1、传热学部分传热学部分尹水娥尹水娥热工理论基础热工理论基础专业：热能工程E-mail:Office：7522641教材教材传热学传热学，戴锅生著，第二版，戴锅生著，第二版学时学时总学时：总学时：2424，讲课：，讲课：2222，实验：，实验：2 2参考资料：参考资料：传热学传热学，杨世铭、陶文铨编著，第四版，杨世铭、陶文铨编著，第四版传热学重点难点及典型题精解传热学重点难点及典型题精解，王秋旺，西安交大出版社，王秋旺，西安交大出版社辅导辅导周四周四 4:00-5:00pm，一校区教，一校区教4楼楼 热能教研室热能教研室第一章第一章 绪论绪论1-1 1-1 传传热学概述热学概述1-2 1-2 热热
2、量传递的基本方式量传递的基本方式1-3 1-3 传热过程与热阻传热过程与热阻一、传热与传热学一、传热与传热学有温差的物体，热量自发地有温差的物体，热量自发地由高温物体传给低温物体由高温物体传给低温物体没有温差的地方没有热量没有温差的地方没有热量传递传递传热：是物质在温差作用下所发生的热量传递。传热：是物质在温差作用下所发生的热量传递。传热学：研究由温差引起的传热学：研究由温差引起的热量传递规律热量传递规律的科学。的科学。二、传热学的普遍性二、传热学的普遍性自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍传热很普遍日常生活中的例子日常生活中的例子lll冬天，经过在白天太阳底下晒
3、过的棉被，晚上盖起来为什么冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来为什么感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果更加明显？感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果更加明显？夏夏天人在同样温度（如：天人在同样温度（如：2525度）的空气和水中的感觉不一度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？样。为什么？人体为恒温体。若房间里气人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持体的温度在夏天和冬天都保持2020度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？样？为什么水壶的提把要包上橡胶？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，
4、哪个黄油融解更快？不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？在下列技术领域大量存在传热问题在下列技术领域大量存在传热问题动力、化工、制冷、建筑、环境、动力、化工、制冷、建筑、环境、机械制造、新机械制造、新能源、微电子、核能、能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统航空航天、微机电系统（MEMSMEMS）、新材料、军事科学与技术、生）、新材料、军事科学与技术、生 命科命科学与生物技术学与生物技术燃煤电厂的基本流程燃煤电厂的基本流程锅锅炉炉工工作作原原理理三、传热学与工程热力学的关系三、传热学与工程热力学的关系相同点：相同点：传热学以热力学第一定律和第二定律为基础传热学以热力学第一定律和第二定律
5、为基础热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律热量始终是从高温物体向低温物体传递，在热量传递过程中热量始终是从高温物体向低温物体传递，在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒。若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒。热量能自发的从高温物体传递到低温物体热量能自发的从高温物体传递到低温物体Q=mc p(t1 t2)单位：单位：J J不同点不同点a.a.工程热力学：热能与机械能及其他形式能量之间工程热力学：热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律。不考虑热量传递过程的时间。相互转换的规律。不考虑热量传递过程的时间。研究系统从一个平衡态到研究系统从一个平衡态到 另另
6、 一个平衡态过程中一个平衡态过程中热量传递的多少热量传递的多少dQd=b.b.传热学：热量传热学：热量 传递过程的规律，时间是重要传递过程的规律，时间是重要参数参数 。关关心的是温度随心的是温度随 时间的时间的 变化和单位变化和单位 时间所传时间所传递的热量递的热量热流量。热流量。单位：单位：W Wt=f(x,y,z,);Q=f()水，M220oC传热学与工程热力学研究的传热学与工程热力学研究的问题不同问题不同铁块,M1300oC热热 力力学：学：t tm m,Q,Q传热学：过程的速率传热学：过程的速率传热学研究内容传热学研究内容热量传递的热量传递的机理和速率、温度机理和速率、温度 场的变化场
7、的变化传热学的工程应用传热学的工程应用1 1、强强化传热：化传热：即在一定的即在一定的 条件下，条件下，增加增加 所传递所传递的热量。的热量。如热水的如热水的 搅拌冷搅拌冷 却却2 2、削弱传热，也称削弱传热，也称 热绝缘热绝缘 ：即在一即在一 定的温差定的温差下，使下，使 热量的传递热量的传递 减到最小。如热减到最小。如热 水瓶水瓶3 3、温、温度控度控 制：制：为使为使 一些设备能安全一些设备能安全 经济经济 地地 运运行行 ，需要对热量传递中的，需要对热量传递中的 关键部位进行温关键部位进行温 度控度控制制 。如航。如航 天器返回天器返回 地面，地面，笔记本的笔记本的 散热散热q=m四、
8、传热问题的分类和主要计算量四、传热问题的分类和主要计算量稳态稳态传热过程传热过程:传热过程中各处温度不传热过程中各处温度不 随时间变化。随时间变化。非稳态传热过程：非稳态传热过程：传热过程中各传热过程中各 处温度随时间变化。处温度随时间变化。热流量：热流密度：W dQd =At W 21-21-2热热量传递的基本方式量传递的基本方式热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射一、热传导（导热）一、热传导（导热）1 1、定义和特征、定义和特征 定义定义：指温：指温 度不同的物体度不同的物体 各部分或温度不同各部分或温度不同 的两的两物体间物体间直接接触直接接触
9、时，依靠时，依靠分子、原子及自由分子、原子及自由 电子电子等微观粒子热运动等微观粒子热运动而进行而进行 的热量传递现象的热量传递现象 。导热是导热是物质的属性：只要存在温差物质的属性：只要存在温差，可以在固，可以在固体、液体、液体、体、气体中气体中发生发生2 2、导热的、导热的 特点特点必须有温差必须有温差物体直接接触物体直接接触依靠分子、依靠分子、原子及原子及 自由自由 电电 子等微观粒子子等微观粒子热热 运动而运动而 传递热量传递热量不不 发生宏观的相对位移发生宏观的相对位移3 3、导热机理、导热机理气体：气体分气体：气体分子不规则热子不规则热 运动时运动时 相互碰撞的结果。相互碰撞的结果
10、。导导 电固电固体：自由电体：自由电 子运动和晶格结构的震子运动和晶格结构的震 动。动。非非 导电固导电固 体：晶格结构的体：晶格结构的 振动。振动。液液 体：很体：很 复杂。复杂。q=热导率（导热热导率（导热系数）系数）W t=A t W A m 2：热热流量，单位流量，单位时时 间传递的热量间传递的热量WWq q：热热流密度，流密度，单位时单位时 间通过间通过 单位面积传递的热量单位面积传递的热量:平壁的厚平壁的厚度度mm；A A：垂直于导热方向的垂直于导热方向的 截面积截面积 m m 2 2 o:W(m o C)T1T2l4 4、热量传递方程、热量传递方程热导热导率率 （导热系数导热系数
11、 ）=A t W t=A定义：定义：具有具有单位温度单位温度 差（差（1K1K）的单位厚度的物体）的单位厚度的物体(1m)(1m)，在它的单位面积上在它的单位面积上 (1m(1m 2 2)、每、每 单位时间单位时间(1s)(1s)的导热量的导热量(J)(J)热导率表示材料导热热导率表示材料导热 能力大小；能力大小；物性参数；实验确定物性参数；实验确定金属 非金属固体 液体 气体 纯铜=398 W (m o C);水=0.6 W (m oC);空气=0.026 W (m oC)（20 o C）=398 50/0.01=1.99 10 W=109 50/0.01=0.545 10 W=40 50/
12、0.01=0.2 10 W例题例题有三块有三块分别由分别由纯铜纯铜（热导率热导率1=398W/(mK)、黄铜黄铜（热（热导率导率2=109W/(mK)）和）和碳钢碳钢（热导率（热导率3=40W/(mK)）制成的大制成的大平板，厚度都为平板，厚度都为10mm 10mm，两，两 侧表面的温差都维持侧表面的温差都维持为为tw1tw2=50不变，试求通过每块不变，试求通过每块平板平板 的导热热流密的导热热流密度。度。这是通过大这是通过大 平壁的一平壁的一 维稳态导热问题维稳态导热问题6对：对：66tw1 tw 2tw1 tw 2tw1 tw 2解于纯铜板解于纯铜板q1 =1对对于黄铜板于黄铜板q2 =
13、2对对于碳钢板于碳钢板q2 =3定定 义义：流流 体各部分体各部分 之间发生之间发生相对位移相对位移时，时，冷热冷热流流 体体相互相互 掺混掺混所引所引起的热量传递过程。起的热量传递过程。特征特征：流流 体中有温差体中有温差 热对流必热对流必 然然 同时同时 伴伴 随随着着 热传导，热传导，自然界自然界 不存在不存在 单一的热单一的热 对流对流二、热对流二、热对流1 1、定义和定义和 特征特征对流换对流换热的热的 特点特点 对流换热与热对流换热与热对流不同，对流不同，既有热对流，也有导热；不既有热对流，也有导热；不是是基本传热方式基本传热方式 导热与热对流同导热与热对流同时存在的复杂热传递过程
14、时存在的复杂热传递过程 （流体中各部（流体中各部分温度不同，必然伴有分分温度不同，必然伴有分 子不规子不规 则热运动而传递的热则热运动而传递的热量）量）必须有必须有直接接触（流直接接触（流 体与壁面）和宏观运体与壁面）和宏观运动；也必须有动；也必须有温差温差 对流换热对流换热机理与通过紧靠机理与通过紧靠 换热面换热面 上薄膜层的热传导有关上薄膜层的热传导有关对对 流流 换换 热热 ：流流 体与体与 温温 度度不不 同同 的的 固固 体体 壁壁 间间 接接 触触 时时的热量交换过程的热量交换过程2.2.分类分类对对 流流换热换热 按照不同按照不同 的原因的原因 可分为多种类型可分为多种类型是是
15、否相变否相变 ：有相变有相变 的对流的对流 换热和无换热和无 相相 变的变的 对对 流换热流换热流动原因流动原因 ：强迫对强迫对 流换热流换热 和自然对和自然对 流流 换热。换热。流动状态流动状态 ：层流和：层流和 紊流。紊流。3.3.对流换对流换热的计算：热的计算：牛顿冷却公牛顿冷却公 式（式（17011701）W =hA(t w t f)utftwAq=A W m 2 热流量热流量W，单单位时位时 间传递的热量间传递的热量22 o2o o表面传热系表面传热系数（对流换数（对流换 热系数热系数 ）h=(A(t w t f)W(m 2 o C)定 义：当当 流流 体体 与与 壁壁 面面 温温
16、度相度相 差差 1 时、时、每每 单位单位 壁壁面面积上、单位时间面面积上、单位时间 内所内所传递的热量传递的热量h h是表征对流是表征对流 换热过程强弱的物理量换热过程强弱的物理量影影 响响 h h 因因 素素 ：流流 动动 原原 因因 、流流 动动 状状 态态 、流流 体体 物物 性性 、有有无相变、壁面无相变、壁面 形状大小等形状大小等流动原因：强制自然对流介质：水 空气相变：有相变无相变记住一些换热系数的数量级记住一些换热系数的数量级例例 题题 ：一：一 室室 内内 暖气暖气 片片 的的 散散 热热 面面 积积 为为 3m2，表表 面面 温温 度为度为tw =50，和，和 温度为温度为
17、20的的 室内室内 空气之间自然对流换空气之间自然对流换热的表面传热系数为热的表面传热系数为 h=4 W/(m2K)。试问该暖气。试问该暖气 片片相当于多大功相当于多大功率的电暖气率的电暖气?解解：暖暖气气片和室片和室 内空气之间是内空气之间是 稳态的自然对流换热稳态的自然对流换热Q=Ah(tw tf)=3m24 W/(m2K)(50-20)K=360W=0.36 kW即相当于功即相当于功率为率为 0.36kW的电暖气的电暖气 。1.1.热辐射定义热辐射定义物体通过电磁波来传递热量的方式，物体通过电磁波来传递热量的方式，称为称为辐射辐射物体会因物体会因 各种原各种原 因发出因发出 辐射能辐射能
18、 ，其中由于热的原因，其中由于热的原因向外发向外发出的出的 辐射，称辐射，称 为为热热 辐射辐射。物体的温度越物体的温度越高、辐射能力越高、辐射能力越 强；强；若物体的种若物体的种 类类 不同、不同、表面状况表面状况 不不同，其辐射能力不同同，其辐射能力不同辐射换热：辐射换热：物体间靠热物体间靠热 辐射进行的辐射进行的热量传热量传递递三、热辐射与辐射换热三、热辐射与辐射换热2.2.辐射换热的特点辐射换热的特点不需要冷不需要冷热热物体的直接接触；物体的直接接触；即：不需要即：不需要 介质的介质的存在，存在，在真空中就可在真空中就可 以传递能量以传递能量在辐射换热在辐射换热过程中过程中伴随伴随 着
19、能量着能量 形式的转换形式的转换物体热物体热 力学能力学能电电 磁波能磁波能物体热力学能物体热力学能无论温度无论温度高低，物体都高低，物体都 在不停在不停地地相互发射电磁波能、相互发射电磁波能、相互辐射相互辐射能量能量；高温物；高温物体辐射给低温物体体辐射给低温物体的能量大于低温物体的能量大于低温物体辐射给高温辐射给高温物体的能量物体的能量 ;总的结果总的结果 是热由高是热由高温传到低温温传到低温 W m3.3.计算计算：斯蒂芬：斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律黑黑 体：能体：能 全部吸收投射到全部吸收投射到 其表面辐射能的物其表面辐射能的物体，或称绝对黑体。体，或称绝对黑体。黑黑 体是一体是
20、一 种理想物体，它种理想物体，它 的辐射能力只与温度的辐射能力只与温度有有 关，吸收能力最强关，吸收能力最强黑体向外辐射热流量黑体向外辐射热流量 计算式计算式(Stefan-Boltzmann)42E b=bTbEb 绝对黑绝对黑 体辐射力体辐射力T 黑体表黑体表 面的绝对温度（热力面的绝对温度（热力 学温度）学温度）K 斯蒂芬斯蒂芬 -玻尔兹曼常玻尔兹曼常 数，数，5.67 10-8 W(m 2 K 4)W m实实 际际物体物体 向外辐射向外辐射 热流量热流量 计算式：低计算式：低 于同于同 温温 度黑体度黑体42E=bT物体的温度越高、辐射能力物体的温度越高、辐射能力越强越强 实实 际际
21、物物 体体 表表 面面 的的 发发 射射 率率 （黑黑 度）度），01；与物体的种与物体的种 类、表面状况和温类、表面状况和温度有关度有关=1 A1(T 1 T 24)一个辐射换热计算的特例一个辐射换热计算的特例物体表面间辐射换热的计算涉及到物体表面的辐射能力、吸收能力、表面间的几何关系等多方面的因素，因此，不同情况下，其计算公式不一样。特例：一小凸物体被包容在一个很大的空腔内。特例：一小凸物体被包容在一个很大的空腔内。该物体与空腔表面的辐射换热量计算式：该物体与空腔表面的辐射换热量计算式：4A 1 A2W1-3 1-3 传传热过程和传热系数热过程和传热系数传热过程传热过程 h h1 1,t
22、tf1f1h h2 2,t tf2f22.传热方程式传热方程式=kA(t f 1-t f 2)k 传热系数传热系数 ，表示整个传，表示整个传热过程的强弱，单热过程的强弱，单位位 是是W(m 2 K)一、传热过程一、传热过程1.定义定义热量由壁面一热量由壁面一侧的流体通侧的流体通 过壁面传到另一侧流体过壁面传到另一侧流体中的过中的过程称为传热过程。程称为传热过程。=kA(t f 1-tf2)A(t f 1 t f 2)+3.3.通过平壁通过平壁传热过程的分析传热过程的分析该该 传热过程包含串传热过程包含串 列着列着 的三的三 个环节个环节 ，（，（1 1）高温）高温 流体侧流体侧 的对流的对流
23、换热；换热；（2 2）通通 过壁面过壁面 的导热的导热 ；（；（3 3）低温）低温 流体侧流体侧 的对流的对流 换热。换热。h h1 1,t tf1f1h h2 2,t tf2f2 =A h1(t f 1 t w 1)(t w 1 t w 2)=A =A h2(t w 2 t f 2)在在 稳态情稳态情 况下，由况下，由 上面上面 三个三个 式子计算的热式子计算的热 流量应流量应 是相等是相等 的的。=1 1h1 h2与传热方程式与传热方程式 相相 对应，对应，可以可以 得到在得到在 该传热过程该传热过程中传热系中传热系 数的数的 计算式计算式。/h1 =A(t f 1 t w 1)/=A(t
24、 w 1 t w 2)/h2 =A(t w 2 t f 2)k=11/h 1+/+1/h 2I=+热阻的概念热阻的概念通过平壁导热的热阻通过平壁导热的热阻t2t (A)t1=IRU UUR(A)(A)R =t1t2对流换热：对流换热：=hA(tw t f)(tw t f)1/(hA)=Rh =1/(hA)用热阻的概念分析传热过程用热阻的概念分析传热过程h h1 1,t tf1f1h h2 2,t tf2f2A(t f 1 t f 2)1 1h1 h2(A)tf1tw2tw1tf21(h1 A)1(h2 A)=例例题题:一房一房屋的混凝土屋的混凝土 外墙外墙 的厚度为的厚度为 =200mm，混凝
25、，混凝土土 的热导的热导 率为率为 =1.5W/(mK)，冬，冬 季季 室外室外 空气空气 温温 度为度为tf2=-10,有有 风风 天天 和和 墙墙 壁壁 之之 间间 的的 表表 面面 传传 热热 系系 数数 为为h2=20W/(m2K)，室内室内 空气温度为空气温度为tf1=25 ,和墙壁之和墙壁之间间 的的 表表 面面 传热传热 系系 数数 为为 h1=5 W/(m2K)。假假 设设 墙墙 壁壁 及两及两侧侧 的的 空气空气 温温 度度 及及 表表 面面 传热传热 系系 数数 都不都不 随随 时时 间间 而变而变 化化 ，求单位面积墙壁的散热求单位面积墙壁的散热 损失及内外墙壁面的温度。
26、损失及内外墙壁面的温度。解：解：由给定条件可由给定条件可知，这知，这 是一个稳态传热过是一个稳态传热过程。程。通过通过墙壁的热流密度墙壁的热流密度 ，即单位面积墙壁的散，即单位面积墙壁的散热损失热损失为为+1h21h1q=t f 1 tf 2=100W/m2120W (m2 K)25 (10)K1 0.15m5W (m2 K)1.5W(m K)=根据牛顿冷根据牛顿冷却公式，却公式，对于对于 内、外内、外 墙面与空气之间的墙面与空气之间的对流换对流换热，热，q=h1(t f 1 t w1)q=h2(t w 2 t f 2)=5C1h1tw1 =tf 1 q=15C1h2=tf 2 +qtw 2思考题思考题家用热得快要及时清除水垢要及时清除冰箱内的结霜冬天，屋顶结霜或积雪有利于房屋保暖改变暖气管中的水速或把铸铁管换成铜管可否显著强化换热？下列三种情形，要强化传热过程应当从哪个环节入手
