第1章-绪论__传热学(第四版)

流体被加热时：
q h(t w t f )
流体被冷却时：
（1-3）
q h(t f t w )
（1-4）
tf 式中， t及 分别为壁面温度和流体温度， w ℃。
• 如果把温差（亦称温压）记为 t，并约定永 远取正值，则牛顿冷却公式可表示为
q ht
Aht
单位
2 W/ 。 m K
一般地，就介质而言：水的对流换热比空气 强烈； 就换热方式而言：有相变的强于无相变的；
强制对流强于自然对流。
对流换热研究的基本任务： 用理论分析或
实验的方法推出各种场合下表面换热导数的
关系式。
表面传热系数的数值范围
课前回顾：
传热学 热量传递的速率方程 热量传递的三种基本方式 热传导：定义、特点、傅里叶定律 热对流：定义、对流换热、特点、 牛顿冷却定律
铜：
q q
tw1 tw2

300 100 375 1.5 106 W m2 0.05 36.4 300 100 1.46 105 W m2 0.05 300 100 2.32 9.28 103 W m2 0.05 300 100 9.68 102 W m2 0.05
热量传递中的三类问题
强化传热 削弱传热
温度控制
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22度，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度）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？
第1章 绪论
1.1 传热学的研究内容及其在科学技术和工程 中的应用 1.4 传热学的发展史和研究方法
1.1 概 述
1.1.1、传热学研究内容
传热学是研究由温差引起的热量传递规律的学科， 研究热量传递的机理、规律、计算和测试方法。 热量传递过程的推动力：温差 1)物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温 部分传向低温部分； 2)物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温 物体传向低温物体。
dt <0 时， q > 0 ，说明热量沿 x dx
• 4 ）导热系数λ
• 表征材料导热性能优劣的参数，是一种物 性参数，单位： w/m· k。 • 同材料的导热系数值不同，即使同一种材 料导热系数值与温度等因素有关。金属材
料最高，良导电体，也是良导热体，液体
次之，气体最小。
傅立叶Fourier (公元1768年～1830年),法国数学 家、物理学家。法国拿破仑时代 的高级官员。主要贡献是在研究 热的传播时创立了一套数学理论。 后期致力于传热理论，1807年提 交了234页的论文《热的解析理 论》，但直到1822年才出版。
即相当于功率为0.36kW的电暖气。
1.2.3、热辐射 1、基本概念
1）辐射和热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因 热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。 2）辐射换热
辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进 行的物体间的热量传递称辐射换热。
2.辐射换热的特点
不需要物体直接接触。可以在真空中传递，而且
2) 对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传
递过程，称为对流换热。
2 、对流换热的分类 1）根据对流换热时是否发生相变分 无相变的对流换热 有相变的对流换热 沸腾换热：液体在热表面上沸腾的对流换热。 凝结换热：蒸汽在冷表面上凝结的对流换热。
2）根据引起流动的原因分：自然对流和强制对流。 自然对流： 由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流 动。 如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。
为什么水壶的提把要包上橡胶？
不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？
生产技术领域大量存在传热问题
a 航空航天：卫星与空间站热控制；空间飞行器 重返大气层冷却；超高音速飞行器冷却； 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 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水 源热泵 f 新能源：太阳能；燃料电池
钢：
tw1 tw2 tw1 tw2

铬砖： q 硅藻土砖： q

tw1 tw2

0.242
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
相同点
传热学以热力学第一定律和第二定律为基础。
不同点
a）定义： 工程热力学：热能的性质、热能与机械能及其 他形式能量之间相互转换的规律。 传热学：热量传递过程的规律。 b) 状态 工程热力学：研究平衡态； 传热学：研究过程和非平衡态 c）时间 工程热力学：不考虑热量传递过程的时间。 传热学：时间是重要参数。 d）单位 工程热力学：kJ，J。 传热学：W。
o 很多行业中如何让热量有效地传递成为 解决问题的关键 • 大规模集成电路芯片的散热问题
• 航天飞机的有效冷却和隔热
• 材料加工行业的散热问题
传热学的研究方法
实验测定
理论分析
数值模拟
传热学的地位
• 传热学是本专业必修的专业基础课，理论性、
应用性极强。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。 • 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。
传热学与工程热力学研究的问题不同
铁块，M1 300oC
工程热力学：tm , Q • 传热学：过程的速率
水，M2 20oC
t f ( x , y, z , ); Q f ( )
1.1.4、传热学的应用
自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍
传热学在日常生活、生产技术领域中的应用十 分广泛。
dt q A dx
（1-2）
说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式（1-1）、 （1-2）是一维稳态导热时傅立叶定律的数学表达式。 通过分析可知： （1）当温度 t 沿 x 方向增加时， ＞０而 q ＜０，
dx
dt A dt dx
说明此时热量沿 x 减小的方向传递； （2）反之，当 增加的方向传递。
练 习 1 ： 有 三 块 分 别 由 纯 铜 （ 热 导 率 λ1=398W/(m· K)）、黄铜（热导率λ2=109W/(m· K)） 和碳钢（热导率λ3=40W/(m· K)）制成的大平板，厚 度都为10mm，两侧表面的温差都维持为 tw1 – tw2 = 50℃不变，试求通过每块平板的导热热流密度。 解： 这是通过大平壁的一维稳态导热问题。
课程性质
• 传热学是油气储运专业的专业基础课； • 考试课： 总成绩= 卷面成绩×70%+平时成绩×30% 平时成绩30% 实验10% 作业10% 考勤和课堂表现10%
几点要求：
• • • • 上课不要迟到； 手机关机或是静音； 课堂安静，若有问题可以及时沟通； 作业：及时上交，不要抄袭 用演算本交至储运楼512
对于黄铜板
q2 2
tw1 tw 2

109 50 / 0.01 0.545 106W / m2
对于碳钢板
q2 3
tw1 tw 2

40 50 / 0.01 0.2 10 W / m
6
2
1.2.2、热对流
1 、基本概念
1) 热对流：是指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。 热对流仅发生在流体中，流体中有温差 —对流的同 时必伴随有导热现象。自然界不存在单一的热对流。
（1-5） （1-6）
其中 h —比例系数（表面传热系数）
表面传热系数（对流换热系数）
h Φ ( A(t w t )) W
(m2 C)

—— 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
•h是表征对流换热过程强弱的物理量
影响 h 因素：流动原因、流动状态、流体物性、 有无相变、壁面形状大小等
答疑：每周三下午2：30-4：00，储运楼512
传热学内容：
热传导：第2、3、4章 热对流：第5、6、7章 热辐射：第8、9章 传热过程和换热器：第10章 考试时以上四个部分各占1/4
教材及参考书
《传热学》杨世铭、陶文铨编著
《传热学》章熙民 编著 《传热学重点难点及典型 题精解》 或《传热学要点 与解题 》王秋旺 编著
§1.2 热能传递的基本方式
• 热能传递基本方式：导热（热传导）、对 流、热辐射
1.2.1、导热（热传导） 1 、概念
定义：物体各部分之间不发生相对位 移时，依靠分子、原子及自由电子等微观 粒子的热运动而产生的热量传递称导热。
如：固体与固体之间及固体内部的热量传 递。
2、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 • 没有能量形式之间的转化
（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。
dt A dx
2 ）热流量 单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量， 记为 ，单位 w。 3 ）热流密度（面积热流量） 单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度， 记为 q ，单位 w/ ㎡。 当物体的温度仅在 x 方向发生变化时，按傅立叶 定律，热流密度的表达式为:
例题
例题 1-1 一块厚度δ =50 mm 的平板， 两侧表面 tw1 300o C, tw2 100o C. 试求下列条件下的热流密度。 分别维持在
(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：由一维稳态导热公式有：
3、导热的基本规律
• 1 ）傅立叶定律 • 1822 年，法国物理学家
如图 1-1 所示的两个表面分 别维持均匀恒定温度的平板， 是个一维导热问题。
考察x方向上任意一个厚度为 dx的微元层
根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热热量 与当地的温度变化率及平板面积A成正比，即
dt A dx
• 热量传递规律： 主要是指单位时间内所传递的热量（热 能的多少）与物体中相应的温度差之间 的关系，反映这种规律的第一层次的关
系称为热量传递的速率方程。
1.1.2、传热学研究中的连续介质假设
将假定所研究的物体中的温度、密度、速度、 压力等物理参数都是空间的连续函数。
1.1.3、传热学与工程热力学的关系
练习2 一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为 tw = 50℃，和温度为20℃的室内空气之间自然对流 换热的表面传热系数为h = 4 W/(m2· K)。试问该暖气 片相当于多大功率的电暖气? 解： 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，
Q= Ah(tw – tf) = 3m2×4 W/(m2· K)×(5020)K = 360W = 0.36 kW
在真空中辐射能的传递最有效。
在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴
随有能量形式的转化。 辐射时：辐射体内热能→辐射能；
强制对流：
流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造 成的。 3) 根据流动状态分为：层流和湍流。
• •
• •
3、对流换热的特点 必须有流体的宏观运动，必须有温差； 对流换热既有对流，也有导热；对流换热 不是基本的热量传递方式。 流体与壁面必须直接接触； 没有热量形式之间的转化。
4 、对流换热的基本规律 < 牛顿冷却公式 >
dt q dx
qdx dt q dx dt
0 tw1

tw 2
qx

0
t
tw 2 tw1
q
(tw 2 tw1 )


tw1 tw 2

对于纯铜板
q1 1
tw1 tw 2

398 50 / 0.01 1.99 106W / m2