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第三章第三章 热传递的基本原理热传递的基本原理11、概、概 述述一、传热学（一、传热学（Heat transfer）研究热量传递规律的一门科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：温差热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律热力学第二定律：热量可以自发地由高温热：热量可以自发地由高温热 源传给低温热源。有温差就会有传热源传给低温热源。有温差就会有传热（The Second Law of Thermodynamics）2二、传热学与工程热力学的关系二、传热学与工程热力学的关系 热力学第一定律热力学第一定律：热力学研究热力学研究平衡态平衡态；传热学研究过程和非平衡态传热学研究过程和非平衡态 传热学传热学：热量：热量 Q 传递过程的规律传递过程的规律 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为基础 即：热量即：热量 Q 传递始终是从高温物体向低温物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。转换，则热量始终保持守恒。工程热力学工程热力学：热能的性质、热能与机械能及：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其他形式能量之间相互转换的规律Thermodynamic Equilibrium（Engineering Thermodynamics）The First Law of Thermodynamics3传热学与工程热力学研究的问题不同传热学与工程热力学研究的问题不同热力学：热力学：tm,Q水，M220oC铁块，M1300oC传热学：传热学：过程的速率4三、传热学应用实例三、传热学应用实例 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：人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房度，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？间里所穿的衣服能否一样？为什么？夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中度）的空气和水中 的感觉不一样。为什么？的感觉不一样。为什么？北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利北方寒冷地区，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？于保温。如何解释其道理？越厚越好？5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、机械制造、动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（微机电系统（MEMS）、新材料、）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术军事科学与技术、生命科学与生物技术6航空航天航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却：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火箭推力室的再生冷却与发汗冷却 卫星与空间站热控制卫星与空间站热控制 空间飞行器重返大气层冷却空间飞行器重返大气层冷却 超高音速飞行器（超高音速飞行器（Ma=10Ma=10）冷却）冷却 核热火箭、电火箭核热火箭、电火箭 微型火箭（电火箭、化学火箭）微型火箭（电火箭、化学火箭）太阳能高空无人飞机太阳能高空无人飞机微电子：微电子：电子芯片冷却电子芯片冷却7生物医学生物医学：肿瘤高温热疗：肿瘤高温热疗 生物芯片生物芯片 组织与器官的冷冻保存组织与器官的冷冻保存军军 事：事：飞机、坦克飞机、坦克 激光武器激光武器 弹药贮存弹药贮存制制 冷冷：跨临界二氧化碳汽车空调：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵热泵 高温水源热泵高温水源热泵新新 能能 源源：太阳能：太阳能 燃料电池燃料电池8传热学基本内容传热学基本内容(1)导热导热 Heat conduction(2)对流换热对流换热 Convection heat transfer(3)热辐射及辐射换热热辐射及辐射换热 Thermal radiation and radiation heat transfer(4)传热过程与换热器传热过程与换热器 Heat transfer and heat exchanger2 热量传递的基本方式热量传递的基本方式热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射9一、热传导（导热）（一、热传导（导热）（Heat conduction）定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体定义：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子热运动而进行的热量传递现象导热的特点导热的特点 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、原子及自由电子等微观粒子热运动而依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而 传递热量传递热量 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中物质的属性；可以在固体、液体、气体中发生物质的属性；可以在固体、液体、气体中发生10导热的理论基础导热的理论基础导导 热（热（Heat Conduction）一、温度场（一、温度场（Temperature field）某时刻空间所有各点温度分布的总称某时刻空间所有各点温度分布的总称 温度场是时间和空间的函数，即：温度场是时间和空间的函数，即：（Steady-state conduction）（Transient conduction）11二、等温面与等温线二、等温面与等温线(1)(1)温度不同的等温面或等温线彼此不能相交温度不同的等温面或等温线彼此不能相交 等温面：等温面：同一时刻、温度场中所有温度相同的点连同一时刻、温度场中所有温度相同的点连 接起来所构成的面接起来所构成的面 等温线：等温线：用一个平面与各等温面相交，在这个平面用一个平面与各等温面相交，在这个平面 上得到一个等温线簇上得到一个等温线簇等温面与等温线的特点：等温面与等温线的特点：(2)(2)在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界上或者就终止与物体的边界上物体的温度场通常用等温面或等温线表示物体的温度场通常用等温面或等温线表示12等温面上没有温差，不会等温面上没有温差，不会有热传递有热传递三、温度梯度三、温度梯度 （Temperature gradient）不同的等温面之间，有温不同的等温面之间，有温差，有导热差，有导热13温度梯度温度梯度：沿等温面法线方向上的温度增量：沿等温面法线方向上的温度增量 与法向距离比值的极限，与法向距离比值的极限，gradt直角坐标系直角坐标系：（Cartesian coordinates）注：温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向注：温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向14导热的基本定律导热的基本定律：热流量，单位时间传递的热量热流量，单位时间传递的热量WW：平壁两侧壁温之差：平壁两侧壁温之差热导率（导热系数）热导率（导热系数）1822年，法国数学家年，法国数学家 Fourier：A：垂直于导热方向的截面积：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热流密度，单位时间通过单位面 积传递的热量积传递的热量平壁的厚度平壁的厚度m；Fouriers LawHeat fluxThermal conductivity15三、傅里叶定律三、傅里叶定律（Fouriers law）1822年年，法法国国数数学学家家傅傅里里叶叶（Fourier）在在实实验验研研究究基基础上，发现导热基本规律础上，发现导热基本规律 傅里叶定律傅里叶定律导热基本定律导热基本定律：垂直导过等温面的热流密度，正比于：垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反该处的温度梯度，方向与温度梯度相反热导率（导热系数）热导率（导热系数）直角坐标系中直角坐标系中：注：傅里叶定律只适用于各向同性材料注：傅里叶定律只适用于各向同性材料各向同性材料：热导率在各个方向是相同的各向同性材料：热导率在各个方向是相同的16四、热导率四、热导率（Thermal conductivity）热导率的数值就是物体中单位温度梯度、单位时间、热导率的数值就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过单位面积的导热量通过单位面积的导热量 物质的重要热物性参数物质的重要热物性参数影响热导率的因素影响热导率的因素：物质的种类、材料成分、温度、：物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等湿度、压力、密度等热导率的数值表征物质导热能力大小。实验测定热导率的数值表征物质导热能力大小。实验测定17注：传热学中热流量的单位是注：传热学中热流量的单位是W，而非而非J；W=J/s 热流量是单位时间传递的热量；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；它体现了传热的速率或快慢；传热是一个过程，而非平衡态；传热是一个过程，而非平衡态；这与热力学有区别这与热力学有区别导热热阻导热热阻：与直流电路的欧姆：与直流电路的欧姆 定律定律 I=U/R 相似相似Thermal resistance for conduction181 1、第一类边界条件下通过平壁的一维稳态导热、第一类边界条件下通过平壁的一维稳态导热(1)单层平壁单层平壁a)为常数、无内热源时：为常数、无内热源时：oxtw1ttw2直接积分，得：直接积分，得：五、五、通过平壁的导热通过平壁的导热19导过平壁的热流量：导过平壁的热流量：根据边界条件，得：根据边界条件，得：平壁内温度分布：平壁内温度分布：热流密度：热流密度：线性分布线性分布20(2)多层平壁多层平壁多层平壁：由几层不同材料组成多层平壁：由几层不同材料组成例例：房房屋屋的的墙墙壁壁 白白灰灰内内层层、水水泥泥沙沙浆浆层层、红红砖砖（青砖）主体层等组成（青砖）主体层等组成假假设设各各层层之之间间接接触触良良好好，可可以以近近似似地地认认为为接接合合面面上上各各处处的的温温度相等度相等=温差除以热阻之和温差除以热阻之和21对于多层（对于多层（n层）平壁：层）平壁：22六、六、通过圆筒壁的导热通过圆筒壁的导热工工程程上上许许多多导导热热体体是是圆圆筒筒形形的的，如如：热力管道、换热器中的管道等热力管道、换热器中的管道等一维径向稳态导热一维径向稳态导热a)导热微分方程导热微分方程:1 1、第一类边界条件下通过圆筒壁的导热、第一类边界条件下通过圆筒壁的导热(1)单层圆筒壁单层圆筒壁圆圆筒筒壁壁的的外外半半径径小小于于长长度度的的1/10时时，可可以以看看作作无无限限长长；内内、外外壁壁温温保保持持不变时，不必考虑轴向和周向导热不变时，不必考虑轴向和周向导热假设：单圆筒的长度为假设：单圆筒的长度为L，热导率，热导率 为定值、无内热源为定值、无内热源23b)几何条件：单层圆筒壁；几何条件：单层圆筒壁；r1,r2c)物理条件：物理条件：已知；已知；无内热源无内热源e)边界条件：边界条件：r=r1,t=tw1;r=r2,t=tw1 d)时间条件：时间条件：a)导热微分方程导热微分方程:24圆筒圆筒壁内温度分布：壁内温度分布：25圆筒圆筒壁内温度分布：壁内温度分布：圆筒圆筒壁内温度分布曲线的形状？壁内温度分布曲线的形状？26圆筒圆筒壁内导热热流量：壁内导热热流量：单位长度圆筒壁的热流量：单位长度圆筒壁的热流量：27(2)多层圆筒壁多层圆筒壁由由不不同同材材料料构构成成的的多多层层圆圆筒筒壁壁，其其导导热热热热流流量量可可按按总总温温差差和和总总热阻计算热阻计算n 层圆筒壁层圆筒壁28二、热对流（二、热对流（Convection）流体中有温差流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导热对流必然同时伴随着热传导定义定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，：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处的现象若热对流过程使具有质量流量若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度的流体由温度t1处流处流至温度至温度t2处，则此热对流过程传递的热流量为：处，则此热对流过程传递的热流量为：对流换热：对流换热：流体与固体壁间的换热流体与固体壁间的换热（Convection heat transfer）29对流换热概述对流换热概述对流换热对流换热（Convection heat transfer）一、对流换热一、对流换热对流换热：流体与固体壁直接接触时所发生的热量对流换热：流体与固体壁直接接触时所发生的热量 传递过程传递过程 对流换热实例：对流换热实例：1)暖气管道暖气管道;2)电子器件冷却电子器件冷却 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式不是基本传热方式30 对流换热的特点：对流换热的特点：(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差也必须有温差(3)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴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壁面处会形成速度梯度很大的边界层对流换热的基本计算式对流换热的基本计算式牛顿冷却公式（牛顿冷却公式（1701）31表面传热系数（对流换热系数）表面传热系数（对流换热系数）当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量面积上、单位时间内所传递的热量如何确定如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题及增强换热的措施是对流换热的核心问题研究对流换热的方法：研究对流换热的方法：（1）分析法）分析法 （2）实验法）实验法 （3）比拟法）比拟法 （4）数值法）数值法32 二、对流换热的影响因素及对流换热的分类对流换热的影响因素及对流换热的分类对流换热：导热对流换热：导热+热对流热对流对流换热的分类：对流换热的分类：影响因素影响因素：流动起因、：流动起因、流动状态、流体有无相流动状态、流体有无相变、换热表面的几何因变、换热表面的几何因素、流体的热物理性质素、流体的热物理性质等等1、流动起因：、流动起因：自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差 异所产生的流动异所产生的流动强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用 所产生的流动所产生的流动（Free convection）（Forced convection）332、流动状态：、流动状态：层流：整个流场呈一簇互相平行的流线层流：整个流场呈一簇互相平行的流线湍流：流体质点做复杂无规则的运动湍流：流体质点做复杂无规则的运动（紊流）（紊流）3、流体有无相变：、流体有无相变：单相换热：单相换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等（Laminar flow）（Turbulent flow）（Single phase heat transfer）（Phase change）（Condensation）（Boiling）344、换热表面的几何因素：、换热表面的几何因素：内部流动对流换热：管内或槽内内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束5、流体的热物理性质：、流体的热物理性质：热导率热导率密度密度比热容比热容动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度体胀系数体胀系数35综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：36对流换热分类对流换热分类37相似理论在对流换热中的应用相似理论在对流换热中的应用实验研究是传热学研究中的主要和可靠手段；实验研究是传热学研究中的主要和可靠手段；尤其是复杂的传热学问题尤其是复杂的传热学问题问题：如何进行实验研究？问题：如何进行实验研究？尽管数值传热学发展很快，但实验研究仍是检验数值尽管数值传热学发展很快，但实验研究仍是检验数值模拟和数学模型正确与否的唯一方法模拟和数学模型正确与否的唯一方法 相似理论指导下的实验研究相似理论指导下的实验研究表面传热系数是众多因素的函数；表面传热系数是众多因素的函数；有些影响因素相互有些影响因素相互制约和影响（如：温度与热物性）；如果采取逐个研制约和影响（如：温度与热物性）；如果采取逐个研究各变量的影响，实验工作量极为庞大、也极难进行究各变量的影响，实验工作量极为庞大、也极难进行38 相似准则（无量纲）相似准则（无量纲）它们对于两个现象是否对应相等是判断这两个现象它们对于两个现象是否对应相等是判断这两个现象是否相似的必要条件是否相似的必要条件 相似特征数相似特征数（相似准则）相似准则）以以杰杰出出科科学学家家的的名名字字命命名名39管内强迫对流换热的特点及几个重要的物理量管内强迫对流换热的特点及几个重要的物理量（2）层流、紊流；临界雷诺数）层流、紊流；临界雷诺数 Rec=2300（1）流动进口段与充分发展段）流动进口段与充分发展段40管内强迫对流换热特征数关联式管内强迫对流换热特征数关联式换热计算时换热计算时,先计算先计算Re判断流态，再选用公式判断流态，再选用公式大多数计算关联式是前人根据实验数据整理的大多数计算关联式是前人根据实验数据整理的（a）迪图斯）迪图斯-贝尔特（贝尔特（Dittus-Boelter）关联式）关联式：1 紊流换热紊流换热适用的参数范围：适用的参数范围：评价：误差大；适用于壁面与流体温差不很大时评价：误差大；适用于壁面与流体温差不很大时41或（或（b）光滑长管（）光滑长管（）强制对流换热）强制对流换热2.层流（Re2300）42有相变的对流换热1.凝结换热凝结换热 当蒸汽与低于其相应压力下的饱和温度的壁当蒸汽与低于其相应压力下的饱和温度的壁面接触时，将发生凝结过程。凝结时蒸汽释放出面接触时，将发生凝结过程。凝结时蒸汽释放出汽化潜热并传递给固体壁称凝结换热过程。汽化潜热并传递给固体壁称凝结换热过程。分为分为膜状凝结、珠状凝结膜状凝结、珠状凝结液膜的导热热阻液膜的导热热阻成为膜状凝结换热的主要阻力成为膜状凝结换热的主要阻力不凝结气体不凝结气体附加热阻（凝汽器设有抽气系统）附加热阻（凝汽器设有抽气系统）排除凝结液、减小液膜厚度排除凝结液、减小液膜厚度强化膜状凝结换强化膜状凝结换热热43442.沸腾换热沸腾换热大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线 通过对水在一个大气压（通过对水在一个大气压（1.013105Pa）下的大容）下的大容器饱和沸腾换热过程的实验观察，可以画出图器饱和沸腾换热过程的实验观察，可以画出图6-11所示所示的曲线，称为饱和沸腾曲线。曲线的横坐标为加热面的曲线，称为饱和沸腾曲线。曲线的横坐标为加热面的过热度；纵坐标为热流密度。的过热度；纵坐标为热流密度。45