传热学第1章 绪论

1 导热（热传导）(Conduction)
(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 (2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生 (3)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。
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第1章 绪论——§1-0 概 述
3. 传热学与工程热力学的关系
(1) 热力学 + 传热学 = 热科学(Thermal Science)

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。

关心的是热量传 递的过程，即热 量传递的速率。
铁块, M1 300oC
热力学： tm
铜： 钢：
q tw1 tw2

375
300 100 1.5 106 W m2 0.05
q
tw1 tw2

36.4
300 100 1.46 105 W m2 0.05
铬砖： q tw1 tw2 2.32 300 100 9.28 103 W m2 0.05 硅藻土砖： q
例：热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程
非稳态传热过程：系统中各点温度随时间而改变的热传递过程 例：热力设备在启动、停机、变工况运行时的热传递过程
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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式
§1-1 热量传递的三种基本方式
导热(热传导)；对流(热对流)；热辐射
— 热流量[W]，单位时间传递的热量
q — 热流密度 W m 2





2 h — 表面传热系数 W (m K)


A — 与流体接触的壁面面积 m
t w — 固体壁表面温度 C

2
tf
— 流体温度
C

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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式
机械工业出版社，2005 F.P.Incropera & D.P. DeWitt. 《Introduction to Heat Transfer (9 Edition) 》 F. P. Incropera, D.P. DeWitt . 《Fundamentals of Heat Transfer》
[3] [4]
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第1章 绪论——§1-0 概 述
§1-0 概 述
自然界的各种现象是否会会涉及到热量传递？
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第1章 绪论——§1-0 概 述
我们的日常生活是否会涉及到热量传递？
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第1章 绪论——§1-0 概 述
工业生产是否会涉及到热量传递？
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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式
二、 对流 (Convection)
1. 概念 (1) 定义 由于流体的宏观运动，从而使流体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过程称为对流。 (2) 物质的属性 仅发生在流体中。 对流必然伴随着导热（因为流体分子存在热运动）。
tw1 tw2

0.242
300 100 9.68 102 W m2 0.05
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。
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金属 非金属固体 液体 气体
复习：1 传热学的研究内容 (1) 定义 2 传热学与工程热力学的关系 (2) 物质的属性： 3 传热学应用实例 4 传热过程的分类 5 导热 (3) 导热的特点 (4) 导热的基本定律 (5) 导热系数
(6) 一维稳态导热及其导热热阻 如图1-3所示，稳态 q = const，于是积分Fourier定律有：
q dx
0

tw2
tw1
dt q
tw1 tw2

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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式
q t w1 t w 2 t w1 t w 2 t r t R

t
t w1
dt
dx
Φ
A


0
tw2
4 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
(1) 日常生活中的例子：
a. 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℃，那么在冬天
与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？
b. 夏天人在同样温度（如：25 ℃ ）的空气和水中的感觉不一样。为什么？ c. 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越 厚越好？ d. 棉被为什么需要晾晒，而且晾晒的过程中要拍打？
20世纪70年代 10 W/cm2 20世纪80年代 20~30 W/cm2 20世纪90年代及以后 102 W/cm2量级
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第1章 绪论——§1-0 概 述
(3) 几个特殊领域中的具体应用
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。 b. 微 电 子：电子芯片冷却 c. 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存 d. 军 e. 制 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵
传热学
Heat Transfer
主讲教师：邹高万 建筑环境与设备工程
2008年3月
请节约能源，珍爱我们的地球！
教
材： 陶文铨. 《传热学(第四版)》, 高等教育出版社, 2006.8
杨世铭,
主要参考资料：
[1]
戴锅生. 《传热学(第二版)》, 高等教育出版社, 1998
[2]
J.P.霍尔曼(J.P.Holman) [美]. 《Heat Transfer (9 Edition)》,
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第1章 绪论——§1-0 概 述
(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…
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来自百度文库
第1章 绪论——§1-0 概 述
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第1章 绪论——§1-0 概 述
军事工业是否会涉及到热量传递？
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第1章 绪论——§1-0 概 述
航天是否会涉及到热量传递？
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第1章 绪论——§1-0 概 述
火！热量！
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第1章 绪论——§1-0 概 述
§1-0 概 述
1. 传热学（Heat Transfer） (1) 研究由温差引起的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、计算和测试方法 (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低温热源 有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力 2. 连续介质假设 (1) 物质是由连续介质所构成； (2) 在充满连续介质的空间，各物理参数都是连续函数。
R A
r
x
导热热阻 单位导热热阻

t w1

A
tw2
图1-3 导热热阻的图示
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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式 例题 1-1
一块厚度δ=50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在
tw1 300o C, tw2 100o C. 试求下列条件下的热流密度。
Φ
传热学： t ( x, y, z , )
水，M2 20oC 图1-1 传热学与热力学的区别
Φ f ( )
(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 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 始终是守恒的。
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第1章 绪论——§1-0 概 述
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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式 二、 对流 (Convection)
3. 对流换热的基本规律——牛顿冷却公式
1701年，英国科学家Newton: 流体被加热时： q h(t w 流体被冷却时： q h(t f
tf )
tw )
用 t 表示温差（温压），并取
(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：
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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式
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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式
(4)导热的基本定律：
1822年，法国数学家Fourier:
dt dx Φ dt q A dx Φ A
t
dx
W
W 2 m
0
dt


x
上式称为Fourier定律，号称导热基本定律， 是一个一维稳态导热。其中：
(3) 生活中的例子： a 烧开水； b 热的时候吹电扇； c 烫嘴的粥，正么处理？
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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式 二、 对流 (Convection)
2. 对流换热 对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程 (1) 对流换热的特点： ① 对流的同时必伴随有导热现象； ② 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动； ③ 壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (2) 对流换热的分类 ① 根据对流换热时是否发生相变分： 有相变的对流换热和无相变的对流换热。 ② 根据引起流动的原因分： 自然对流和强制对流。
4 对流换热系数(表面传热系数)
（Convection heat transfer coefficient）
h Φ ( A(t w t ))
间内所传递的热量 影响h因素： ① 流体物性（ , , , c p）； ② 换热表面的形状、大小与布置； ③ 流速
W
(m2 K)

—— 当流体与壁面温度相差 1度时、每单位壁面面积上、单位时
q ht
t 0 则牛顿冷却公式表示为 Φ Ah t
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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式
Φ hA(t w t f ) W
q Φ A h(t w t f ) W m 2
Convection heat transfer coefficient
过程 自然对流 空气 水 空气 水 沸腾 凝结
h [W/(m2 K)] 1~10 200~1000 20~100 1000~15000 2500~35000 5000~25000
强制对流 水的相变换热
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；
f. 新 能 源：太阳能；燃料电池
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第1章 绪论——§1-0 概 述 5 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。 稳态传热过程：系统中各点温度不随时间而改变的热传递过程
图1-2 一维稳态平板内导热
：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[m2]；：导热系数（热导率） [W/( m K)]。
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第1章 绪论——§1-1 热量传递的三种基本方式
(5) 导热系数 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。