传热学

华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/161传热学主讲：许国良Tel:027-87542618e-mail:[e-mail]能源与动力工程学院华中科技大学华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/162《工程传热学》许国良王晓墨邬田华等编著《传热学》杨世铭陶文铨第三版《HeatTransfer》J.P.Holman8thedition《数值传热学》陶文铨第二版参考书教材华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/163第一章绪论§1-1传热学概述§1-2热量传递的基本方式§1-3传热过程与传热系数华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/164§1-1传热学概述1传热学的概念①研究热量传递规律的一门科学具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法热？热量？热能？华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/165钻木取火太阳电热器地热现实生活和生产中存在大量的传热问题华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/166②热量传递所依据的基本定律能量守恒定律：能量有各种形式；各种形式的能量之间可以相互转化；能量的总数是守恒的。能量贬值原理：热量可以自发地从高温热源传给低温热源，但不能无代价地从低温热源传给高温热源;可见有温差必有传热，温差是热量传递的驱动力；能量在传递的过程中，伴随着能量品质的下降。传热学以能量守恒定律(热力学第一定律)和能量贬值原理(热力学第二定律)为基础，再结合一些实验规律，以此来研究热量传递的速率，不但要计算传递了多少热量，还要计算在多长时间内传递了这些热量。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1672传热学的基本任务①求解温度分布②计算热量传递的速率热力学+传热学=热科学(ThermalScience)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。水，M220oC铁块,M1300oC热力学：tm,Q传热学)();,,,(fQzyxft华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/168大规模太阳能热气流综合发电华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/169热力学研究：热力学循环和能量转换效率123443a3b3a3b透平能量损失烟囱能量损失透平温降（压降）烟囱温降（压降）动能损失太阳能烟囱电站空气循环温熵图TS1'太阳能热气流能机械能电能华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1610传热学研究：系统内的温度、压力和速度场华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/16113传热学应用举例自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍①日常生活中的例子：为什么水壶的提把要包上橡胶？华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1612②特别是在下列技术领域大量存在传热问题：动力、化工、制冷、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…华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1613航天器发射资料图片：和平号残骸划过大气层小知识：飞船的返回与着陆Apollo11liftoff华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/16141.坦克与周围环境的换热模拟华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/16152.厨房内部气体传热流动模拟1234华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/16163.办公室空气流动与传热模拟华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/16174.牛与周围空气传热流动模拟华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/16184传热过程分类依据物体温度与时间的依变关系，可将传热过程分为稳态传热过程和非稳态传热过程。若物体中各点温度不随时间改变，则对应的传热过程为稳态热传递过程；若物体中各点温度随时间改变，则对应的传热过程为非稳态热传递过程。稳态过程和非稳态过程又称为定常过程和非定常过程。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1619§1-2热量传递的基本方式热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1620热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/16211热传导（导热）①热传导的定义②热传导的特点可发生在任何物质的任何地点传热机理：依靠分子、原子以及自由电子等微观粒子的热运动而传递——微观过程，不产生宏观位移。物体内温度不同的各部分之间，或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象。物体内部存在温差，或具有温差的物体直接接触。Heatconduction华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1622③导热机理随物质种类和形态而异气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果导电固体：自由电子运动与晶格结构振动非导电固体：晶格结构振动液体：兼有气体和固体导热的机理华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1623④导热基本定律—傅立叶定律：热流量，单位时间传递的热量[W]为平壁两侧壁温之差C热导率(导热系数)[W/(mK)]1822年，法国数学家Fourier：A：垂直于导热方向的截面积q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量[W/m2]平壁的厚度[m]；ΦtqAdttΦAAdxtFourier’sLawHeatfluxThermalconductivityt1t2华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1624xtq2m/W当温度t沿x方向增加时，dt/dx0，q0，说明热量沿x减小的方向传递；反之，dt/dx0，q0，说明热量沿x增加的方向传递。负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1625⑤导热系数ΦtqA称为材料的热导率，又称导热系数，单位是W/(mK)；导热系数的物理意义：其数值大小反映材料的导热能力,热导率越大，材料的导热能力就越强。导热系数与材料及温度等因素有关。金属是良导热体，热导率最大，液体次之，气体最小。金属非金属固体液体气体;)(398CmW纯铜;)(6.0CmW水）（空气CCmW20)(026.0华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1626电学的欧姆定律：I(电流)=U(电压)/R(电阻)⑥热阻/()tΦA温压热流量热阻t1t2xt1t2x大平板稳态导热，由于是一维问题，且和q为常量；傅立叶定律为：tΦA稳态情况下流过大平板的导热量与平板的截面积和两侧的温差成正比，与平板的厚度成反比。这里引入热阻的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移过程有一个共同规律，就是：过程的动力过程中的转移量过程的阻力平板导热：RA导热热阻Thermalresistanceforconductionr华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/16272热对流若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。这时，除了有因流体各部分间宏观相对位移而引起的热对流外，流体分子的热运动还会产生导热过程。故热对流和热传导总是同时存在的。在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的是流体流过一个温度不同的物体表面时引起的热量传递，这种情况称为对流换热。①热对流与对流换热Convection华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1628②对流换热的特点：导热与热对流同时存在的复杂热传递过程。必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动；也必须有温差。由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1629③对流换热公式—牛顿冷却公式：热流量，单位时间传递的热量q：热流密度h：表面传热系数A：与流体接触的壁面面积：固体壁表面温度：流体温度tAhΦthq或wt2[W(mC)]ft1701年，英国科学家牛顿提出当物体受到流体冷却时，表面温度对时间的变化率与流体和物体表面间的温差t成正比。在此基础上，人们后来总结出了计算对流换热的基本公式，称为牛顿冷却公式，形式如下：2m2Wmt—流体和物体表面的温差，约定永远为正，单位为K或℃。Convectiveheattransfercoefficient华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1630④对流热阻和表面传热系数)/(1AhtΦ1RhA对流热阻式(1-4)只是给出了表面传热系数的定义式，并没有指出其具体的计算方法。影响表面传热系数的因素很多，包括流体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）、流动的形态（层流、紊流）、流动的成因（自然对流或强制对流）、物体表面的形状、尺寸，换热时流体有无相变（沸腾或凝结）等。研究对流换热的基本任务就是用理论分析或实验方法得出不同情况下表面传热系数的计算关系式。表1-1列举了一些对流换热过程的h值的大致范围。由表1-1可知，水的对流换热表面传热系数比空气的大，强制对流的比自然对流的大，有相变的比无相变的大。Thermalresistanceforconvection1rh华中科技大学热科学