1、1传 热 学(Heat Transfer)E-mail：主讲：冀杰西南大学工程技术学院2 课程性质：专业 基础 课 传热学在车辆工程中的应用：发动机热利用及散热系统设计、车内温度调节系统设计、制动系统的热失效等、排气系统热分析。要求：上课时间必须保持纪律；学而时“习习”之，不亦说乎；有教无类。345 课程教材：传热学(第四版)杨世铭、陶文铨 高等教育出版社 参考书籍：传热学(第2版)戴锅生 高等教育出版社 数值传热学(第2版)陶文铨 西安交通大学出版社 Heat Transfer(第9版)J.P.Holman 机械工业出版社TK124/T708-2 TK124/D482 6 学习网站：西安交通
2、大学CFD-NHT-EHT研究中心http:/ 南京航空航天大学传热学精品课程http:/ 上海理工大学传热学精品课程 http:/ 集美大学传热学精品课程 http:/ 考核办法：平时成绩:30%(包括：出勤15、作业15)期末考试:70%(闭卷)71.1 传热学的研究内容及其在科学技术和工程中的应用1.1.1 什么是传热学定义定义：研究由温差温差引起的热能传递规律热能传递规律的科学科学。解释解释：温差温差是传热学研究的推动力，热力学第二定律：“凡是有温有温差差存在的地方，就有热能自发地自发地从高温物体向低温物体传递传递”。热能传递规律热能传递规律是指单位时间内单位时间内所传递的热量热量与物
3、体中相应的温度差温度差之间的关系。科学科学是指能够利用准确的数学表达式数学表达式明确地描述热能传递规律，并能利用这些知识测试测试、控制控制和优化优化热量传递过程。范围范围：空间空间：宏观传热学，假定传热学研究对象的介质是连续的介质是连续的；时间时间：不考虑极高速极高速时的传热现象(激光等)。81.1.2 传热学与工程热力学得关系 热力学热力学 +传热学传热学 =热科学热科学(Thermal Science)(Thermal Science)系统从一个热平衡态到另一个热平衡态的过程中传递热热量的多少量的多少。tm，关心的是热量传递的过程，即热量传热量传递的速率递的速率。)(),(fzyxt水，M
4、220oC铁块 M1300oC传热学与热力学的关系传热学与热力学的关系联系：联系：传热学以热力学第一定律第一定律和第二定律第二定律为基础，即在能量转换和 传递过程中各种形式能源的总量保持不变总量保持不变；始终从高温热源从高温热源 向低温热源自发地传递向低温热源自发地传递。区别区别:热力学是必须处于平衡状态平衡状态系统，没有 温差和压力差，而传热学的关键是有温差温差。91.1.2 传热学在科学技术各领域中的应用传热问题的种类传热问题的种类:强化传热：强化传热：在一定的条件下(温差、体积、重量、泵能等)增加所 传递的能量。削弱传热：削弱传热：在一定的温差下使热量的传递减到最小。温度控制：温度控制：
5、对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制。传热学基本技能传热学基本技能:了解概念：了解概念：了解传热学课程中的基本概念，并且能够利用这些概 念解释复杂的传热现象。掌握方法：掌握方法：掌握传热学问题的分析方法，比如实验关联法、比拟 法等，同时掌握解决一般工程问题的解决思路。学会解题：学会解题：传热学是典型的工程问题，要会根据掌握的数学知识 解决实际工程问题。101.2 热能传递的三种基本方式l热传导热传导 (heat conduction)；l热对流热对流 (heat convection)；l热辐射热辐射 (thermal radiation)。对三种传热方式分别进行学习，然后结合三种基本传
6、热方式解释复杂热现象。111.2.1 热传导(Heat Conduction)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能传递。特点:(1)必须要有温差;(2)物体内部或者物体直接接触;(3)依靠微观粒子热运动传热;(4)只讨论热传导宏观规律，忽略微观机理。介质:可以在固体、气体、液体中发生。121822年，法国数学家Fourier提出:W ddxtA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成正比，称为Fourier定律(速率方程)。其中：负号表示热量由高温处到低温处传递;:热流量,单位时间传递的热量W;A:垂直于导热方向的截面积m
7、2;:导热系数(热导率)W/(mK)。图1-2 一维稳态平板内导热导热的基本定律：0 xt tw2 tw1 如果平板两个表面均维持均匀温度，壁内温度只沿垂直于壁面的方向变化,那么:13导热系数 表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，与材料表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。种类和温度有关。气体液体金属一维稳态导热公式：dd210 xdxdtxqwwtt2112wwwwttttq2mW ddxtAq 单位时间单位时间通过单位面积单位面积传递的热量称为热流密度热流密度，用字母q表示，它与热流量 之间的关系表示为：如果是一维稳态导热，那么热流密度在任意界面上都是相
8、等的，因此，热流密度可以表示为泰坦尼克号泰坦尼克号14例 题 1-1.100,30021CtCtowow试求下列条件下的热流密度。试求下列条件下的热流密度。(1)(1)材料为铜，材料为铜，=375 w/(mK);(2)(2)材料为钢，材料为钢，=36.4 w/(mK);(3)(3)材料为铬砖，材料为铬砖，=2.32 w/(mK)；(4)(4)材料为硅藻土砖，材料为硅藻土砖，=0.242 w/(mK)。计算计算：题目假设符合一维稳态导热规律，直接套用稳态傅里叶导热定律：题目假设符合一维稳态导热规律，直接套用稳态傅里叶导热定律一块厚度一块厚度=50 mm 的平板，两侧表面分别维持在的平板，两侧表面
9、分别维持在 0 xt tw2 tw1 假设：假设：(1)(1)一维导热问题；一维导热问题；(2)(2)稳态过程；稳态过程；(3)(3)导热系数为常数导热系数为常数152321mW1028.905.010030032.2wwttq铬砖：铬砖：2221mW1068.905.0100300242.0wwttq硅藻土砖：硅藻土砖：讨论：讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，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，而硅藻土砖则起到量大三
10、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一定的隔热作用2621mW105.105.0100300375wwttq铜：铜：2521mW1046.105.01003004.36wwttq钢：钢：161.2.2 热对流(Heat Convection)定义：由于流体的宏观运动宏观运动而引起的物体各部分之间发生相对位移，冷、热物冷、热物体体相互掺混所导致的热量传递热量传递过程。对流换热的分类：无相变无相变：强迫对流和自然对流：强迫对流和自然对流 有相变有相变：沸腾换热和凝结换热：沸腾换热和凝结换热特点:(1)热对流仅能发生在流体流体中；(2)热对流必须伴随热传导热传导现象。对流传
11、热：流体流体流过一个物体表面物体表面时，流体与物体表面间的热量传递过程热量传递过程对流换热中的边界层对流换热中的边界层17W )(tthAw2mW )(fwtthAq 热流量W,单位时间传递的热量2mWq q 热流密度h 表面传热系数K)(mW2A A2m 与流体接触的壁面面积wt C 固体壁表面温度t 流体温度 C牛顿冷却公式(Newtons law of cooling)：(对流传热速率方程对流传热速率方程)18表面传热系数(Convective heat transfer coefficient)：影响因素影响因素：流体物性(密度、比热容等)，换热表面的形状、大小和布置，流体流速传热特性
12、传热特性：水大于空气(介质)，有相变大于无相变，强制对流大于自然对流。本书第5-7章将着重讨论表面传热系数的影响因素及如何求解定义定义：当流体与壁面流体与壁面温度相差相差1度度时、每单位壁面面积单位壁面面积上、单位时间内单位时间内所传递的热量19 h W/(m2K)225 501000 25250 5025000 2500100000 2000100000 201.2.2 热辐射(thermal radiation)定义：由于热的原因热的原因产生的，以电磁波形式电磁波形式传递能量能量的现象特点：(1)任何物体，只要温度高于高于0 K(0 K(绝对零度绝对零度)，就会不停地向 周围空间发出热辐射
13、；(2)可以在真空中真空中传播,且在真空中传递效率最高传递效率最高(区别传热 和对流传热的特点)；(3)伴随辐射能辐射能和热能热能之间的能量形式转变(另一个区别)；(4)辐射具有强烈的方向性方向性。辐射传热：辐射辐射与吸收吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式辐射方式进行的物体间的热量传递热量传递。当物体与周围环境处于热平衡时(与环境温度相同)，辐射传热量等于零，但这是动态平衡动态平衡，辐射与吸收过程仍在不断的进行。21生活中的例子：a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；c 太阳能传递到地面，只有辐射，没有传热和对流。22热
14、辐射规律研究方法：假设有一种绝对黑体绝对黑体(理想状态)，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正比较和修正，通过实验获得修正系数修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律真实物体的热辐射规律。黑体：能吸收吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体所有热辐射的物体，包括所有方向所有方向和所有所有波长波长。黑体的吸收和辐射本领在同温度同温度的物体中是最大最大的。斯忒藩-波耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann)：4TA4TqTA黑体的热力学温度，单位为K；斯忒藩-波耳兹曼常数，其值为5.6710-8W/(m2K4)；辐射表面积，单位为m223实际物体热辐射特
15、性：4TA4TA表示黑体在单位时间内发出的热辐射热量。其中 表示物体的发射率，总小于小于1。1.发射率表示同温度下同温度下实际物体的辐射能力与黑体辐射能力的 性能比较，在实际中实际中应用较广；2.斯忒藩-波耳兹曼定律又称四次方定律，是辐射传热计算的基础基础；3.公式中的是向外辐射的热流量热流量，而不是辐射传热量辐射传热量，传热量 还要计算吸收吸收的能量(第九章)。几点说明：24辐射传热计算：1T)(424121TTq 42T2T两黑体表面间的辐射换热41T)(4241TTA实际两物体之间的辐射换热量25例题 1-3一块发射率=0.8的钢板，温度为27，试计算单位时间内钢板单位面积上所发出的辐射
16、能。假设：假设：(1)钢板表面温度均匀；(2)表面发射率均匀。计算：计算：按照实际物体热辐射定律，单位面积上所发出的辐射能为：2444284/4.367)27327(*)/(10*67.5*8.0mWkkmWTq注意：注意：(1)公式中的温度为绝对温度绝对温度；(2)计算结果为钢板单位面积上辐射出去的能量，不是辐射传热量不是辐射传热量。问题：问题：如果室内环境温度也是27，那么钢板的辐射传热量是多少？26热量传递方式小结：三种方式：热传导、对流传热、热辐射特点：1.实际问题中，传热方式往往不是单独出现的。2.傅里叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩-波耳兹曼定律 对稳态和非稳态过程都是适用的。关键点：
17、熟练掌握三种热能传递方式的概念及计算公式！熟练掌握三种热能传递方式的概念及计算公式！能够准确分析复杂传热学问题！能够准确分析复杂传热学问题！27例题 1-2CtCtfw23,489.0试求：试求：（1 1）此管道的散热必须考虑此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式哪些热量传递方式；（2 2）计算每米长度管道的计算每米长度管道的总散热量总散热量。假设：假设：（1）沿管子长度方向各给定沿管子长度方向各给定参数都保持不变参数都保持不变；(2)稳态过程稳态过程 （3）管道周围的其他管道周围的其他固体表面温度等于空气温度固体表面温度等于空气温度。分析：分析：（1 1）此管道的散热有）此管道的散热有辐射换热
18、辐射换热和和自然对流换热自然对流换热两种方式。两种方式。（2 2）把管道每米长度上的散热量记为）把管道每米长度上的散热量记为lq一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为 ，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数的值等于h=3.42 W/(m2K),保温层外表面的发射率 。28)(,fwclttdhthdq)/(5.156)2348()/(42.3583.014.32mWCCKmWmoo近似地取管道的表面温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面近似地取管道的表面温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的与室内物体
19、及墙壁之间的热辐射热辐射为：为：)(4241,TTdqrl)/(7.274)27323()27348(9.0)/(1067.5583.014.34428mWCCCCKmWmoooo讨论：讨论：计算结果表明，对于表面温度为计算结果表明，对于表面温度为几十摄氏度几十摄氏度的一类表面的散热问的一类表面的散热问题，题，自然对流自然对流散热量与散热量与热辐射热辐射具有具有相同的数量级相同的数量级，必须，必须同时予以考虑同时予以考虑。当仅考虑自然对流时，单位长度上的当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热量自然对流散热量为：为：mWmWmWqqqrlcll/2.431/7.274/5.156,每米长管
20、道的每米长管道的总散热量总散热量为：为：291.3 传热过程和传热系数定义：热量由壁面一侧的流体一侧的流体通过壁面壁面传到另一侧流体另一侧流体中去的过程注意：传热过程具有特定的含义特定的含义，与一般热量传递过程不同过程：(1)从热流体到壁面高温侧的热量传递；(2)从壁面高温侧到壁面低温侧的热量传递，亦即穿过固体壁的导热；(3)从壁面低温侧到冷流体的热量传递。关键：稳态过程中，通过串联着的每个环节的 热流量应该是相等的热流量表达式：222211111fwwwwfttAhttAttAh22221111AhttAttAhttfwwwwf30对上面的公式进行整理，得到传热过程中传递的热量为：)(11)
21、(212121ffffttAkhhttA注意：如果在传热过程中需要考虑辐射传热，那么h1、h2可取为复合换热复合换热 表面传热系数表面传热系数其中：k称为传热系数，传热系数，是总的热阻的倒数，需要先知道三个分别的热阻是总的热阻的倒数，需要先知道三个分别的热阻。数值上等于冷、热物体间冷、热物体间温差t=1、传热面积A=1m2时的热流量 的值，是表征传热过程强烈程度传热过程强烈程度的标尺。为了与前面表面传热系数区别，我们将这个系数称为总传热系数总传热系数。传热过程越强烈强烈，传热系数越大越大。31传热系数的大致数值范围过程h/W/(m2K)从气体到气体(常压)1030从气体到高压水蒸汽或水1010
22、0从油到水100600从凝结有机物蒸气到水5001000从水到水10002500从凝结水蒸气到水2000600032传热热阻AkthhttAff/111)(2121RUI 将传热过程与电学的欧姆定律作比较传热量类似于电学中的电流I温差t类似于电学中的电压U而1/(Ak)类似于电学中的电阻R1/(Ak)称为称为传热过程热阻传热过程热阻111AhRh111AhRhAR 那么分别为各环节的热阻在一个串联的热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量在一个串联的热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量相同，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻之和。相同，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻之和。热阻分
23、析法可用于热阻分析法可用于稳态传热稳态传热过程分析，过程分析，不可用于不可用于非稳态传非稳态传热分析热分析33例题 1-4试求：试求：（1 1）三个环节的热阻及冷凝器的总传热系数；三个环节的热阻及冷凝器的总传热系数；（2 2）欲增强传热应从哪个环节入手。欲增强传热应从哪个环节入手。假设：假设：（1）稳态过程；稳态过程；（2）将圆管按厚度等于管子壁厚的平板处理。将圆管按厚度等于管子壁厚的平板处理。分析：分析：（1 1）根据不同传热方式分别计算出各环节热阻；根据不同传热方式分别计算出各环节热阻；（2 2）根据各环节热阻占总热阻比例增强传热。根据各环节热阻占总热阻比例增强传热。对一台氟利昂冷却器的传
24、热过程作初步测算得到一下数据：管内水的对流传热表面传热系数h1=8700W/(m2K)，管外氟利昂蒸气凝结换热表面传热系数h2=1800W/(m2K)，换热管子壁厚=1.5mm，管子的材料是铜，它的导热系数为=383W/(mK)。34计算：三个环节单位面积热阻的计算分别如下：水侧换热面积热阻：管壁导热面积热阻：氟利昂蒸气凝结面积热阻：冷凝器的总传热系数：WkmkmWh/10*15.1/8700112421WkmkmWh/10*56.5/1800112422WkmkmWm/10*92.3/870010*5.1263kmWWkmhhk2246421/1480/10*56.510*92.310*15
25、.11111水侧、管壁、氟利昂侧的面积热阻分别占17%，0.6%，82.4%，氟利昂蒸气侧占主要地位，要增强冷凝器的传热，应从这一环节入手。351.4 传热学的发展简史和研究方法传热学发展简史：热是一种运动，而不是一种“热素”，两个关键实验：1798 年伦福特钻炮筒大量发热实验1799 年戴维两块冰块摩擦生热化成水的实验J.B.Biot发现了基本的导热定律J.B.Fourier利用完善的数学理论数学理论揭示了导热现象，是导热理论的奠基人36对流传热学发展简史：纳维-斯托克斯完成了流体流动基本方程，难以求解雷诺提出了雷诺数，澄清了实验结果的混乱。努赛尔开辟了在无量纲数原则下求解对流传热的方法普朗
26、特提出边界层概念，使微分方程得以简化对流传热的湍流模型建立37热辐射发展简史：19 世纪斯忒藩通过实验确立了黑体的辐射能力正比于它的绝对温度的四次方的规律。后来该定律在理论上被波耳兹曼证实，形成斯忒藩波耳兹曼定律。热辐射基础理论研究中的难点是如何确定黑体辐射的光谱能量分布，在该问题中普朗克、维恩做出了贡献。1900 年普朗克提出一个量子理论公式，在整个光谱段计算结果与实验符合。1859 年，1860 年基尔霍夫的两篇论文对辐射能量的发射率和吸收比作了解答结论结论：科研黄金年龄：科研黄金年龄：25-35岁岁 勇于面对难题，勇于面对难题，敢于创新敢于创新，提出新理论，提出新理论 在科研道路上会遇到
27、很多在科研道路上会遇到很多挫折挫折 习而不察习而不察38二十世纪后半叶：二十世纪后半叶：能源危机促进了能源危机促进了传热强化传热强化的研究的研究传热学和其它学科的传热学和其它学科的渗透渗透，如生物传热学，焊接传热学等，如生物传热学，焊接传热学等计算机水平提高促进了计算机水平提高促进了数值传热学数值传热学（1970年）年）微米纳米微米纳米尺度上的传热学问题尺度上的传热学问题传热学的研究方法：传热学的研究方法：实验测定实验测定(没有试验条件没有试验条件)理论分析理论分析(理论水平不够理论水平不够)数值模拟数值模拟(Ansys、Fluent、Star-CD)学而时“习习”之，不亦说乎39本章小结：关键内容：关键内容：1.掌握传热学的概念概念及与工程热力学之间的关系关系；2.三种基本热能传递方式机理机理、公式公式及主要专用名词专用名词；3.传热过程的确切含义确切含义及其如何利用热阻求解问题热阻求解问题。复习思考：复习思考：1.表1-3热量传递的速率方程；2.复习题1、2、5、6、8；3.传热过程的确切含义确切含义及其如何利用热阻求解问题热阻求解问题。作业：作业：1-8，1-9，1-12，1-18，1-21，1-30，1-31，1-32(求求)40
