRhhk/21传热热阻：)/()11/(1221KmWhhk传热系数：0xttf2tf1tw1tw2δh1h2λΦ0xttf2tf1tw1tw2δh1h2λΦ)(21ffttkA通过平壁的热流量：0xttf2tf1tw1tw2δh1h2λΦ0xttf2tf1tw1tw2δh1h2λΦkffhhffffRttRRRtthAAhAtt212121212111tf1tw2tw1tf2ΦRh1Rh2Rλ模拟热路