传热学

华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/121传热学HeatTransfer主讲：范爱武Email:[e-mail]华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/122思考题•1.冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显。试解释原因。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/123思考题•2.夏季在维持22℃的室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季在保持22℃的室内工作时，却必须毛衣才觉得舒服。试从传热的观点分析原因。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/124思考题•3.在深秋晴朗无风的夜晚，气温高于0℃，但清晨却看见草地披上一层白霜，但如果阴天或有风，在同样的气温下草地却不会出现白霜，试解释这种现象。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/125思考题•4.请解释温室效应的形成原理。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/126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&Engineering2020/6/127§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、计算和测试方法华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/128②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华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/129§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&Engineering2020/6/12101热传导（导热）①热传导的定义②物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生温度不同的物体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华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1211③导热的特点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量不发生宏观的相对位移华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1212华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1213④导热机理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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&Engineering2020/6/1214⑤导热基本定律—傅立叶定律：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/(mK)]。1822年，法国数学家Fourier：ΦtqAxt1t2华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1215xtq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&Engineering2020/6/1216热导率（导热系数）(Thermalconductivity)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;)(398CmW纯铜;)(6.0CmW水）（空气CCmW20)(026.0ΦtqAx华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1217⑥热流量与热阻t1t2大平板稳态导热，由于是一维问题，且和q为常量，积分傅立叶定律：210dd21ttqtxqttΦtqAxrtttq21RtAttΦ21华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1218rtttq21RtAttΦ21温压热流量热阻这里有必要引入热阻的概念。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AR导热热阻r单位导热热阻华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1219t1t2Q1t2tA华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/12202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。若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度t1处流至温度t2处，则此过程传递的热流量为：①热对流与对流换热WttGcΦp)(12华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1221流体中有温差—热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流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。uttwA华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1222当实际流体流过物体表面时，由于粘性作用，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只能依导热的方式进行；离开物体表面，流体有宏观运动，热对流方式将发生作用。所以，对流换热是热对流和导热两种基本传热方式共同作用的结果。②对流换热的特点对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热，华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1223不是基本传热方式，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③对流换热的分类a)根据流动原因，分为：强制对流换热和自然对流换热。b)是否相变，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1224华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1225④对流换热公式—牛顿冷却公式uttwA—热流量[W]，单位时间传递的热量2mWq—热流密度h—表面传热系数2mA—与流体接触的壁面面积Cwt—固体壁表面温度Ct—流体温度W)(tthAΦw2mW)(fwtthAΦqC)(mW2Convectionheattransfercoefficient华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1226))((ttAΦhwK)(mW2——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h是表征对流换热过程强弱的物理量影响h因素：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，换热时有无相变（沸腾或凝结）等。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1227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。TypicalvaluesofhProcessh(W/m2-℃)FreeConvectionGasesLiquidsForcedConvectionGasesLiquidsLiquidmetalsPhasechangeBoilingliquidsCondensation5-3020-100020-30050-20,0005,000-50,0002,000-100,0005,000-100,000华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1228⑤对流热阻(Thermalresistanceforconvection)hhrthtqRthAtΦ1)(1][)(1WChARh][12WCmhrh华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/12293热辐射(Thermalradiation)①热辐射的定义与特点定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象特点：a)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；b)可以在真空中传播；c)伴随能量形式的转变；d)辐射能与温度和波长均有关热力学能电磁波能热力学能华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1230②斯蒂芬-玻尔兹曼定律黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。或称绝对黑体。（Blackbody）黑体的辐射能力与吸收能力最强。黑体向外发射的辐射能：24mWTEb—绝对黑体辐射力—黑体表面的绝对温度（热力学温度）—斯蒂芬-玻尔兹曼常数，bET)K(mW105.6742-8K华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1231实际物体辐射能力：低于同温度黑体24mWTE—实际物体表面的发射率（黑度），0~1；与物体的种类、表面状况和温度有关。④特殊情况下的两表面辐射换热42411TTA华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1232T1T2QA)(4241TTA③特殊情况下的两表面辐射换热42411TTA2.两个平行平板之间的辐射换热1.小物体与包围它的大空间之间的辐射换热华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1233华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/6/1234例：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