传热学第一章

2016/2/28
29
两平行黑平板间的辐射换热
对于两个相距很近的黑体表
A Q
T1
面，由于一个表面发射出来的 能量几乎完全落到另一个表面 上，那么它们之间的辐射换热 量为：
T2
4 2
Q A (T T )
4 1
当T1=T2时，也就是物体和周围环境处于热平衡，辐射换 热量等于零。但此时是动态平衡，辐射和吸收仍在不断进行。
热力学的基本定律是传热学理论的基础 传热学理论给出热力学过程的详细信息
2016/2/28 8
传热学和热力学的区别
工程热力学不考虑能量传递过程所需要的时间，研究热力过程
进行的条件、方向和深度，研究能量转换和传递的数量关系和 能量利用的品质；传热学则引入时间的概念，研究在不同方式 下热量传递的动态过程，研究热力设备在单位时间内传递热量 的效能。
2016/2/28
20
铜：
钢：
铬砖： 硅藻土砖： 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， 而 硅藻土砖则起到一定的隔热作用
2016/2/28 21
convection 热对流的定义

tw2
：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 平壁的厚度[m]； 热导率(导热系数)

tf2, h2
平壁两侧壁温之差
2016/2/28
C

16

热导率 (导热系数) (Thermal conductivity)
单位厚度(1m)、单位温度差（1K）物体，在它的单位面 积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)。
热力学第二定律
关于能量品质——能量质量
2016/2/28
7
传热学
以热力学第一定律和第二定律为基础
能量在数量上保持守恒——能量方程 热量始终是从高温物体传给低温物体
分析热量传递现象和过程的机理，揭示过 程特征和规律 ——理论联系实际
传热学和热力学的联系
具有共同的研究对象：热现象和热过程

工程热力学不考虑热力设备在不同地点的参数变化，研究热力 过程的起始点的状态参数变化；传热学则引入空间的概念，研 究热力设备场空间的物理参数。 工程热力学研究平衡过程（冷热介质的温差逐渐趋于无限小） 和可逆过程（理想过程），传热学研究的是非平衡过程和不可 逆过程（有能量损失和耗散）

2016/2/28
子的热运动而传递——微观过程，不产生宏观位移。
2016/2/28
14

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
2016/2/28
15

导热基本定律
tf1, h1 tw1
1822年，法国数学家Fourier：
例如：各种热力设备在持续稳定运行时的热传递
物体中各点的温度随时间而改变的热传递过程
例如：启动、制动、停机过程中所经历的热传递过程
2016/2/28 6
二、 传热学和工程热力学的关系
工程热力学
研究热能与机械能及其他形式能量之间相 互转换规律的一门科学 热力学第一定律
关于能量守恒——能量数量
二 热对流 Heat
流体中(气体或液体)温度不同的各部分之间，由于发生 宏观相对运动，而把热量由一处传递到另一处的现象 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：
流体中有温差 ——热对流必然同时伴随着热传导
2016/2/28
22
对流换热 流体与固体壁之间的热量交换（Convection heat transfer）
（2）计算每米长度管道的总散热量。
解： （1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。
（2）把管道每米长度上的散热量记为
量为：
2016/2/28 31
当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热
近似地取管道的表面温度为室内空气温度， 于是每米长度管道外表
面与室内物体及墙壁之间的辐射为：
讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几上几十摄氏度的一类表 面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同
2016/2/28 19
例
例题 1-1 持在
题
1-1
一块厚度δ =50 mm 的平板， 两侧表面分别维 试求下列条件下的热流密度。
(1)材料为铜，λ =375 w/(mK );
(2)材料为钢， λ =36.4 w/(mK );
(3)材料为铬砖， λ =2.32 w/(mK )； (4)材料为铬藻土砖， λ =0.242 w/(mK )。 解：参见图1-3。 及一维稳态导热公式有：
热导率表示材料导热能力大小
2016/2/28
17
导热系数
导热系数的定义式 由傅里叶定律的数学表 达式给出: 测量方法有稳态和非稳态两种 导热系数的数值取决于物质的种类和温度等 因素 习惯上把导热系数小的材料称为保温材料, 效能高的保温材料都是蜂窝状多孔性结构的 材料.
2016/2/28
18

2016/2/28
12
热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射
2016/2/28
13
一 热传导（导热）Heat
热传导的定义

conduction
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、原子即自由电子等微观粒子的热 运动而进行热量传递的现象
热传导的特点

物体内部存在温差，或具有温差的物体直接接触。 可发生在任何物质的任何地点(固体、液体、气体) 传热形式：依靠分子、原子以及自由电子等微观粒
热流量和导热热阻
热流量是单位时间传递的热量； ——它体现了传热的速率或快慢
传热是一个过程，稳态，非稳态；
——区别于热力学的平衡态 传热学中热流量的单位是[W]， 而非[J]； [W]= [J]/[s] 导热热阻：与直流电路的欧姆定律 I=U/R 相似。
Thermal resistance for conduction
2016/2/28 33
传热系数的计算
假设传热过程处于稳态
从热流体tf1到壁面高温侧tw1的换热：
Q A1 (t f 1 t w1 )
t f 1 tw1 Q ( A1 )
从壁面高温侧tw1到低温侧tw2的换热：
Q A (tw1 tw2 ) / tw1 tw2 Q ( A )
传 热 学
Heat Transfer
青岛科技大学 热能与动力工程专业
2016/2/28
1
考核方法
平时成绩: 30% (包括：出勤 及作业) 期末考试: 70%
2016/2/28
2
教材
《传热学》杨世铭 陶文铨 第四版
参考书
《传热学》杨世铭 陶文铨 第三版
《传热学》陈维汉 许国良编著版
《Heat Transfer》J.P.Holman 8th edition 《数值传热学》陶文铨 第二版
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

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 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；总的效果是热由高温物体 传到低温物体
无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相
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
黑体的辐射能力与吸收能力最强
2016/2/28 27
斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）
黑体在单位时间内向外发出的辐射能： — 黑体表面的绝对温度（热力学温度）K — 斯蒂芬-玻尔兹曼常数，或称黑体辐射常数
对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热； ——不是基本传热方式
对流换热实例： 1)电子器件冷却 2)取暖器 对流换热的特点： 1) 流体与壁面直接接触，有宏观运动；有温差 2) 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 3）导热存在
2016/2/28 23
对流换热的基本计算式
此时物体的温度保持不变。
2016/2/28 30
例
题
1-2
，此时
一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面 实测平均温度及空气温度分别为 /(m2 K), 保温层外表面的发射率 问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式； 空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数 h=3.42 W
如果各环节的热量传递面积不相等，各环节热阻串联可以写 成面积热阻的形式；如通过圆筒壁的传热。
tf1
1/(A1h1) /(A) 1/(A2h2) tf2 tw1 tw2
影响h因素：
对流换热热阻
流速、流体物性、壁面形状大小等
t t q 1h rh
25
2016/2/28
对流换热热阻 Thermal resistance for convection
2016/2/28
26
三、热辐射（Thermal radiation）
定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐射能的现象；凡物 体都具有辐射能力 物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种类不同、表面状 况不同，其辐射能力不同
时予以考虑。
2016/2/28 32
§1-3 传热过程与热阻
传热过程：热量由热流体通过间壁传 给冷流体的过程 传热过程通常由导热、热对流、 热辐射组合形成
t为热流体与冷流体间的平均温差
k 为传热系数，W/( m2oC)。在数值上，传热系数等于冷、热 流体间温差为1 oC、传热面积A为1 m2时的热流量值，是一个 表征传热过程强烈程度的物理量。传热过程越强，传热系数 越大，反之则越弱
2016/2/28 3
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 传热过程与热阻 §1-4 传热学发展简史
2016/2/28
4
§1-1 传热学概述
一、传热学（Heat Transfer）
研究温差引起的热量传递规律的一门科学 研究：机理、规律、模型、实验
从壁面低温侧tw2到冷流体tf2的换热：
Q A 2 (tw2 t f 2 )
t f1 - t f2
tw2 t f 2 Q ( A 2 )
k
t Q 1 1 1 A1 A A 2 Ak
2016/2/28
1 1 2
1
34
1
热电现象的比拟
牛顿冷却公式（1701）
— 热流量 ，单位时间传递的热量 [W]
q
— 热流密度
— 固体壁表面温度
— 流体温度
h — 换热系数
A — 与流体接触的壁面面积
2016/2/28 24
对流换热系数 （Convective heat transfer coefficient）
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
9
热力学
+
传热学 = 热科学(Thermal Science)
关心的是热量传 递的过程，即热 量传递的速率。
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。
2016/2/28
10
§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
2016/2/、热辐射
2 [m ] — 黑体辐射表面积
一切实际物体辐射能力都小于同温度下的黑体 4
— 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
2016/2/28 28
A T
[W]
辐射换热 Radiation heat transfer
物体间靠热辐射进行的热量传递
辐射换热的特点：
特点：实用性强、涉及面广
本质：温差——热量传递的推动力 热力学第二定律 热量可以自发的由高温热源传给低温热源。 可见有温差必有传热。
2016/2/28
5
分类：稳态过程和非稳态过程
就物体温度与时间的依存关系而言,可以
分为稳态过程和非稳态过程
物体中各点的温度不随时间而改变的热传递过程
热阻
电学中的欧姆定律: 电流=电压/电阻: 传热现象中: 热流=温差(压)/热阻: 式中总热阻和分热阻的关系也具有电学中串联电路的电阻叠 加特性：总电阻等于各串联分电阻之和。
表示成热阻的形式
2016/2/28
35
单位面积传热热阻
面积热阻
1 1 1 rk k 1 2