传热学-第一章-绪论PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2010,年,12,月毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所,2007-2009,年德国亚琛工业大学博士联合培养,2001-2005,年中国石油大学（华东）化学化工学院,热科学,工程热力学,燃烧学,制冷与低温,热科学：研究热能、热量及热现象的科学,热学,传热学,热学,：研究自然界中物质与冷热有关的性质及这些性质变化的规律,工程热力学,：研究能量转换的规律以及热能的性质,传热学,：研究热量传递规律的一门科学，,热量传递的机理、规律、计算和测试方法,燃烧学,：研究燃烧现象和燃烧机理,制冷与低温,：用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下或很低的温度并保持该温度,授课计划,（,48,学时）,第一章 绪论,（,4,学时）,第二章导热基本定律及稳态导热,（,8,学时）,第三章非稳态导热,（,6,学时）,第四章 导热数值解法基础,（,2,学时）,第五章单相流体对流换热,（,8,学时）,第六章 凝结与沸腾换热,（,2,学时）,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,（,4,学时）,第八章辐射换热计算,（,6,学时）,第九章传热过程分析与换热器计算,（,8,学时）,成绩权重,：考试,70%,，作业,30,。,第一章 绪论,1-0 传热学概述,1-1 热量传递的三种基本方式,1-2 传热过程和传热系数,1-0 概 述,一、什么是传热学,1、,传热学是研究热量传递规律的学科,。,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。,热力学第二定律,：热量可以自发地由高温热源传给低温热源。有温差就会有传热,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,（,Engineering Thermodynamics,）,传热学,：,热量,Q,传递过程的规律,（,Heat Transfer),传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即：热量,Q,传递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,热力学研究平衡态（稳态）,传热学研究过程和非平衡态（非稳态）,2,、传热学与工程热力学的关系,3,、热量传递过程,根据物体温度与时间的关系，热量传递过程可分为两类：稳态传热过程、非稳态传热过程。,1）稳态传热过程（定常过程）,凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程。,2）非稳态传热过程（非定常过程）,凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程均称非稳态传热过程。,各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热过程。,二、传热学的重要性,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。,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20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？,日常生活中的例子,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？,d,为什么下雪不冷、化雪冷？,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：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；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（Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机,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,1-1 热量传递的三种基本方式,1.,加热壶底部，壶顶部也会热？,导热,3.,当壶中的水烧开时，我们的手在壶附近就能感觉到热,太阳,2.,要把一壶水烧开，必须在水的下方加热。水是热的不良导体，不善于热的传导。,利用水的对流，使整壶水烧开,对流,辐射,导热,举例说明,1-1 热量传递的三种基本方式,一、导热（热传导）,（,Heat conduction,）,1、概念,定义：,指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。,物质的属性；可以在固体、液体、气体中发生,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,3、导热机理,气体,：导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能从高温传到低温处。,导电固体,：,其中有许多自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。,非导电固体,：,导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。,液体的导热机理,：存在两种不同的观点,第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；,第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。,说明：只研究导热现象的宏观规律。,4、导热的基本规律,1）傅立叶定律,（,1822,年，法国数学家,Fourier,）,如,左,图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。对于x方向上任意一个厚度为的微元层来说，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,（,1-,2）,Fouriers Law,：热流量，单位时间传递的热量,W,q,：热流密度，单位时间通过单位面,积传递的热量,W/m,2,Heat flux,A,：垂直于导热方向的截面积,m,2,:,热导率（导热系数）,W/(m,C,),Thermal conductivity,t,=t,w1,t,w2,：平壁两侧壁温之差,C,:,平壁的厚度,m,；,（,1-,1）,1）当温度 t 沿 x 方向增加时，而 q，说明此时热量沿 x 减小的方向传递；,2）反之，当 0，说明热量沿 x 增加的方向传递。,（,1-,1）,W,W/(m,C,),（,1-,3）,的物理意义：,具有,单位温度差,（,1,C,）的,单位厚度,的物体,(1m),，在它的,单位面积,上,(1m,2,),、,每单位时间,(1s),的,导热量,(J),导热系数,表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数,，单位：,W,/,(,m,C,),或,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。,金属,非金属固体,液体,气体,纯铜,=398,W,/,(,m,C),水,=0.6,W,/,(,m,C,）,空气,=0.026,W,/,(,m,C),（,20,C,）,注：传热学中热流量的单位是,W,，,而非,J,；,W=J/s,热流量是单位时间传递的热量,J/s=W,它体现了传热的速率或快慢,传热是一个过程，而非平衡态,这与热力学有区别,Thermal resistance for conduction,导热热阻,R,：,与直流电路的欧姆定律,I=U/R,相似,例题,1-1 有三块分别由,纯铜,（热导率,1,=398W/(mK)）、,黄铜,（热导率,2,=109W/(mK)）和,碳钢,（热导率,3,=40W/(mK)）制成的大平板，厚度都为10mm，两侧表面的温差都维持为,t,w1,t,w2,=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，对于纯铜板，,W/m,2,对于黄铜板,对于碳钢板,W/m,2,W/m,2,1-1 热量传递的三种基本方式,1.,加热水壶底部，水壶顶部也会热？,导热,3.,太阳,2.,要把一壶水烧开，必须在水的下方加热。水是热的不良导体，不善于热的传导。,利用水的对流，使整壶水烧开,对流,辐射,导热,对流,二、对流,（,Heat Convection,）,1、基本概念,1),热对流的定义,：,流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。,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,固体表面时的热量传递过程，称为对流换热。,流体与固体壁间的换热,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,对流换热实例：,暖气管道,2、对流换热的特点,导热与热对流同时存在的复杂热传递过程,必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差,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（,Boundary layer,）,3,、对流换热的分类,1）根据对流换热时,是否发生相变,分：有相变的对流换热和无相变的对流换热。,沸腾换热及凝结换热：,液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对流沸腾）。,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。,4、对流换热的基本规律,流体被加热时：,流体被冷却时,：,式中，,q:,热能密度，,W/m,2,t,w,t,f,:分别为壁面温度和流体温度，。,（,1-,4）,（,1-,5）,h,比例系数（表面传热系数）,W,/,(,m,2,C),。,如果把温差（亦称温压）记为 ，并约定永远取正值，则,牛顿冷却公式,可表示为,其中,h,比例系数（表面传热系数）,单位,W,/,(,m,2,C),。,（,1-,6）,（,1-,7）,影响表面传热系数,h的,因素,：物体的物性、换热表面的形状、大小相对位置，而且与流体的流速有关。,（,1-,7）,（,1-,8）,W,W,/,(,m,2,C),h 的物理意义,：,单位温差,(,1,C,),作用下,单位时间,(,1s,),内,通过单位面积,(,1m,2,),的热,量,(,J,),。,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,对流换热热阻：,C/W,m,2,C/W,Thermal resistance for convection,例题,1-2 一室内暖气片的散热面积为3m,2,，表面温度为,t,w,=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/(m,2,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(t,w,t,f,)=3m,2,4 W/(m,2,K)(50-20)K=360W=0.36 kW,即相当于功率为0.36kW的电暖气。,辐射,1-1 热量传递的三种基本方式,1.,加热水壶底部，水壶顶部也会热？,导热,3.,太阳,2.,要把一壶水烧开，必须在水的下方加热。水是热的不良导体，不善于热的传导。,利用水的对流，使整壶水烧开,对流,辐射,导热,对流,辐射,三、热辐射,（,Thermal radiation,）,1、基本概念,1）辐射和热辐射,物体,转化本身的热力学能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,。,注意,：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,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。,辐射换热的特点,（,1,）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,（,2,）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,（,3,）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,;总的结果是热由高温传到低温,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。,3,）,导热、对流、辐射的评述,a,、,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,，,因此，又称其为非接触性传热。,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，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程,。,b,、,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,。,c,、,辐射换热是一种,双向热流,同时存在的换热过程，即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,。,d,、,热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象,。,e,、,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。,2、热辐射的基本规律：,所谓绝对,黑体,：把吸收率等于,1 的物体称黑体，是一种假想的理想物体。,黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的而且辐射热量服从于,斯蒂芬-玻尔兹曼,定律,。,3.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),（,1-7）,物体自身向外辐射的,热流量,，而不是辐射换热量,W,；,A辐射表面积,m,2,；,斯蒂芬-玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为,T 黑体的热力学温度,K；,斯蒂芬-玻尔兹曼定律,实际物体辐射热流量,根据,斯蒂芬,玻耳兹曼定律求得：,其中,物体的发射率（黑度）,，,其值总小于,1，,它与物体的种类及表面状态有关。,（,1-8）,暖气片,热水,管子,内壁,管子,外壁,室内,环境,对流换热,导热,对流换热,辐射换热,冷凝器,蒸汽,管子外壁,管子内壁,水,凝结换热,导热,对流换热,1-2 传热过程和传热系数,一、传热过程,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。,导热,对流,辐射,对流,2、传热过程的组成,一般包括串联的,三个环节,：,热流体 壁面高温侧；,壁面高温侧 壁面低温侧；,壁面低温侧 冷流体。,稳态过程通过串联环节的热流量相同。,1,2,3,3、传热过程的计算,（,a）,（,b）,（,c）,针对稳态的传热过程，即,Q=const,如图 1-3，其传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下：,将式（,a）、（b）、（c）改写成温差的形式：,（,d）,（,e）,（,f）,三式相加,，得到,整理可得,:,热流量也可以表示成,:,式中，,k,称为传热系数,，单位为 。,（,1-10）,令,（,1-1,1）,二、传热系数,1、概念,是指用来表征传热过程强烈程度的指标,。,数值上等于冷热流体间温差 ，传热面积 A=1m,2,时热流量的值。,K 值越大，则传热过程越强，反之，则弱。其大小,受较多的因素的影响：,参与传热过程的两种流体的种类；,传热过程是否有相变,说明：,若流体与壁面间有,辐射换热现象,，上述计算未考虑之。要计算辐射换热，则：表面传热系数应取,复合换热表面传热系数,，包含由辐射换热折算出来的表面传热系数在内。其方法见,8-4 节。,传热系数的表达式为,:,（,1-1,1）,k,越大，传热越好。若要增大,k,，可,增大,h,1,h,2,或减小,（,1-1,1）,传热系数的表达式为,:,传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于组成传热过程诸环节的,、及 之和的倒数。,如果对式（,1-1,1）取倒数,，还可理解得更深刻些。,此时,或,（,1-1,2）,（,1-1,3）,此式与欧姆定律 比较，,为传热过程,热阻,。,热阻,R,t,由此可见：,传热过程热阻是由各构成环节的热阻组成,。,串联热阻叠加原则：,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都相等，则串联热量传递过程的,总热阻等于各串联环节热阻之和。,例题,1-3一房屋的混凝土外墙的厚度为,=200mm，混凝土的热导率为,=1.5W/(mK)，冬季室外空气温度为t,f2,=-10,有风天和墙壁之间的表面传热系数为h,2,=20W/(m,2,K)，室内空气温度为t,f1,=25,和墙壁之间的表面传热系数为h,1,=5 W/(m,2,K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。,解：,由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为,根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，,1-3 传热学发展简史,18世纪30年代工业化革命促进了传热学的发展,导热,（,Heat conduction）,钻炮筒大量发热的实验（,B.T.Rumford,1798年）,两块冰摩擦生热化为水的实验（,H.Davy,1799年）,导热热量和温差及壁厚的关系（,J.B.Biot,1804,年）,Fourier,导热定律,(J.B.J.Fourier,1822,年）,G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/M.Jakob,对流换热（,Convection heat transfer）,不可压缩流动方程（,M.Navier,1823年),流体流动Navier-Stokes基本方程(G.G.Stokes,1845年）,雷诺数(O.Reynolds,1880年）,自然对流的理论解（L.Lorentz,1881年）,管内换热的理论解（L.Graetz,1885年；W.Nusselt,1916年）,凝结换热理论解（,W.Nusselt,1916,年）,强制对流与自然对流无量纲数的原则关系（,W.Nusselt,1909,年,/1915,年）,流体边界层概念（,L.Prandtl,1904,年）,热边界层概念（,E.Pohlhausen,1921,年）,湍流计算模型（,L.Prandtl,1925,年；,Th.Von Karman,1939,年；,R.C.Martinelli,1947,年）,本章小结：,(1)导热 Fourier 定律：(2)对流换热,Newton 冷却公式：,(3)热辐射 Stenfan-Boltzmann 定律：(4)传热过程,作业,1-,8，,1-,9,1-12,1-30,1-33,思考题,1,、冰雹落地后，即慢慢溶化，试分析一下，它溶化所需要的热量有哪些途径得到？,2.,一燃气加热炉，炉子内壁为耐火砖，外壁为普通红砖，两种砖之间有的填充保温材料，有的则为空气夹层，试分析两种情况下由炉内到炉外环境的散热过程？,3.,分析每种供暖方法为人们提供热量的主要传热方式是什么？,电热暖风机：,电加热器 加热风 人体,电热散热器：,电加热后的油 散热器内壁 散热器外壁 室内空气 人体,墙壁 人体,