传热学-第一章

图1-4
对流换热中边界层的示意图
(4)
对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式 对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式 ——
Φ= hA(tw t∞ ) [W]
q =Φ A = h(tw t f ) W m2
[
]
Convection heat transfer coefficient
Φ — 热流量[W],单位时间传递的热量
定义: (1)定义:指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体 间直接接触时,依靠分子, 间直接接触时,依靠分子,原子及自由电子等微观粒 子热运动而进行的热量传递现象 (2)物质的属性 可以在固体,液体, 物质的属性: (2)物质的属性:可以在固体,液体,气体中发生 (3)导热的特点 导热的特点: 必须有温差; 物体直接接触; (3)导热的特点:a 必须有温差;b 物体直接接触;c 依靠分子, 依靠分子,原子及自由电子等微观粒子热运动而传递 热量; 热量;d 中. 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体
Φ
传热学: t ( x, y, z ,τ )
Φ = f (τ )
水,M2 20oC 图1-1 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Φ 始终从高温热 源向低温热院传递,如果没有能量形式的转化,则Φ 始终是守恒的
3 传热学应用实例
自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍 常生活中的例子: (1) 日常生活中的例子: a 人体为恒温体. 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度 那么在冬天与夏天, 冬天都保持20度,那么在冬天与夏天,人在房间里所 20 穿的衣服能否一样?为什么? 穿的衣服能否一样?为什么? b 夏天人在同样温度(如:25度)的空气和水中的感 天人在同样温度( 25度 觉不一样.为什么? 觉不一样.为什么? c 北方寒冷地区,建筑房屋都是双层玻璃, 北方寒冷地区,建筑房屋都是双层玻璃,以利于保
q — 热流密度 W m2
[
]
2 h — 表面传热系数 W (m K)
[
]
A — 与流体接触的壁面面积 m2
tw — 固体壁表面温度 [ C]
[ ]
t∞ — 流体温度 [ C]
对流换热系数(表面传热系数) (5) 对流换热系数(表面传热系数) coefficient) (Convection heat transfer coefficient)
无论温度高低, 波能, c 无论温度高低,物体都在不停地相互发射电磁 波能,相 互辐射能量; 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; 体辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温
传 热 学
(Heat Transfer) Transfer)
第一章 绪 论 章
§1-0 概 述
传热学( Transfer) 1. 传热学(Heat Transfer)
研究热量传递规律的科学, (1) 研究热量传递规律的科学,具体来讲主要有热量传递 的机理,规律, 的机理,规律,计算和测试方法 热量传递过程的推动力: (2) 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 热力学第二定律: 低温热源 有温差就会有传热 温差是热量 传递的推动力
(1) 定义 (2) 物质的属性: (3) 导热的特点 (4) 导热的基本定律 (5) 导热系数λ
(6) 一维稳态导热及其导热热阻 如图1 所示, const,于是积分Fourier 如图1-3所示,稳态 q = const,于是积分Fourier 定律有: 定律有:
δ
q ∫ dx = λ ∫
0
辐射换热:物体间靠热辐射进行的热量传递, (4) 辐射换热:物体间靠热辐射进行的热量传递,它与单纯的 热辐射不同,就像对流和对流换热一样. 热辐射不同,就像对流和对流换热一样. (5) 辐射换热的特点 不需要冷热物体的直接接触; 不需要介质的存在, a 不需要冷热物体的直接接触;即:不需要介质的存在,在 真空中就可以传递能量 b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能
4
传热过程的分类
按温度与时间的依变关系,可分为稳态和非稳态两大类. 按温度与时间的依变关系,可分为稳态和非稳态两大类.
§1-1 热量传递的三种基本方式
热量传递的三种基本方式:导热(热传导) 对流(热对流) 热量传递的三种基本方式:导热(热传导),对流(热对流) 和热辐射.
导热(热传导) 1 导热(热传导)(Conduction)
(4)导热的基本定律: (4)导热的基本定律: 导热的基本定律 1822年,法国数学家Fourier:
dt Φ = λA dx Φ dt = λ q= A dx
t dx
[W ]
W 2 m
0
dt
λ
Q
δ x
上式称为Fourier定律,号称导 上式称为Fourier定律, Fourier定律 热基本定律, 热基本定律,是一个一维稳态 导热.其中: 导热.其中:
b c d e f
微电子: 微电子: 电子芯片冷却 生物医学:肿瘤高温热疗;生物芯片; 生物医学:肿瘤高温热疗;生物芯片;组织与器 官的冷冻保存 军 制 事:飞机,坦克;激光武器;弹药贮存 飞机,坦克;激光武器; 冷:跨临界二氧化碳汽车空调/热泵;高温 跨临界二氧化碳汽车空调/热泵; 水源热泵 太阳能; 新 能 源:太阳能;燃料电池
2. 传热学与工程热力学的关系
(1) 热力学 + 传热学 = 热科学(Thermal Science)
关心的是热量传 递的过程, 递的过程,即热 量传递的速率. 量传递的速率.
铁块, M1 300oC
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. 中传递热量的多少. 热力学: tm
h =Φ ( A(tw t∞ ))
[W (m K)]
2
当流体与壁面温度相差1度时, —— 当流体与壁面源自文库度相差 1 度时 , 每单位壁面面积 上,单位时间内所传递的热量 影响h因素:流速,流体物性,壁面形状大小等 因素:流速,流体物性,
t t Φ = = Rh 1 (hA ) t t q= = 1h r h
铜: 钢:
q=λ q=λ
tw1 t w 2
δ δ
= 375 ×
300 100 = 1.5 × 106 W m 2 0.05
tw1 t w 2
铬砖: 铬砖: q = λ 硅藻土砖: 硅藻土砖: q = λ
tw1 t w2
δ
300 100 = 36.4 × = 1.46 × 105 W m 2 0.05 300 100 = 2.32 × = 9.28 × 103 W m 2 0.05 300 100 = 0.242 × = 9.68 × 102 W m 2 0.05
tw1 t w 2
δ
讨论:由计算可见, 讨论:由计算可见, 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差 别, 导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土 砖的导热量大三个数量级. 因而, 铜是热的良导体, 砖的导热量大三个数量级 . 因而 , 铜是热的良导体 , 而 硅藻土砖则起到一定的隔热作用
2 对流(热对流)(Convection) 对流(热对流)
图1-2 一维稳态平板内导热
Φ:热流量,单位时间传递的热量[W];q:热流密度,单 热流量,单位时间传递的热量[W] [W]; 热流密度,
位时间通过单位面积传递的热量; 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]; K)]. 截面积[m2];λ:导热系数(热导率)[W/( m K)]. [m2] 导热系数(热导率)
导热系数λ (5) 导热系数λ 表征材料导热能力的大小 是一种物性参数, 材料导热能力的大小, 表征材料导热能力的大小,是一种物性参数,与材料种 类和温度关. 类和温度关. λ金属 > λ非金属固体 > λ液体 > λ 气体
复习:1 传热学的研究内容 2 传热学与工程热力学的关系 3 传热学应用实例 4 传热过程的分类 5 导热
流换热热阻: (6) 对流换热热阻:
t t Φ = = 1 (hA ) Rh t t q= = 1h rh
Rh =1 (hA [ C W] )
rh =1 h [m C W]
2
Thermal resistance for convection
3
热辐射( radiation) 热辐射(Thermal radiation)
tw 2
t w1
dt q = λ
t w1 t w 2
δ
q =
t w1 t w 2
t w1 t w 2
δ λ
t = rλ
t = Rλ
t
t w1
dt
dx
Φ =
δ Aλ
λ
Q
tw 2
δ Rλ = Aλ
rλ =
0
δ
x
导热热阻
t w1
Q
δ λ
tw2
单位导热热阻
δ Aλ
图1-3 导热热阻的图示
例
题
1-1
(1)定义:流体中(气体或液体) (1)定义:流体中(气体或液体)温度不同的各部分之 定义 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. 传递到另一处的现象. (2) 对流换热: (2) 对流换热:当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程,他与单纯的对流不同,具有如下特点: 过程,他与单纯的对流不同,具有如下特点: a b 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; 必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;也 必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)对流换热的分类 (3)对流换热的分类 无相变: 无相变:强迫对流和自然对流 有相变: 有相变:沸腾换热和凝结换热
一块厚度δ=50 的平板, 例题 1-1 一块厚度δ=50 mm 的平板, 两侧表面分别维 持在 t = 300o C , t = 100o C. 试求下列条件下的热流密度. 试求下列条件下的热流密度. w1 w2 (1)材料为铜, (1)材料为铜,λ=375 w/(mK ); 材料为铜 (2)材料为钢, λ=36.4 w/(mK ); (2)材料为钢, λ=36.4 材料为钢 (3)材料为铬砖, λ=2.32 ); (3)材料为铬砖, λ=2.32 w/(mK ); 材料为铬砖 (4)材料为铬藻土砖, λ=0.242 ). (4)材料为铬藻土砖, λ=0.242 w/(mK ). 材料为铬藻土砖 及一维稳态导热公式有: 解:参见图1-3. 及一维稳态导热公式有: 参见图
推力室的再生冷却与发汗冷却;卫星与空间站热控制; 推力室的再生冷却与发汗冷却;卫星与空间站热控制; 空间飞行器重返大气层冷却;超高音速飞行器 Ma=10 冷却;核热火箭,电火箭;微型火箭( 10) ( Ma=10 ) 冷却 ; 核热火箭, 电火箭 ; 微型火箭( 电 火箭,化学火箭) 火箭,化学火箭);太阳能高空无人飞机
定义:有热运动产生的, (1) 定义:有热运动产生的,以电磁波形式传递能量的现象 特点: 任何物体,只要温度高于0 K, (2) 特点:a 任何物体,只要温度高于0 K,就会不停地向 周围空间发出热辐射; 可以在真空中传播; 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; 具有强烈的方向性; 式的转变;d 具有强烈的方向性;e 辐射能与温度和波长均 有关; 发射辐射取决于温度的4次方. 有关;f 发射辐射取决于温度的4次方. 生活中的例子: (3) 生活中的例子: a 当你靠近火的时候,会感到面向火的一面比背面热; 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, b 冬天的夜晚,呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服; 要舒服; c 太阳能传递到地面 冬天,蔬菜大棚内的空气温度在0 以上, d 冬天,蔬菜大棚内的空气温度在0℃以上,但地面却可能 结冰. 结冰.
温.如何解释其道理?越厚越好? 如何解释其道理?越厚越好?
(2) 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, 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, 核能,航空航天,微机电系统(MEMS),新材料,军事 ),新材料 科学与技术,生命科学与生物技术… 科学与技术,生命科学与生物技术… (3) 几个特殊领域中的具体应用 a 航空航天:高温叶片气膜冷却与发汗冷却; 航空航天: 高温叶片气膜冷却与发汗冷却;火箭