传热学-绪论

传热学的特点、研究对象及研究方法
1、特点 1 ）理论性、应用性强
在热量传递的理论分析中涉及到很深的数学 理论和方法。在生产技术领域应用十分广泛。
2） 有利于创造性思维能力的培养 具有很强的启发性，留有一定的思维空间。
对综合性、应用性强的传热问题都有详细地分析 讨论。
传热学的特点、研究对象及研究方法
1-1 热量传递的三种基本方式
热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射
1 导热（热传导）
(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、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。
导热可以在固体、液体、气体中发生。
(2) 导热的特点： a 必须有温差； b 物体直接接触； c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运
对流发展简史
二、对流 1823 年纳维提出不可压缩流体流动方程。1845 年，英国斯托 克斯将其修改为纳维-斯托克斯方程，形成流体流动基本方程。 1880 年，雷诺提出无量纲量雷诺数。 在雷诺的基础上， 1881 年洛仑兹自然对流解。 1885 年格雷茨和 1910 年努塞尔获得管内换热的理论解。 1916 年努塞尔又获得凝结换热理论解。 1909 年和 1915 年努塞尔的论文对强制对流和自然对流的基 本微分方程及边界条件进行量纲分析，获得了有关无量纲数 之间的准则关系。
阻之功能。 由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的 热阻组成。 串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递 过程中，如果通过各个环节的热流量都相等， 则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环 节热阻之和。
几个特殊领域中的具体应用
（1） 航空航天：火箭推力室的冷却；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（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无 人飞机等
几个特殊领域中的具体应用
（2）微电子： 电子芯片冷却 （3）生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织 与器官的冷冻保存 （4）军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 （5）制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高 温水源热泵 （6）新能源：太阳能；燃料电池
2 热对流
一些对流传热系数的数值范围
对流换热类型 表面传热系数hc W /( m2K)
空气自然对流换热
1～10
水自然对流换热
200～1000
空气强迫对流换热
10～100
水强迫对流换热
100～15000
水沸腾
2500～35000
水蒸气凝结
5000～25000
3 热辐射
辐射：指物体受某种因素的激发而向外发射辐射能 的现象。
➢ 暖水瓶胆为镀银真空夹层玻璃，暖水瓶的保温原理 是什么？
➢ 北方寒冷地区，房屋都是双层玻璃，以利于保温。 如何解释其道理？空气夹层越厚越好吗？
➢ 深秋晴朗的夜晚容易结霜，为什么？树叶上的霜在 上面还是下面？
大量存在传热问题的技术领域
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…
W
系统发射率
3 热辐射
tf
物体表面通常是对流传热+辐射传热 A
r s Ab (Tw4 Tf4 )=hr A tw t f
hr
A
r tw t f
表面传热系数： h hc hr
c r
tw
1-2 传热过程
注意： （1）热传导、热对流和热辐射三种热量传递基本方 式往往不是单独出现的；
动而传递热量； d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。
1 导热（热传导）
(3) 导热的机理： a 气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果； b 导电固体：自由电子运动； c 非导电固体；晶格结构振动； d 液体：兼有气体和固体导热的机理。
1 导热（热传导）
(4) 导热的基本定律： 大平壁的一维稳态导热
具体可利用数学分析法、积分近似解法、比拟 法、数值计算和实验研究进行分析计算，各种方法 相辅相成，互为补充。
传热学的特点、研究对象及研究方法
4、学习目的 通过学习能熟练掌握传热过程的基本规律、实
验测试技术及分析计算方法，从而达到认识、控 制、优化传热过程的目的。
传热学发展简史
传热学这一门学科是在 18 世纪 30 年代英国开始的工业革 命使生产力空前发展的条件下发展起来的。传热学的发展史实 际就是：导热、对流、热辐射三种传方式的发展史。
太阳
钻木取火
日常生活中的例子
电暖器
日常生活中的例子
温泉
地热
日常生活中的例子
电影《泰坦尼克号》 里，为什么Jack 冻死 了，而Rose没有？
日常生活中的例子
日常生活中的例子
为什么水壶的提把上 要包上橡胶？
日常生活中的例子
日常生活中的例子
➢ 冬天的棉被晒一晒、拍一拍，晚上睡觉就会觉得很 暖和，为什么?
对流发展简史
在微分方程的理论求解上，以下两方面发挥了作用 其一：普朗特于 1904 年提出的边界层概念。 1921 年波尔豪森又引进了热边界层的概念。 1930 年波尔豪 森与数学家施密特，贝克曼合作，成功地求解了坚壁附近空 气的自然对流换热。 其二是湍流汁算模型的发展。1925年的普朗特比拟，1939年 的卡门比拟以及1947年马丁纳利的引伸记录着早期发展的轨 迹。由于湍流问题在应用上的重要性，湍流计算模型的研究 随着对湍流机理认识的不断深化而蓬勃发展，逐渐发展成为 传热学研究中的一个令人瞩目的热点。
传热学发展简史
测量新技术、计算机、激光技术等新技术引入实验研究，对 传热学的发展也发挥了重要作用。由于计算机的迅速发展， 用数值方法对传热问题的分析研究取得了重大进展，在20世 纪70年代已经形成一个新兴分支——数值传热学。
当前，能源技术、环境技术、材料科学、微电子技术、空 间技术等新兴科学技术的发展，向传热学提出了新的课题和 新的挑战。
3 ）教育思想发生了本质性的变化 从实际工程问题中、科学研究中提炼出综合
分析题，重点培养解决分析综合问题的能力。
2 、研究对象 传热学研究的对象是热量传递规律。
传热学的特点、研究对象及研究方法
3 、研究方法 研究的是由微观粒子热运动所决定的宏观物
理现象，而且主要用经验的方法寻求热量传递的 规律，认为研究对象是个连续体，即各点的温度、 密度、速度是坐标的连续函数，即将微观粒子的 微观物理过程作为宏观现象处理。
同一温度下，黑体的热辐射能力最强，其表面辐 射的热流量为：
r
b AT 4
cb
A
T 100
4
W/m2
斯蒂芬－波尔兹曼定律
3 热辐射
其中 ：T ——黑体表面的热力学温度， K ； A ——辐射表面积， m2
b ——斯忒潘—玻耳兹曼常数（黑体辐射
常数）， b 5.6710-8 W/ m2 K4 cb ——黑体辐射系数，cb 5.67W/ m2 K4
铁块 ：300℃
热力学：
平衡状态、状态变化的条件、 方向、限度
水 ：20℃
传热学：过程的速率、温度场
t f (x, y, z, ) Q f ( )
热与传热
物体所具有的能量：
宏观运动动能、势能
热力学能：由物质 的p、v、T 决定
热：因温差而传递的热力学能。 传热：热力学能的传递。
日常生活中的例子
热辐射发展简史
1889年卢默等人测得了黑体辐射光谱能量分布的实验数据。 19世纪末斯忒藩根据实验确立了四次方律，后在理论上被玻耳 兹曼所证实。这个规律被称为斯忒藩—玻耳兹曼定律。 1896年维恩通过半理论半经验的方法推导出一个公式，该公式 在短波段与实验结果符合较好。几年后，瑞利从理论上也推导 出一个公式，此公式数年后又经过金斯改进、后人称它为瑞 利—金斯公式、这个公式在长波段与实验结果比较符合而在短 波段则与实验差距很大。瑞利—金斯公式在高频部分即紫外部 分遇到了无法克服的困难，被称为“紫外灾难”。 1900年普朗克提出了一个公式，后经实验证实与实际情况在整 个光谱段完全符合。
（2）分析传热问题时首先应该弄清楚有那些传热方 式在起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进 行计算。 （3）如果某一种传热方式与其他传热方式相比作用 非常小，往往可以忽略。
1-2 传热过程
特指热流体通过固壁将热量传给冷流体的全过程， 一般由两种或三种热量传递基本方式组成。
k A(t f 1 t f 2 ) k A t W
一、导热 确认热是一种运动的过程中，科学史上有两个著名的实验起 着关键作用： 其一是： 1798 年伦福特钻炮筒大量发热实验； 其二是： 1799 年戴维两块冰块摩擦生热化成水的实验。
导热发展简史
19 世纪初，兰贝特、毕渥、傅里叶等都从固体一维导热的试验 入手研究，1804 年毕渥根据试验提出：单位时间通过单位面积 的导热量正比于两侧表面温差，反比于壁厚，比例系数是材料 的物理性质。 作用：这一规律提高对导热规律的认识，只是粗糙些。 1807 年傅里叶：把实验与理论结合起来，提出求解微分方程的 分离变量法和可以将解表示成一系列任意函数的概念。1822 年 论著《热的解析理论》完成了导热理论的任务，提出的导热基 本定律“傅里叶定律”。导热微分方程，傅里叶级数正确地概 括了导热实验的结果，使他成为导热理论的奠基人。
热辐射：由热的原因而发生的辐射。
辐射传热：物体辐射和吸收过程的综合结果产生的 物体间的热量传递。
特点：① T>0 K的物体均有辐射。 ②不需要介质，可以在真空中传递。 ③有能量的转换（辐射能热力学能）。
3 热辐射
热辐射的主要影响因素：
（1）物体本身的温度：温度越高、辐射能力越强； （2）物体的种类和表面状况。
热辐射发展简史
1905年爱因斯坦的光量子研究得到公认后，普朗克公式才为 人们所接受。普朗克定律正确地揭示了黑体辐射能量光谱分 布的规律，奠定了热辐射理论的基础。 在的辐射热量交换方面有两个重要的理论问题。其一是物体 的发射率与吸收比之间的关系问题。1859和1860年基尔霍 夫的两篇论文提供了解答。其二是物体间辐射换热的计算方 法。1935年波略克提出净辐射法，1954年霍特尔提出、 1967年又加以改进的交换因子法以及1956年奥本亥姆提出 的模拟网络法，是三种受到重视的计算方法。
传热 传热 系数 面积
传热温差 （温压）
tf1 tw1 δ Φ
A
tw2 tf2
q kt W/m2 A
1-2 传热过程
热流量
kAt
t 1
温度差t 总热阻 Rt
kA
热流 温度差 热阻
电流 电位差 电阻
t
Rt 类比
Rt
1 kA
I U R
1-2 传热过程
此式与欧姆定律 I U比/ R较， 1/A具k有 电
2 热对流
对流传热:流体与相互接触的固体表面之间的热量传 递现象，是导热和热对流两种基本传热方 式共同作用的结果。
牛顿冷却公式:
c hc A(tw t f ) hc At W
qc
c A
hct
W/m2
tf
c
tw
A
hc 称为表面对流传热系数（习惯称为对流换热系数）， W/(m2·K)，表示对流传热能力的大小。
第一章 绪 论
传热学：研究热量传递过程规律的科学。
传热：高温物体 自发地传递热量 低温物体
例如：电力工业、化学工业、电子工业、机械制造、 核动力、航天、太阳能 、地热能 、工业余热利用 工程。其他：农业、生物、医学、地质、气象、环 保等。
传热学： 热能与动力工程专业 三大技术基础课之一。
传热学与工程热力学研究问题的区别
3 热辐射
实际物体面辐射的热流量为：
r
b AT 4
Cb
A
T 100
4
W/m2
ε称为物体的发射率，习惯上称为黑度，表示物
体辐射能力接近黑体的程度。其值总小于1，它与 物体的种类及表面状态有关。
3 热辐射
辐射传热：
r
s
A1 b (T14
T24 )
s A1cb
T1 100
4
T2 100
4
能力，W/(m·K)，由实验测定。
流密热度 q t A
W / m2
2 热对流
热对流：流体受热或冷却时，各部分之间发生相对 位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传 递。
自然对流：流体各部分之间由于密度差而引起 的相对运动。
强迫对流（受迫对流）：由于机械（泵或风机 等）的作用或其他压差而引起的相对运动。
tw1
A
Φ
tw2
δ
特点：①平壁两表面维持均匀恒定不变温度； ②平壁温度只沿垂直于壁面的方向发生变化； ③平壁温度不随时间改变； ④热量只沿着垂直于壁面的方向传递。
Байду номын сангаас 1 导热（热传导）
热流量Φ：单位时间传递的热量。
A tw1 tw2 A t
W
tw1
A
Φ
tw2
δ
: 材料的热导率（导热系数）：表明材料的导热