传热学第一章,传热学第一章,教材,传热学杨世铭 陶文铨 第四版,传热学陈维汉 许国良编著,版,Heat TransferJ.P.Holman 8th edition,数值传热学陶文铨 第二版,参考书,11/16/2024,2,教材 传热学杨世铭 陶文铨 第四版 传热学陈维汉,第一章 绪论,1-1 传热学概述,1-2 热量传递的基本方式,1-3 传热过程与热阻,11/16/2024,3,第一章 绪论 1-1 传热学概述10/8/20233,1-1 传热学概述,一、传热学,（Heat Transfer）,研究热量传递规律的一门科学,研究：机理、规律、模型、实验,特点：实用性强、涉及面广,本质：温差热量传递的推动力,热力学第二定律,热量可以自发的由高温热源传给低温热源。,可见有温差必有传热。,11/16/2024,4,1-1 传热学概述一、传热学（Heat Transfer）,分类：,就物体温度与时间的依存关系而言,可以分为,稳态过程,和非稳态过程,11/16/2024,5,分类：10/8/20235,物体中各点的温度不随时间而改变的热传递过程,例如：各种热力设备在持续稳定运行时的热传递,稳态过程,11/16/2024,6,物体中各点的温度不随时间而改变的热传递过程例如：各种热,非稳态过程,物体中各点的温度随时间而改变的热传递过程,例如：启动、制动、停机过程中所经历的热传递过程,11/16/2024,7,非稳态过程10/8/20237,二、传热学和工程热力学的关系,工程热力学,研究热能与机械能及其他形式能量之间相,互转换规律的一门科学,热力学第一定律,关于能量守恒能量数量,热力学第二定律,关于能量品质能量质量,11/16/2024,8,二、传热学和工程热力学的关系 工程热力学 研究热能与机械能,以热力学第一定律和第二定律为基础,分析热量传递现象和过程的机理，揭示过,程特征和规律 理论联系实际,具有共同的研究对象：热现象和热过程,能量在数量上保持守恒能量方程,热量始终是从高温物体传给低温物体,传热学和热力学的联系,热力学的基本定律是传热学理论的基础,传热学理论给出热力学过程的详细信息,传热学,11/16/2024,9,以热力学第一定律和第二定律为基础 分析热量传递现象和过程的,工程热力学不考虑能量传递过程所需要的时间；传热学则引入时间的概念，研究在不同方式下热量传递的动态过程，研究热力设备在单位时间内传递热量的效能。,工程热力学不考虑热力设备在不同地点的参数变化，研究热力过程的起始点的状态参数变化；传热学则引入空间的概念，研究热力设备场空间的物理参数。,工程热力学研究平衡过程（冷热介质的温差逐渐趋于无限小）和可逆过程（理想过程），传热学研究的是非平衡过程和不可逆过程（有能量损失和耗散）,传热学和热力学的区别,11/16/2024,10,工程热力学不考虑能量传递过程所需要的时间；传热学则引入时间的,1-2 热量传递的基本方式,热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射,11/16/2024,11,1-2 热量传递的基本方式 热量传递基本方式：热传导、,热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射,11/16/2024,12,热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射10/8/20,热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射,11/16/2024,13,热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射10/8/20,一 热传导（导热）,Heat conduction,热传导的定义,热传导的特点,可发生在任何物质的任何地点,传热形式：依靠分子、原子以及自由电子等微观粒,子的热运动而传递微观过程，不产生宏观位移。,温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直,接接触时，依靠分子、原子即自由电子等微观粒子的热,运动而进行热量传递的现象,物体内部存在温差，或具有温差的物体直接接触。,11/16/2024,14,一 热传导（导热）Heat conduction 热传导的定,导热机理,气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果,导电固体：自由电子运动,非导电固体：晶格结构振动,液体：兼有气体和固体导热的机理,11/16/2024,15,导热机理气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果导电固体：,导热基本定律,t,f1,h,1,t,w1,t,w2,t,f2,h,2,：,热流量，单位时间传递的热量W,平壁两侧壁温之差,热导率(导热系数),1822,年，法国数学家,Fourier,：,A,：垂直于导热方向的截面积,q,：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量,平壁的厚度m；,11/16/2024,16,导热基本定律tf1,h1tw1tw2tf2,h2,热导率(导热系数)(Thermal conductivity),单位厚度(1m)、单位温度差（1K）物体，在它的单位面,积上(1m,2,)、每单位时间(1s)的导热量(J)。,热导率表示材料导热能力大小,11/16/2024,17,热导率(导热系数)(Thermal conductiv,导热系数,导热系数的定义式 由傅里叶定律的数学表达式给出:,测量方法有稳态和非稳态两种,导热系数的数值取决于物质的种类和温度等因素,习惯上把导热系数小的材料称为保温材料,效能高的保温材料都是蜂窝状多孔性结构的材料.,实用计算（工程计算）可以用线性关系来表达,11/16/2024,18,导热系数导热系数的定义式 由傅里叶定律的数学表达式给出:10,导热热阻,：与直流电路的欧姆定律,I=U/R,相似。,热流量是单位时间传递的热量；,它体现了传热的速率或快慢,传热是一个过程，稳态，非稳态；,区别于热力学的平衡态,传热学中热流量的单位是W，,而非J；W=J/s,Thermal resistance for conduction,热流量和导热热阻,11/16/2024,19,导热热阻：与直流电路的欧姆定律 热流量是单位时间传递的热,二 热对流,Heat convection,流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导,流体中(气体或液体)温度不同的各部分之间，由于发生,宏观相对运动，而把热量由一处传递到另一处的现象,热对流的定义,若热对流过程使具有质量流量,G,的流体由温度,t,1处流至,温度,t,2处，则此过程传递的热流量为：,11/16/2024,20,二 热对流 Heat convection 流体中有温差,对流换热,流体与固体壁之间的热量交换（Convection heat transfer）,对流换热实例：,1)电子器件冷却,2)取暖器,对流换热的特点：,对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；,不是基本传热方式,1)流体与壁面直接接触，有宏观运动；有温差,由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处,会形成速度梯度很大的边界层,11/16/2024,21,对流换热 流体与固体壁之间的热量交换（Convecti,对流换热的基本计算式,热流量，单位时间传递的热量 W,q,热流密度,h,换热系数,A,与流体接触的壁面面积,固体壁表面温度,流体温度,牛顿冷却公式（1701）,11/16/2024,22,对流换热的基本计算式 热流量，单位时间传递的热量,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,影响,h,因素：,对流换热热阻,（Convective heat transfer coefficient）,对流换热系数,流速、流体物性、壁面形状大小等,11/16/2024,23,当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位 影,Thermal resistance for convection,对流换热热阻,11/16/2024,24,Thermal resistance for convect,定义：,物体转化本身的热力学能向外发射辐射能的现象；凡物,体都具有辐射能力,物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种类不同、表面状,况不同，其辐射能力不同,三、热辐射,（Thermal radiation）,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,黑体的辐射能力与吸收能力最强,11/16/2024,25,定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐射能的现象；凡物,斯蒂芬-玻尔兹曼定律,黑体在单位时间内向外发出的辐射能：,黑体表面的绝对温度（热力学温度）,斯蒂芬-玻尔兹曼常数，或称黑体辐射常数,黑体辐射表面积,（Stefan-Boltzmann law）,一切实际物体辐射能力都小于同温度下的黑体,实际物体表面的发射率（黑度），01；与物体,的种类、表面状况和温度有关,11/16/2024,26,斯蒂芬-玻尔兹曼定律 黑体在单位时间内向外发出的辐射能：,辐射换热 Radiation heat transfer,不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，,在真空中就可以传递能量,在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换物体热力学,能电磁波能物体热力学能,无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相,互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温,物体辐射给高温物体的能量；总的效果是热由高温物体,传到低温物体,物体间靠热辐射进行的热量传递,辐射换热的特点：,11/16/2024,27,辐射换热 Radiation heat transfe,T,1,T,2,Q,A,两平行黑平板间的辐射换热,对于两个相距很近的黑体表面，由于一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上，那么它们之间的辐射换热量为：,当T,1,=T,2,时，也就是物体和周围环境处于热平衡，辐射换热量等于零。但此时是动态平衡，辐射和吸收仍在不断进行。此时物体的温度保持不变。,11/16/2024,28,T1T2QA 两平行黑平板间的辐射换热 对于两个相距很近,1-3 传热过程与热阻,传热过程：热量由热流体通过间壁传,给冷流体的过程,传热过程通常由导热、热对流、,热辐射组合形成,k,为传热系数，W/(,m,2o,C)。在数值上，传热系数等于冷、热,流体间温差为1,o,C、传热面积,A,为1 m,2,时的热流量值，是一个,表征传热过程强烈程度的物理量。传热过程越强，传热系数,越大，反之则越弱,为热流体与冷流体间的平均温差,11/16/2024,29,1-3 传热过程与热阻 传热过程：热量由热流体通过间壁传,传热系数的计算,假设传热过程处于稳态,从热流体,t,f1,到壁面高温侧,t,w1,的换热：,从壁面高温侧t,w1,到低温侧t,w2,的换热：,从壁面低温侧t,w2,到冷流体t,f2,的换热：,11/16/2024,30,传热系数的计算假设传热过程处于稳态从热流体tf1到壁面高,热阻,热电现象的比拟,电学中的欧姆定律:电流=电压/电阻:,传热现象中:热流=温差(压)/热阻:,式中总热阻和分热阻的关系也具有电学中串联电路的电阻叠加特性：总电阻等于各串联分电阻之和。,表示成热阻的形式,11/16/2024,31,热阻热电现象的比拟 电学中的欧姆定律:电流=电压/电阻,单位面积传热热阻,h,1,、,h,2,的计算方法及增加,k,值的措施是本课程的重要内容,如果各环节,的热量传递面积不相等，各环节,热阻串联可以写成面积热阻的形式；,如通过圆筒壁的传热。,t,f2,t,f1,t,w1,t,w2,1,/,(,A,1,h,1,),/,(,A,),1,/,(,A,2,h,2,),总热阻为：(以面积,A,为基准),传热量,面积热阻,11/16/2024,32,单位面积传热热阻h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课,现实生活和生产中存在大量的传热问题,能源、动力、冶金、化工、制冷、建筑、机械制造、电子、微机电系统（MEMS）、新材料、农业、植物、航空航天、军事科学与技术、生命科学与生物技术,11/16/2024,33,现实生活和生产中存在大量的传热问题能源、动力、冶金、化工、制,温差是热量传递的推动力,There is no energy flow between two objects at the same temperature.,Energ