热工课件第九章

作业：P142 9-1、9-2、9-4
例
题
设冬天室内空气温度为tf1，室外空气温度为tf2 ，试在该两温度不变的条件 下，画出下列三种情形下从室内到室外空气温度分布的示意性曲线： （1）室外平静无风。 （2）室外冷空气以一定流速吹过砖墙表面。 （3）除了室外刮风，还要考虑砖墙与四周环境间的辐射传热。
传热学研究中的基本假设
研究物体中温度、密度、速度等物理参数都是 空间的连续函数。
传热学要解决的主要问题 传热学是研究热量传递规律的科学 计算传递的热量
增强传热：更好地散热。 削弱传热：更好地隔热。
确定物体中各点的温度
确定物体中的温度分布 是传热学研究的一个基本问题 工具：高等数学
热量传递的基本方式 热量传递有三种基本方式:
Rh 2
ຫໍສະໝຸດ Baidu
tf2
关于传热系数
将传热热流量的计算公式写成 式中 k =
Φ=
1 1 δ + + Ah1 Aλ Ah2
tf 1 − tf 2
k 称为传热系数，单位为 1 δ 1 + + W/(m2·K)，∆t为传热温差。 h1 λ h2 冬天，屋顶积雪 通过单位面积平壁的热流密度为
1
Φ =Ak ( tf 1 − tf 2 ) =Ak ∆t
Φ = hA(t w − tf ) [W ]
q = h(t w − tf ) W/m
[
2
]
2
h — 表面传热系数， A —
对流换热系数 [W (m ⋅ K )] 与流体接触的壁面面积 [m ]
2
t w —固体壁表面温度
[℃]
t f —流体温度
[℃]
对流换热热阻
Φ = Ah(tw – tf) = tw − tf = tw − tf
1 Ah
Rh
1 Rh = 称为对流换热热阻，单位为 W/K。 Ah
Φ
对流换热热阻网络：
tw
Rh
tf
9.3 热辐射 辐射： 凡是能量非经由传导或对流方式，而 是直接穿越空间传达至它处的方式统 称为辐射。 热辐射： 物体会因为各种原因发出辐射能。其中 因热的原因而发出辐射能的现象为热辐 射。 理论上热辐射的波长范围从零到无穷大， 但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热 辐射的波长主要在0.1µm至100µm之间,包括部 分紫外线、可见光和部分红外线三个波段 。
t
tf1 tf2 tw1 tw2
x
本章结束
公司
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
第九章 热量传递的基本方式
公司
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
本章主要内容及重点 传热学的研究方法 简要介绍热量传递的基本方式 传热过程简介 1、基本概念 2、基本定律
传热学研究方法 传热学的研究方法
1.理论分析：数学分析 ，求解偏微分方程获得解析解。 （理论分析的主要任务） 2.实验研究：通过实验测定。（基本研究方法） 3.数值模拟：通过计算机求解。（本课程不作介绍）
[
]
● 黑度：实际物体接近黑体的程度
Φ = εAσ T 4
[W m ]
2
ε—
实际物体表面的发射率，0-1； 与物体的种类、表面状况和温度有关
实际物体辐射能力：低于同温度黑体
小
结
（1）导热、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； （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。
固 体 壁
低 温 流 体
汽车散热器的散热过程就是一个典型的传热过程， 即：水 散热器内壁 散热器外壁 空气
通过平壁的稳态传热过程
假设： tf1、tf2、h1、h2不随时间变化；λ为常数。
（1）左侧的对流换热 tf1
t
(t f 1 − t w1 ) Φ = Ah1 (t f 1 − t w1 ) = 1 Ah1 (t f 1 − t w1 ) = Rh1
Φ
三种情况，h2不断增大，k
t
tf1 tf2 tw1 tw2
（1） （2） （3）
Φ = Aλ
t = t1 −
tw1 − tw 2
t1 − t 2
δ
δ
x
直线越来越陡
x
例
题
同样是25°C的房子，为什么夏天可以穿衬 衫，而冬天却要穿毛衣？
墙壁内侧温度夏天比冬天 高，所以人体向外辐射的能量 冬天比夏天多，而自然对流和 辐射换热处在同一数量级。
9.1 导热
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
例如：大平壁的一维稳态导热 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； t 4.热量只沿着垂直于壁面的方向传递。 tw1 热流量： 单位时间内通过某一给定面 积的热量。W
辐射换热的主要影响因素
（1）物体本身的温度、表面辐射特性； （2）物体的大小、几何形状及相对位置。 概念 ● 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
计算方法
斯忒藩-玻尔兹曼定律
Φ = AσT
4
σ−
T−
黑体的热力学温度 斯忒藩-玻尔兹曼常数
5.67 ×10 −8 W / m 2 ⋅ K 4
表面传热系数h的影响因素
h 的大小反映对流换热的强弱，与以下 因素有关：
（1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比热容等）； （2）流体流动的形态（层流、紊流）； （3）流动的成因（自然对流或强迫对流）； （4）物体表面的形状、尺寸； （5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。
一些对流换热的h数值范围
电磁波谱
热辐射的主要特点
依靠电磁波传递能量 不需要任何介质 温度高于0K,都有发射辐射粒子的能力。 物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。
高温 物体
低温 物体
辐射换热
辐射换热： 物体间靠热辐射进行的热量传递
辐射换热不仅有能 量转移,还有能量形 式的变化
内能
发射 电磁能 吸收
内能
发射辐射能是物质的固有属性
tf1 t tw1 h1
Φ Φ
t
h2 tw2
Φ
tf1 tf2 tf2
（1） （2） （3）
0
δ
x
x
例
室内： Φ = Ah1 (t f 1 − t w1 ) 如果：Φ
k= 1 δ 1 + + h1 λ h2 1
题
其中：h1、A、tf1不变
(t f 1 − t w1 )
Φ =Ak ( tf 1 − tf 2 ) =Ak ∆t
9.4
传热过程简介
传热过程：指热量从固体壁面一侧的流体通过固体 壁面传递到另一侧流体的过程。 传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成
9.4
传热过程简介
传热过程由三个相互串联的热量传递环节组成: （1）热量从高温流体以对流换热（或对流换热 ＋辐射换热）的方式传给壁面； （2）热量从壁面一侧以导热的 方式传递到壁面另一侧； 高 （3）热量从低温流体侧壁面以 温 对流换热（或对流换热＋辐射 流 换热）的方式传给低温流体。 体
Φ = Aλ
t w1 − t w 2
tw2
λ : 材料的热导率（导热系数）：表明
材料的导热能力，W/(m·K)。物性参数
δ
Φ
0
λ金属 > λ非金属固体 > λ液体 > λ气体
δ
x
例如：大平壁的一维稳态导热 热流密度 q :单位时间通过单位面积的热流量 t w1 − t w 2 Φ 傅里叶定律 = = λ q δ A t w1 − t w 2 t w1 − t w 2 t w1 − t w 2 Φ = Aλ = = δ δ Rλ δ Aλ Rλ = Aλ 称为平壁的导热热阻，表示物体对导热
对流换热类型 空气自然对流换热 水自然对流换热 空气强迫对流换热 水强迫对流换热 水沸腾 水蒸气凝结 表面传热系数 h W /( m2⋅K) 1～10 200～1000 10～100 100～15000 2500～35000 这就是为什么Jack冻死 了，而Rose没有！ 5000～25000
对流换热的基本计算公式： 牛顿冷却公式
= k ( tf 1 − tf 2 ) q
tf 1 − tf 2 = 1 δ 1 + + h1 λ h2
有助于房屋保温
利用上述公式, 可以很容易求得通过平壁的热流 量Φ、热流密度q及壁面温度tw1、tw2。
第九章 小结
（1）掌握导热、热对流、热辐射三种热量传递基本 方式的机理及特点； （2）掌握热流量、热流密度、导热系数、对流换热、 表面传热系数、传热系数、热阻等基本概念； （3）灵活运用平壁的一维稳态导热公式、对流换热 的牛顿冷却公式、通过平壁的一维传热过程计算公式 进行相关的计算、分析。
（2）平壁的导热
tw1 h1
Φ Φ
h2 tw2 tf2
Φ
0
δ
x
tw1 − tw 2 = tw1 − tw 2 Φ = Aλ δ
δ
Aλ
tw1 − tw 2 = Rλ
通过平壁的稳态传热过程
（3）右侧的对流换热
= Ah2 ( tw 2 − tf 2 ) Φ
t w 2 − tf 2 t w 2 − tf 2 = = 1 Rh 2 Ah2
的阻力，单位为K/W 。
欧姆定律
tw1 λ
δ
tw2
热阻网络
9.2 热对流 热对流: 流体中（气体或液体）温度不同的各部分之
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。 热对流只发生在流体之中，并伴随有微观粒子热 运动而产生的导热。
对流换热:
流体流过物体表面时，流 体与固体壁间的换热，是 导热和热对流两种基本传 热方式共同作用的结果。
9.2 热对流 对流换热特点：
必须有流体的宏观运动，同时必须存在 温差； 必然同时伴随着热传导，自然界不存在 单一的热对流； 只能发生在流体中； 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。
对流换热分类
没有相变：自然对流换热 如：暖气 强制对流换热 如：换热器 有相变： 液体沸腾 如：液体在热表面上 蒸汽凝结 如：蒸汽在冷表面上 计算公式： q = h∆t 牛顿冷却公式： Φ = hA∆t h:比例系数，称表面传热系数或对流换热系数 单位： W/m2 .K h不是物性参数
tf 1 − tf 2 = Rh1 + Rλ + Rh 2
在稳态情况下，以上三式的热流量相同，可得
Φ=
1 1 δ + + Ah1 Aλ Ah2
tf 1 − tf 2
tf 1 − tf 2 = Rk
式中 Rk = Rh1 + Rλ + Rh 2 传热热阻网络： tf1
Rh1
，Rk称为传热热阻。
Φ
tw1 R tw2 λ
导热（热传导）
(thermal conduction)
热对流
(thermal convection)
热辐射
(thermal radiation)。
9.1 导热
导热：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。
导热现象发生在 固体内部，也可发生 在静止的液体和气体 之中。