传热学课件-清华大学 (3)

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清华大学热工基础课件工程力学加传热学绪论-PPT资料23页

30.11.2019
21
热工基础课程在人才培养中的地位与作用
热工基础是现代工程技术人才必备的技术基础知识，是21世纪工科各类专业人才工程素质的重要组成部分。除了能源、动力类专业学生必须进一步深入学习工程热力学与传热学之外，热工基础课程应该是机械类、交通运输类、航空航天类、武器类、土建类、材料类、化工与制药类、轻工纺织食品类、环境与安全类等各类专业大学本科生必修的一门技术基础课。
500
400
300
200
100
0 1960
30.11.2019
1970
1980
1991
1997
中国世界先进
10
3）环境污染严重
工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，
我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标； 48个大中城市空气中的SO2浓度超标； 82%城市出现过酸雨；
我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占世界总排放量的13.6%。
13
据统计，目前通过热能形式利用的能源在我国占总能源利用的90％以上，世界其它各国平均也超过85％。由此可见，在能量转换与利用过程中，热能不仅是最常见的形式，而且具有特殊重要的作用。热能的有效利用对于解决我国的能源问题乃至对人类社会的发展有着重大意义。
30.11.2019
14
热能利用的基本方式
我国大陆地区年总发电量 2.5 亿千瓦，人均 0.2 千瓦/（人·年）；台湾地区人均 1.0千瓦/ （人·年）；
欧、美、日本等发达国家 6 千瓦/人·年）。
30.11.2019
7
2）能源开发利用设备和技术落后，能源利用效率低，浪费严重
我国能源的终端利用效率为32 ％～33％；

清华大学传热学课件48-传热学-0

T
— 黑体表面的绝对温度（热力学温度） K
实际物体辐射能力：低于同温度黑体
— 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（Emissivity）
E bT
4
W m
2
§0-3 传热过程简介
● 传热过程：两（冷热）流体间通过固体壁面进行的换热 ● 传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成
t

热导率（导热系数）(Thermal conductivity) Φ t W Φ A A t
—— 具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体(1m)，在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J) 热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定
传热学发展史
• 传热学是在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
辐射三种热传递方式的发展史
• 导热、对流早为人们所认识，而热辐射是在 1803年才确认的
参见《传热学》杨世铭、陶文铨编著
Rh 1 (hA) [ C W ]

rh 1 h [m C W ]
2
Thermal resistance for convection
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
傅里叶定律的由来
• 傅里叶（J.B.J. Fourier）从“傅里叶定律”和能量守恒定律推出的导热微分方程是导热问题正确的数学描述；研究导热问题的基础 • 所提出的采用无穷级数表示理论解的方法开辟了数学求解的新途径 • 傅里叶（J.B.J. Fourier）被公认为导热理论的奠基人

《传热学基本知识》PPT课件

3、传热的基本方式
导热热对流热辐射
4、稳定传热基本概念
稳定传热传热中温度差保持一恒定值，即不随时间有所变化。
不稳定传热传热中温度差随时间变化而变化。
本章无特别说明的传热现象都是指稳定传热。
§2－2 稳定导热
一、定义
温度不同的物体直接接触，温度较高的物体把热能传给温度较低的物体，或在同一物体内部，热能从温度较高的部分传给温度较低部分的传热现象。
Q－单位时间的对流换热量。 q －对流换热热流强度。 F －墙壁的换热面积。 tb －墙面的温度。
t1 －流体的温度。
－对流换热系数，
其大小反映了对流换热的强弱。
变换公式的形式，可得：
q tb t1 tb t1
1
R

R －对流换热热阻，与对流换热系数成反比。
§2－4 辐射换热
1 1 d
1

1
1
Rn R Rw R
n w
K －墙体的总传热系数。 R －墙体的总传热阻。
二、传热的增强与削弱
1、增强传热的基本途径 Q KFt
（1）提高传热系数（2）增大传热面积（3）增大传热温差
2、增强传热的方法
（1）改变流体的流动状况（2）改变流体的物性（3）改变换热表面情况
一、热辐射的本质和特点
1、定义 2、特点：
不依靠物质的直接接触而进行能量传递。伴随能量形式两次转化：内能→电磁波能→内能。只要T＞OK，物体都会不断向周围发射热射线。
即使没有温差，也存在热辐射，只不过物体辐射和吸收的能量相等，处于动态平衡。
二、辐射能的吸收、反射和透射
根据能量守恒定律，有：

清华大学热工基础课件工程热力学加传热学第十章-对流换热、单相流体

1）热导率，W/(mK)，愈大，流体导热热阻愈小，
对流换热愈强烈；
2）密度，kg/m3 3）比热容c，J/(kgK)。 c反映单位体积流体热容量
的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈；
4）动力粘度，Pas；运动粘度＝/，m2/s。流体
的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；
u v 0
dy
x y
2）动量微分方程（动量守恒）
微元体
惯性力
压力差 0
dx
x
x方向: u u u xv u y F x x p x 2 u 2 y 2 u 2
D duFxxp2u 体积力
20
局部表面传热系数的变化趋势：
流动边界层厚度与热边界层厚度t的比较：
两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度与
热扩散率a的相对大小。令
对于层流边界层:Pr≥1 t ；Pr≤1 t
Pr a
对于湍流边界层: t
普朗特数
一般液体:Pr=0.6~4000；气体：Pr=0.6~0.8。 21
cp
t
uxt vyt

2t x2

2t y2

4个微分方程含有4个未知量(u、v、p、t)，方程组封闭。原则上，方程组对于满足上述假定条件的对流换热（强迫、自然、层流、湍流换热）都适用。15
（2）对流换热的单值性条件
1) 几何条件
1
10-1 概述
1. 牛顿冷却公式
= A h( tw－tf ) q = h( tw－tf )
h—整个固体表面的平均表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的流体主流温度；对于内部流动，tf 取流体的平均温度。

传热学基本知识PPT课件

Qt1t2t3 t1t4
R1R2R3
R
通过各层的导热量相同，各层导热所遵循的规律相同
2021
29
传热学基本知识
热传导
4、导热计算 3）单层圆筒壁的稳定热传导
特点：单层圆筒壁的导热面积不是常量，随圆
筒半径而变、同时温度也只是随半径而变。
Q t1 t2 R
t
A均
A均=2πr均L
r均
r2 r1 ln r2
导热分为两类
稳定导热：温度不随时间而变化的导热不稳定导热：温度随时间而变化的导热
知识回顾
2021
23
传热学基本知识
热传导
2、傅里叶导热定律
热传导的速率与垂直于热流方向的表面积成正比，与壁面两侧的温差成正比，与壁厚成反比。
QAt1t2
q
Q A
t
Q
t
t R
A
Q 导热量，传热速率 , W;
导热动力导热阻力
自然对流
泡状沸腾或泡核沸腾（传热系数大）
膜状沸腾
2021
36
蒸汽冷凝时的对流传热
蒸汽冷凝的对流传热
蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽在饱和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供冷流体加热。
2021
37
蒸汽冷凝时的对流传热
(1) 蒸汽冷凝的方式
t t1t2 l n t1 t2 2021
当⊿t1/⊿t2＜2时
⊿t=(⊿t1+⊿t2)/2
15
（2）双侧变温时的平均温度差
并流
逆流
错流
折流
①并流时的(对数)平均温度差

传热学课件课件

传热学课件课件
A dt
dx
（1-1）
式中是比例系数，称为热导率，又称导
热系数，负号表示热量传递的方向与温度
升高的方向相反。
传热学课件课件
传热学课件课件
传热学课件课件
❖ （ 2 ）导电固体：其中有许多自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。
❖ （ 3 ）非导电固体：导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
传热学课件课件
❖（ 4 ）液体的导热机理：存在两种不同的观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。
传热学课件课件
(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、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…
传热学课件课件
(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；火箭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（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机
的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停
机、工况改变时的传热过程则属非稳态传热
过程。
传热学课件课件
二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容之一，是建环专业必修的专业基础课。是否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到后续专业课的学习效果。

清华大学化工原理05第五章传热3-课件

x
x
平均
1 L
L
O xdx
L
L dx
O x
2、垂直壁面的膜状冷凝 1）理论分析
物性＝const 假设蒸汽存在对液膜无磨擦阻力
滞流
1
可以导出：0.943rg23/Lt4(平均值 )
定性尺寸：L
定性温度：膜温：12twtS，ts饱和温度
r：饱和温度下的冷凝潜热
若传热量一定，r，冷凝量，膜厚，α ρ，单位体积受力，流动快，膜厚，α λ（通过膜导热）α μ 膜厚，α Δt 传热推动力，冷凝液，膜厚，α
a）首先明确生产目的，加热，冷却
b） QW S1CP1T1T2 需要传递的热量
QK St
实际传递的热量
两者的一致性确定所求的量。
5、基本方法 1) 对比计算法 2) 控制热阻法：
u0.8 d 0.2
0.8 0.4~0.5
忽略，K接近于小一方；若大>>小，小≈K 如汽水冷凝水
膜、滴交错
七、液体沸腾时的：锅炉、蒸发器、再沸器温差容积沸腾：加热面浸于液体中自然对流汽泡运动管内沸腾：一定流速流动，加热管
1、沸腾现象：
特征：有气泡产生；由加热表面首先生成；必要条件过热
p b r2p L r22 r， pp bp L2 /r p2 /r汽泡生成，存在 p 由过热 t 造成
t2
0
36.6 C
w S '2 c p 2t 2 t 1 w S 1 c p 2t 2 t 1
措施：
w S '2 w S 2 t t 2 2 t t 1 1 0 . 5 6 4 w S 2
w

清华大学热工基课件工程热力学加传热学第十一章-PPT精品文档

Gd

0
Gd
0

Gd

0
Gd

0
Gd
3
类、温度和表面状况，是波长的函数。 ,不仅取决于物体的性质，还与投射辐射能的波 , 长分布有关。（ 2 ）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于表面效应：金属的表面层厚度小于 1m ；绝大多数非金属的表面层厚度小于1mm。（3）对于固体和液体，。 0 , 1
E E d b b 1 2
1
2
d d b b E E
9
Hale Waihona Puke 定向辐射力与辐射力之间的关系：
E
2
Ed
定向辐射力与辐射强度之间的关系：
E L o s c
辐射力与辐射强度之间的关系：
E
2
L c o s d
10
11-2 黑体辐射的基本定律
1.普朗克（Planck）定律 2.斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 3.兰贝特（Lambert）定律
注意： , （1） , 属于物体的辐射特性，取决于物体的种
镜反射与漫反射：
产生何种反射决于物体表面的粗糙程度和投射辐射能的波长。
4
2. 灰体与黑体
灰体：光谱辐射特性不随波长而变化的假想物体，即 , , 分别等于常数。

0
G d
0

G d
G G

G G
G 透射比 G 1
G G
如果投入辐射是某一波长的辐射能G ，则

清华大学传热学课件-传热学-3-1

X c2 cos(x) c3 sin( x) X ( x) ( ) 2 ( x, ) A cos(x) B sin( x)exp( a )
( x, ) A cos(x) B sin( x)exp( a )
2
A、B 和可由初始条件和边界条件确定
f (Bi, x

) f (Bi, Fo)
( x, ) ( x, ) m ( ) ; 0 m ( ) 0
f (Bi,
x

) f (Bi, Fo)
( x, ) (Bi, ) m ( )
x
( x, ) ( x, ) m ( ) ; 0 m ( ) 0
分析解法、近似分析法、数值解法
分析解法：分离变量法、积分变换、拉普拉斯变换近似分析法：集总参数法、积分法、瑞利-里兹法数值解法：有限差分法、蒙特卡洛法、有限元法、分子动力学模拟
§3-2 有限厚度无限大平壁的瞬态导热
一、加热或冷却过程的分析解法（分离变量法）厚度 2 的无限大平壁，、a 为已知常数；=0时温度为 t0; 突然把两侧介质温度降低为 t 并保持不变；壁表面与介质之间的表面传热系数为h。两侧冷却情况相同、温度分布对称。中心为原点。 2 初始条件： t
x 0, x 0
x
x0
B0
a 2
A sin( x) B cos(x) x0 e
B e
2
a 2
0
( x, ) A cos(x) exp( a )
x
2 2
A sin( )exp( a ) hA cos( ) exp( a )
2

清华大学传热学课件-传热学-3-2

1、无限长直角柱体中的瞬态导热
直角柱体的截面：2x 2y 可以看成是厚度为 2x 和厚度为 2y 的两块无限大平壁垂直相交形成的可以证明：无限长直角柱体的温度场是这两块无限大平壁温度场的乘积
可以证明：无限长直角柱体的温度场是这两块无限大平壁温度场的乘积（试证明之）（要求初始、边界条件一致）
qw
t f t0 1 1.13 a h
W m2
qw
t w ( ) t0
1.13 a
qw h(t f ( ) t w ( ))
第一类边界条件下，半无限大物体的温度分布：
第三类边界条件下，半无限大物体的温度分布:（略）例：地下某建筑物，墙厚48cm，F=10m2，=0.815，加热5个小时后，使墙壁温度升高了18度，问：Q=?
( ) Ae
a 2
X ( x) Be
x
Ce
x
a 2 x x Be Ce ( x, ) X ( x) ( ) Ae 2 1 d 1 d X 若假设： 2 a d X dx2 2 d d X 2 2 a 0 X 0 2 d
3、六面体中的瞬态导热
六面体截面：2L1 2L2 2L3
可以看成是厚度分别为 2L1 、 2L2和 2L3的三块无限大平壁垂直相交形成的
( x, y, z, ) ( x, ) ( y, ) ( z, ) 0 0 0 0
二维或三维瞬态导热过程中放热量或吸热量计算方法:
实测综合温度简谐波
实测数据表明：综合温度的周期性波动规律可以视为一个简单的简谐波曲线工程中把环境温度或表面温度的波动概括为简谐振动
二、半无限大物体在周期性变化边界条件下的温度波 1、第一类边界条件下的温度场半无限大物体：以无限大的 y-z平面为界面，在正 x 方向延伸至无穷远的物体。 Aw Aw 均质半无限大物体导热方程： 0 2

传热学基本知识ppt课件

传热学基本知识ppt课件目录•传热学概述•热传导基本知识•热对流基本知识•热辐射基本知识•传热过程与换热器设计•传热学实验方法与测量技术•传热学在工程领域应用案例01传热学概述传热学定义与研究对象传热学定义研究热量传递规律的科学，主要研究物体之间或物体内部热量传递的过程、机理和计算方法。

研究对象包括导热、对流换热和辐射换热三种基本传热方式，以及传热过程与热力学、流体力学、电磁学等学科的交叉问题。

01020304能源与动力工程建筑工程机械工程电子工程传热学应用领域涉及燃烧、锅炉、内燃机、汽轮机、航空发动机等领域的热量传递问题。

研究建筑物的保温、隔热、采暖、通风等热工性能，提高建筑能效。

解决电子设备散热问题，如计算机、手机、电子元器件等的冷却技术。

研究各种机械设备的热设计、热分析和热控制，如散热器、冷却系统、热交换器等。

理论分析实验研究数值模拟传热学研究方法通过建立数学模型和方程，对传热过程进行定量描述和预测。

通过实验手段测量传热过程中的各种物理量，验证理论分析和数值模拟的正确性。

利用计算机进行数值计算，模拟传热过程的详细情况，为优化设计和控制提供依据。

02热传导基本知识热传导定义及物理意义热传导定义物体内部或物体之间由于温度差异引起的热量传递现象。

物理意义热传导是热量传递的三种基本方式之一，对于研究物体的热行为和热设计具有重要意义。

热传导基本定律与公式热传导基本定律傅里叶定律，即单位时间内通过单位面积的热量与温度梯度成正比。

热传导公式Q = -kA(dT/dx)，其中Q为热量，k为热传导系数，A为传热面积，dT/dx为温度梯度。

热传导系数及其影响因素热传导系数定义表征材料导热性能的物理量，即单位时间、单位温度梯度下，通过单位面积的热流量。

影响因素材料的种类、温度、压力、湿度等都会对热传导系数产生影响。

例如，金属材料的热传导系数通常较高，而非金属材料的热传导系数较低。

03热对流基本知识热对流定义及物理意义热对流定义热对流是指热量通过流体的宏观运动而传递的过程。

清华大学热工基础课件工程热力学加传热学(4)第三章

pV mRgT
物质的多少还以物质的量（摩尔数）来衡量。物质的量：n ，单位： mol（摩尔）。摩尔质量： M ，1 mol物质的质量，kg/mol。
4
物质的量与摩尔质量的关系： n m M
摩尔质量与气体的相对分子量之间的关系：
1 kmol物质的质量数值与气体的相对分子质量的数值相同。
MO2 = 32.0010-3 kg/mol MN2 = 28.0210-3 kg/mol
19
2) 理想气体的熵
根据熵的定义式及热力学第一定律表达式，
可得
ds q du pdv du p dv
Τ
T
TT
ds q dh vdp dh v dp
T
T
TT
对于理想气体，
du cV dT , dh cpdT , pv RgT
代入上面两式，可得
20
ds
cV
dT T
Rg
dv v
ds
cp
dT T
Rg
dp p
比热容为定值时，分别将上两式积分，可得
代入
s
cV ln
T2 T1
Rg ln
v2 v1
s
c
p
ln
T2 T1
Rgln
p2 p1
pv RgT和迈耶公式cp cV=Rg ，得 21
结论：
s
cV ln
p2 p1
cpln
v2 v1
（1）理想气体比熵的变化完全取决于初态和终态，与过程所经历的路径无关。这就是说，理想气体的比熵是一个状态参数。
M空气 = 28.96 10-3 kg/mol
5
摩尔体积 Vm ：1 mol物质的体积， m3/mol。

清华大学热能工程教学课件-第7章对流受热面传热计算(1)

对于后屏 x p 按下式计算:
b 2 b x p ( ) 1 s1 s1

对于大屏
xp
按相互垂直具有一公共边的矩形平面间
的角系数,由图 11-1 确定。在上式和图中,b 为屏宽度; s1 为屏间距离;h 为屏高度。
7.1 基本方程
7.1 基本方程

屏进口截面对出口截面的角系数 xp
对于中低压锅炉取为33~63 KJ/Kg 对于高压锅炉取为42~84 KJ/Kg 如果不设减温器取为0 KJ/Kg

省煤器入口烟气焓
I
' sm
I gr Ilk
' gr
0
D '' ' 1 xnz (igr igr i jw ) Bj
Qch
7.1 基本方程
Bj
a ─屏间烟气黑度;
'' Ap ─屏后热面烟窗截面积,
m2
;
T pj
p
─屏间烟气平均温度,K; x ─屏进口截面对出口截面的角系数; r ─考虑燃料影响的修正系数,对煤及重油
r =0.5;对天燃气 r =0.7;对页岩 r =0.2。
7.1 基本方程

屏进口截面对出口截面的角系数 xp
D Qd (i i ) Bj
ky 2 )( I rk o I lk o ) ( I rk o I lk o )
Qky ( ky "
7.1 基本方程

屏式过热器所吸收来自炉膛的辐射热计算 (KJ/Kg)
Qf Q'f Q''f

屏入口截面(炉膛出口截面)所吸收的炉膛辐射热量: