传热学绪论课件

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
A dt （1-1）
dx
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。
2 ）热流量
A dt
dx
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。
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 >
流体被加热时：
q h(t w t f )
（1-3）
流体被冷却时：
q h(t f t w )
（1-4）
式中，t w及 t f分别为壁面温度和流体温度，
℃。
• 如果把温差（亦称温压）记为t，并约定永
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 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； 吸收时，辐射能→受射体内热能。 ➢只要温度大于零就有能量辐射。 ➢物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射 区别于导热，对流的基本特点。
教材及参考书
• 《传热学》何燕 张晓光 孟祥文 编
《传热学》杨世铭、陶文铨编著 《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
第一章 绪论
1-1 传热学概述 1-2 热量传递的三种基本方式 1-3 传热过程和传热系数
1.1 概 述
1.1.1、传热学研究内容
传热学是研究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。
通过分析可知： （1）当温度 t 沿 x 方向增加时，dt ＞０而 q ＜０，
dx
说明此时热量沿 x 减小的方向传递；
（2）反之，当 dt <0 时， q > 0 ，说明热量沿 x
dx
增加的方向传递。
• 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) 。 • 不同材料的导热系数值不同，即使同一种
d 我们许多人都喜欢在冬天有暖暖阳光时晒被子， 我们都会深有体会，冬天经过在白天太阳底下晒过 的棉被，晚上盖起来会觉得很暖和，并且经过拍打 以后，效果更加明显？
棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空 气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是 导热，由于空气的导热系数较小，具有良好的保温性能。 而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更 明显。
• 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。
§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。
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
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
例题1-2 一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度
3 ）导热、对流、辐射的评述
① 导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在 的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质， 可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递 最有效。
② 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。 在辐射时，辐射体内热能 → 辐射能； 在吸收时，辐射能 → 受射体内热能
例 题 1-1 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
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
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
1 、概念 热量由壁面一侧的流体通 过壁面传到另一侧流体中 去的过程称传热过程。
对流 辐射
导热
对流
2 、传热过程的组成
一般包括串联的三个环节： ① 热流体 → 壁面高温侧； ② 壁面高温侧 → 壁面低温侧； ③ 壁面低温侧 → 冷流体。 稳态过程通过串联环节的热
铁块，M1 300oC
工程热力学：tm , Q
• 传热学：过程的速率
水，M2 t f ( x, y, z, ); Q f ( )
20oC
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。
热量传递中的三类问题
❖强化传热 ❖削弱传热 ❖温度控制
• 自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射， 同时又不断的吸收其他物体发出的辐射热，不 仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物 体向高温物体辐射热能。
• 说明：辐射换热是一个动态过程，当物体与周 围环境温度处于热平衡时，辐射换热量为零， 但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射 热与吸收热相等。
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。
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。
tw1 tw2
10950 / 0.01 0.545106W
/ m2
对于碳钢板
q2
3
tw1
tw2
4050 / 0.01
0.2 106W
/ m2
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。
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
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)×(50-
20)K = 360W = 0.36 kW
导热热流密度。
解：
这是通过大平壁的一维稳态导热问题。
q dt
dx
qdx dt
q
dx
tw2 dt
0
tw1
qx
0
t
tw2 tw1
q (tw2 tw1) tw1 tw2
Fra Baidu bibliotek
对于纯铜板
q1
1
tw1 tw2
39850 / 0.01 1.99106W
/ m2
对于黄铜板
q2
2
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。
传热学与工程热力学研究的问题不同
其中 T ——黑体的热力学温度 K ；
——斯忒潘—玻耳兹曼常数（黑体辐
射常数），其值为 5.6710-8 W/ m2 K4
A——辐射表面积 m2 。
实际物体辐射热流量根据斯忒潘——玻耳 兹曼定律求得：
AT 4
（ 1-8 ）
其中 Φ ——物体自身向外辐射的热流量， 而不是辐射换热量；
——物体的发射率（黑度），其值
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？
日常生活中的例子
③ 物体的辐射能力与其温度性质有关。
3.热辐射的基本规律（斯蒂芬-玻尔兹曼定 律）（Stefan-Boltzmann law）
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。（Black body）
黑体的辐射能力与吸收能 力最强
Ludwig Boltzmann (1844-1906)
AT 4 （1-7）
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。 ❖ 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
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。
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 相同点
总小于1，它与物体的种类及表面状态有关。
要计算辐射换热量，必须考虑投到物体上 的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，详 见第9章。
物体包容在一个很大的表面温度为T2的空 腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量
1 A1 (T14 T24 ) （ 1-9 ）
综合分析
§1-3 传热过程和传热系数
1.3.1 传热方程式
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:
q dt
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。
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。
远取正值，则牛顿冷却公式可表示为
q ht
（1-5）
Aht
（1-6）
其中 h —比例系数（表面传热系数）
单位 W/ m2 K 。
表面传热系数（对流换热系数）
h Φ ( A(tw t )) W (m2C)
—— 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
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。