传热学教案.ppt

*,*,华中科技大学热科学与工程实验室,HUST Lab,of Thermal,Science&Engineering,传 热 学,Heat Transfer,主讲：,王晓墨,能源与动力工程学院,华中科技大学,3/7/2026,1,E-mail:wxm_hust,Office：87542618,Home:63730105,3/7/2026,2,传热学,许国良编著,传热学,杨世铭 陶文铨 第三版,Heat TransferJ.P.Holman 8th edition,数值传热学,陶文铨 第二版,参考书,教 材,3/7/2026,3,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,传热过程与传热系数,3/7/2026,4,1-1,传热学概述,1,传热学的概念,研究热量传递规律的一门科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法,3/7/2026,5,热量传递过程的推动力：温差,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,温差是热量传递的推动力,3/7/2026,6,Energy flows from hot objects to cold.,There is no energy flow between two objects at the same temperature.,3/7/2026,7,热量来源,钻木取火 太阳,电热器 地热,3/7/2026,8,2,传热学的基本任务,求解温度分布,计算热量传递的速率,热力学,+,传热学,=,热科学,(Thermal Science),系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。,关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。,水，,M,2,20,o,C,铁块,M,1,300,o,C,热力学：,t,m,Q,传热学,3/7/2026,9,大规模太阳能热气流综合发电,3/7/2026,10,热力学研究：热力学循环和能量转换效率,1,2,3,4,透平能,量损失,烟囱能,量损失,透平温降,（压降）,烟囱温降,（压降）,动能损失,太阳能烟囱电站空气循环温熵图,T,S,太阳能,热气流能,机械能,电 能,3/7/2026,11,传热学研究：系统内的温度、压力和速度场,3/7/2026,12,传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即,热量始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则热量始终是守恒的。,3/7/2026,13,3,传热学应用举例,自然界与生产过程到处存在温差,传热很普遍,日常生活中的例子：,为什么水壶的提把要包上橡胶？,3/7/2026,14,不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？,3/7/2026,15,特别是在下列技术领域大量存在传热问题：,动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（,MEMS,）、,新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术,几个特殊领域中的具体应用,3/7/2026,16,a),航空航天：高温叶片气膜冷却；火箭推力室的再生冷却；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,3/7/2026,17,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,3/7/2026,18,4,传热学分类,依据物体温度与时间的依变关系，可将传热过程分为,稳态,传热过程和,非稳态,传热过程。,若物体中各点温度不随时间改变，则对应的传热过程为,稳态,热传递过程；若物体中各点温度随时间改变，则对应的传热过程为,非稳态,热传递过程。,稳态过程和非稳态过程又称为,定常过程,和,非定常过程,。,3/7/2026,19,1-2,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,3/7/2026,20,3/7/2026,21,1,热传导（导热）,热传导的定义,物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,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、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象,3/7/2026,22,3/7/2026,23,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,3/7/2026,24,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,3/7/2026,25,We compare hydrogen(yellow,mass=2)with oxygen(blue,mass=32)to the left.As the temperature goes up,the speed of the molecules increases.,Conduction in gas,3/7/2026,26,Conduction in Metals,All metals are good conductors of,electricity,.,For a similar reason,they are also good conductors of heat,.,In metals,not only do the,atoms vibrate,more when heated,but the,free electrons,charge around more as well.These transfer the energy,much faster,than just vibrations in bonds.,3/7/2026,27,Conduction in Non-Metals,Every atom is physically bonded to its,neighbours,in some way.If,heat energy,is supplied to one part of a solid,the atoms,vibrate faster,.,As they vibrate more,the bonds between atoms are,shaken more,.This passes vibrations on to the next atom,and so on:,Eventually the energy spreads throughout the solid.The overall temperature has increased.,3/7/2026,28,导热基本定律,傅立叶定律,：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；,A,：,垂直于导热方向的截面积,m,2,；,：,导热系数（热导率）,W/(m K),。,1822,年，法国数学家,Fourier,：,t,1,t,2,l,3/7/2026,29,当温度,t,沿,x,方向增加时，,dt/dx,0,，,q0,，,说明热量沿,x,减小的方向传递；反之，,dt/dx,0,，,q0,，,说明热量沿,x,增加的方向传递。,负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。,3/7/2026,30,热导率（导热系数）,(Thermal conductivity),表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。,3/7/2026,31,热流量与热阻,t,1,t,2,l,大平板稳态导热，由于是一维问题，且,和,q,为常量，积分傅立叶定律：,3/7/2026,32,这里有必要引入,热阻,的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移过程有一个共同规律，就是：,导热热阻,单位导热热阻,3/7/2026,33,t,1,t,2,l,Q,3/7/2026,34,2,热对流,若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则,由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为,热对流。,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：,热对流与对流换热,3/7/2026,35,流体中有温差,热对流必然同时伴随着热传导，,自然界不存在单一的热对流,在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的是流体流过一个温度不同的物体表面时引起的热量传递，这种情况称为,对流换热,。,u,t,t,w,A,3/7/2026,36,当实际流体流过物体表面时，由于,粘性作用,，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只能依,导热,的方式进行；离开物体表面，流体有宏观运动，,热对流,方式将发生作用。所以，对流换热是热对流和导热两种基本传热方式共同作用的结果,。,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，,3/7/2026,37,不是基本传热方式，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,对流换热的分类,a),根据流动原因，分为：强制对流换热和自然对流换热。,b),是否相变，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热,3/7/2026,38,对流换热公式,牛顿冷却公式,u,t,t,w,A,热流量,W,，,单位时间传递的热量,q,热流密度,h,表面传热系数,A,与流体接触的壁面面积,固体壁表面温度,流体温度,Convection heat,transfer coefficient,3/7/2026,39,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,影响,h,因素：,流体的物性,（导热系数、粘度、密度、比热容等）、,流动的形态,（层流、紊流）、,流动的成因,（自然对流或强制对流）、,物体表面的形状、尺寸，换热时有无相变,（沸腾或凝结）等。,3/7/2026,40,研究对流换热的基本任务就是用理论分析或实验方法得出不同情况下表面传热系数的计算关系式。,Typical values of,h,Process,H(W/m,2,-,C),Free Convection,Gases,Liquids,Forced Convection,Gases,Liquids,Liquid metals,Phase change,Boiling liquids,Condensation,5-30,20-1000,20-300,50-20,000,5,000-50,000,2,000-100,000,5,000-100,000,3/7/2026,41,对流热阻,Thermal resistance for convection,3/7/2026,42,3,热辐射,(Thermal radiation),热辐射的定义与特点,定义：,由,热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象,特点：,a),任何物体，只要温度高于,0K,，,就会不停地向周围空间发出热辐射；,b),可以在真空中传播；,c),伴随能量形式的转变；,d),辐射能与温度和波长均有关,3/7/2026,43,辐射换热,的定义与特点,定义：物体间靠热辐射进行的热量传递,特点：,a),不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量；,b),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,c),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,3/7/2026,44,斯蒂芬,-,玻尔兹曼定律,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。,黑体向外发射的辐射能：,绝对黑体辐射力,黑体表面的绝对温度（热力学温度）,斯蒂芬,-,玻尔兹曼常数，,3/7/2026,45,实际物体辐射能力：低于同温度黑体,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。,特殊情况下的两表面辐射换热,3/7/2026,46,T,1,T,2,Q,A,3/7/2026,47,例：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,h=3.42 W/(m,2,K),保温层外表面的发射率,问：（,1,）此管道散热必须考虑哪些热量传递方式；（,2,）计算每米长度管道的总散热量。,解：,（,1,）,此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。,（,2,）把管道每米长度上的散热量记为,q,l,3/7/2026,48,近似地取墙壁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辐射为：,讨论：计算结果表明，对于表面温度为几或几十摄氏度的一类表面的散热问题，自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。,当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热,3/7/2026,49,1-3,传热过程与传热系数,1,传热过程,热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程,。,导热,对流,辐射,对流,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,=1,o,C,、,传热面积,A,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。,3/7/2026,50,2,传热系数的计算,热流体,t,f1,到,t,w1,：,t,w1,到t,w2,：,t,w2,到冷流体：,3/7/2026,51,单位热阻或面积热阻,k,越大，传热越好。若要增大,k,，,可,增大,h,，,，,减小,。,3/7/2026,52,例,:,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,3/7/2026,53,根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，,3/7/2026,54,第一章,作业,习题：,1-3,，,1-6,，,1-16,，,1-18,3/7/2026,55,