第1章-绪论 传热学 中国石油大学 华东.pdf

主讲：杨德伟 储运与建筑工程学院热能与动力工程系 注意事项注意事项 联系方式：联系方式：13705321124 yangdw QQ:1547962910（爱玩更爱学爱玩更爱学）要求：要求：上课关闭手机上课关闭手机（静音静音）；考勤：考勤：不定期点名不定期点名，有事必须请假有事必须请假，不得旷课不得旷课，旷课旷课1/3以上者不以上者不得参加考试；得参加考试；不得抄作业不得抄作业，发现一次发现一次，抄与被抄同等处罚抄与被抄同等处罚，成绩一人一半；成绩一人一半；作业：作业：每次课前上交每次课前上交，原则上拖欠作业不予批改；作业缺原则上拖欠作业不予批改；作业缺1/3以上以上者不允许参加考试者不允许参加考试，每章交一次作业；每章交一次作业；答疑：答疑：课前课后课前课后，邮件邮件，短信以及短信以及QQ；总复习答疑；总复习答疑 教材及参考书教材及参考书 教材：传热学黄善波等编 参考：传热学戴锅生 编 传热学杨世铭、陶文铨编著 考核方法考核方法 闭卷考试闭卷考试 8590%平时成绩平时成绩 1015%第一章第一章 绪论绪论 1 1-1 1 传热学的研究对象和任务传热学的研究对象和任务 1 1-2 2 传热学在石油工程中的应用传热学在石油工程中的应用 1 1-3 3 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式 1 1-4 4 总传热过程总传热过程 1 1-5 5 传热学的研究方法传热学的研究方法 1 1-6 6 能量守恒及应用能量守恒及应用 1-1 传热学研究的对象和任务传热学研究的对象和任务 一一、什么是传热学什么是传热学 1 1、传热学是研究热量传递规律的学科。、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：热能只能自发地由高温处传到低温处。热力学第二定律：热能只能自发地由高温处传到低温处。1 1)物体内只要存在温差物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传就有热量从物体的高温部分传向低温部分；向低温部分；2)2)物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体传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。向低温物体。2 2、热量传递过程、热量传递过程 1）稳态传热过程（定常过程）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。均称稳态传热过程。根据物体温度与时间的关系，热量传递过程可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（定）传热过程、非稳态（定）传热分为两类：稳态（定）传热过程、非稳态（定）传热过程。过程。2 2）非稳态传热过程（非定常过程）非稳态传热过程（非定常过程）各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传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。变时的传热过程则属非稳态传热过程。凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的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。热传递过程均称非稳态传热过程。1）计算传热的热流量：反映热传递快慢）计算传热的热流量：反映热传递快慢 增强传热（扇子）增强传热（扇子）削弱传热（保温、棉衣）削弱传热（保温、棉衣）3、工程中的两大类问题：、工程中的两大类问题：2）确定温度分布：以便进行某些现象的判断、温度）确定温度分布：以便进行某些现象的判断、温度控制和其它计算。控制和其它计算。大气层温度分布大气层温度分布天气预报天气预报 热应力计算热应力计算寿命寿命 油藏地层温度分布油藏地层温度分布蒸汽带扩散，热影响区域大小蒸汽带扩散，热影响区域大小 4、假设：、假设：针对某一类具体问题进行的假设，如在工程压力针对某一类具体问题进行的假设，如在工程压力范围内，温度变化较小时假设热导率（导热系数）范围内，温度变化较小时假设热导率（导热系数）为常数或者取平均值为常数或者取平均值 2）特定假设：）特定假设：研究的物体是各向同性的、各点物性与方向无关研究的物体是各向同性的、各点物性与方向无关 研究的物体为连续体，物体内各点的温度等参研究的物体为连续体，物体内各点的温度等参数为时间和空间坐标的连续函数数为时间和空间坐标的连续函数 1）普遍性假设：）普遍性假设：二、传热学的重要性二、传热学的重要性 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传热很普遍普遍 传热学在日常生活、生产技术领域中的应传热学在日常生活、生产技术领域中的应用十分广泛。用十分广泛。a a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持夏天和冬天都保持2020度，那么在冬天与夏天、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？人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？日常生活中的例子日常生活中的例子 c c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于北方寒冷地区，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？保温。如何解释其道理？越厚越好？b b 夏天，人在同样温度（如：夏天，人在同样温度（如：2525度）的空气和水度）的空气和水中的感觉是否一样？为什么？中的感觉是否一样？为什么？为什么水壶的提把要包上橡胶？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，哪个黄油不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？融解更快？生产技术领域大量存在传热问题 航空航天航空航天“热防护系统热防护系统”（TPSTPS）：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；卫星与空间站热控制；空间飞行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；超高音速飞行器器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=Ma=1010）冷却；核热火箭冷却；核热火箭、电电火箭；微型火箭火箭；微型火箭（电火箭电火箭、化学火箭化学火箭）；太阳能高空无人飞机；太阳能高空无人飞机 航天飞机在地球轨道上将反复地经受困太阳直接辐照产生的高航天飞机在地球轨道上将反复地经受困太阳直接辐照产生的高温和进入地球阴影时面对接近温和进入地球阴影时面对接近0K0K的宇宙空间导致的低温，的宇宙空间导致的低温，温度温度变化范围达到变化范围达到-1571575555 同时还要经受同时还要经受 1.331.331010-4 4PaPa的高真空环境的高真空环境 在以在以7.5km/s7.5km/s的速度从的速度从120km120km高度重返地球大气层时，飞行器表面的高度重返地球大气层时，飞行器表面的热流密度大约达到热流密度大约达到2.52.510105 5W/mW/m2 2，机翼前缘和头锥帽上的温度高达机翼前缘和头锥帽上的温度高达16501650！除此之外还必须能够经受除此之外还必须能够经受太阳紫外线、高能粒子和微陨石可能的撞击太阳紫外线、高能粒子和微陨石可能的撞击 微电子：微电子：电子芯片冷却电子芯片冷却，CPUCPU风扇风扇 新能源：新能源：太阳能；燃料电池太阳能；燃料电池 制冷制冷：跨临界二氧化碳汽车空调：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵热泵；高温水源热泵 军事：军事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 生物医学生物医学：肿瘤高温热疗；组织与器官的冷冻保存：肿瘤高温热疗；组织与器官的冷冻保存 目前在石油工业中导致传热学的地位和作用越来越重要的背景有两个：高粘、高凝原油的开发 我国油田开发的由浅到深、由易到难的开发过程 高粘高凝原油是我国的重要油气资源，分布广、储量大，预测我国的稠油在80亿吨以上。开发稠油时的主要问题是高粘度导致的流动性差 一是稠油的渗流阻力大，难于从油层流入井底 二是稠油在井筒的流动阻力大，举升困难 1-2 传热学在石油工程中的应用传热学在石油工程中的应用 高凝油高凝油含蜡量高，凝固点高的原油，含蜡量高，凝固点高的原油，其特点是存在析其特点是存在析蜡点和凝固点蜡点和凝固点 温度低于析蜡点时，原油中的重质组分开始析出温度低于析蜡点时，原油中的重质组分开始析出 当原油温度进一步降低至凝固点时，原油将失去流动性当原油温度进一步降低至凝固点时，原油将失去流动性 实践证明，实践证明，热处理油层采油技术热处理油层采油技术是开发稠油和高凝油的一是开发稠油和高凝油的一种行之有效的方法，种行之有效的方法，热处理油层的作用：热处理油层的作用：提高油层温度，降低油层流体的粘度，防止油层中的结蜡现象，提高油层温度，降低油层流体的粘度，防止油层中的结蜡现象，增加油藏驱油能力，减小油层流动阻力增加油藏驱油能力，减小油层流动阻力 是开发稠油、高凝油的主要手段 也是提高原油采收率的主要方法：目前常用的热处理油层采油技术包括注热流体和火烧油层两类方法 注热流体工艺 注入的热流体可以是蒸汽，也可以是热水 高凝油通常采用注热水的方法以维持原油温度，防止原油中的重质组分析出使流动性变差 注蒸汽工艺通常应用于稠油开发，主要机理：充分利用稠油粘度对温度非常敏感这一特点，通过提高油藏温度来降低流体粘度以改善其流动性 油藏岩石受热后的膨胀作用，可以减少最后的残余油饱和度 注蒸汽工艺可分为蒸汽吞吐和蒸汽驱两种方法，注入的蒸汽通常是湿蒸汽 火烧油层又称为就地燃烧是将空气（或氧气、液氧）连续地注入到油层中，通过自燃或点火使油层中的部分原油燃烧，利用燃烧释放出的热量来加热油层 目前正处于试验阶段，它对油层的适应性较广，有前途 实际控制较难，还没有到工业化应用的阶段 井筒降粘的必要性 当稠油和高凝油由井底沿井筒被举升到地面时，由于存在着井筒热损失，原油温度不断降低，使原油粘度升高或重质组分析出导致原油在井筒内的流动性变差 热力降粘技术就是常用的一种 热力降粘技术通过提高井筒流体温度，降低其粘度的技术 有热流体循环加热技术和电加热降粘技术 热流体降粘技术在地面上产生高温流体（油或热水），然后通过特殊管柱注入到井筒中建立循环通道，以加热井筒中生产流体的工艺技术 电加热降粘技术利用电热杆或伴热电缆，将电能转化为热能，提高井筒生产流体温度的工艺技术 对稠油和高凝油的开发，加热降粘或通过加热维持温度是热处理油层技术和井筒热力降粘技术的目的 其中涉及到的传热问题的分析和解决是工艺的关键所在 目前我国石油勘探的现状：再找到像大庆油田似的油田几乎不可能，而且浅井、地层条件好的油藏也越来越少 我国社会经济的发展对能源需求量的增加，迫使我们不得不开发深层、超深层油藏和低产能区块（低渗透）对深层、超深层油藏，4000-5000米很常见 深井的问题：井口和井底温差增加，井口、井底温差一般在150-180，有的甚至超过了200 大温差无论对钻井、固井和采油工艺都会产生影响 钻井：钻井液是钻井工程的血液，它主要是冷却钻头、清洗井底、携带和悬浮岩屑的作用。对特殊地层还发展了低密度钻井流体技术。无论常规钻井液还是低密度钻井液，在进行深井、超深井作业时，已经不能忽略井口、井底的温度差异对它们的携带性能、冷却性能、悬浮性能的影响 需要了解井筒内水泥浆的温度沿井深的变化情况 在实验室开展钻井液在高温高压下的性能研究外 对钻井液在井筒内的流动和传热规律进行研究，确定钻井液的温度在井深范围内的变化规律，从而为钻井工艺的设计提供理论依据 固井工程的好坏是衡量一口油井质量的重要指标 固井工程中要注入水泥浆，而井筒内的温度变化对水泥浆的稠化时间、流变性质、凝固时间、抗压强度等都会产生影响，进而对固井质量产生影响。水力压裂是油田增产的重要措施，不仅用于低渗透油藏，而且在中、高渗透油藏中效果也很好 压裂液是对压裂效果至关重要，同样是配制而成的，压裂液性能受温度的影响较大 对深井和超深井的压裂，也存在着类似的问题，井筒温度的变化将影响到压裂液的粘滞性、悬砂能力、造缝能力和滤失速度等 采油中举升工艺的设计也存在设类似的问题，温度主要通过影响原油物性而影响到其流动规律的，因此许多举升工艺的设计计算都离不开井筒内温度场的计算 如电潜泵举升技术、水力活塞泵举升技术、水力射流泵采油系统的设计和计算，都离不开温度场的计算。这需要传热学的知识 传热学是热工系列课程教学的主要内容之传热学是热工系列课程教学的主要内容之一，是石油工程专业必修的专业基础课，一，是石油工程专业必修的专业基础课，理论性、应用性极强。是否能够熟练掌握理论性、应用性极强。是否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到后续专业课的学课程的内容，直接影响到后续专业课的学习效果。习效果。通过学习能熟练掌握传热过程的基本规律、实验测通过学习能熟练掌握传热过程的基本规律、实验测试技术及分析计算方法，从而达到认识、控制、优试技术及分析计算方法，从而达到认识、控制、优化传热过程的目的化传热过程的目的。1-2 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式 井筒举升传热过程井筒举升传热过程 产出液产出液油管内侧表面：油管内侧表面：热对流热对流 油管内侧表面油管内侧表面外侧表面：外侧表面：热传导热传导 油管外侧表面油管外侧表面油套环空：油套环空：热对流、热辐射热对流、热辐射 产出液、油管、环空、套管、水泥环、地层产出液、油管、环空、套管、水泥环、地层 一、热传导（导热）一、热传导（导热）1、概念、概念 定义定义1 1：当物体内有温度差或两个不同温度的物体相当物体内有温度差或两个不同温度的物体相接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒（分子、原子或自由电子）的热运动传递了热物质微粒（分子、原子或自由电子）的热运动传递了热量，这种现象称为热传导简称导热。量，这种现象称为热传导简称导热。定义定义2 2：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分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量子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。传递称导热。如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。2、导热的特征、导热的特征 必须有温差必须有温差 同一物体或物体直接接触，不发生宏观的相对位同一物体或物体直接接触，不发生宏观的相对位移移 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（本质）（本质）无能量形式的转化无能量形式的转化 固、液、气固、液、气 固体最常见，静止、流动的流体固体最常见，静止、流动的流体 3、傅里叶定律 （1822 1822 年，法国物理学家）年，法国物理学家）分析一种最简单的导热问题。如图分析一种最简单的导热问题。如图1 1-1 1 所示一块大平壁，壁厚为所示一块大平壁，壁厚为，一侧表面积为，一侧表面积为A A，两侧表面分别维持均匀恒定温度，两侧表面分别维持均匀恒定温度t tw1w1和和t tw2w2。是个一维导热问题。是个一维导热问题。由傅里叶定律：单位时间内通过表面由傅里叶定律：单位时间内通过表面1 1到表到表面面2 2的热量的热量（热流量）与导热面积（热流量）与导热面积A A和导热和导热温差温差(t(tw1w1-t tw2w2)成正比，与厚度成正比，与厚度成反比，即成反比，即 12wwttA 式中，式中，是比例系数，是比例系数，称为称为热导率热导率，又称，又称导热导热系数系数，W/(m K)。t是导热温差，是导热温差，或或K。tA 或或 导热系数导热系数 表征材料导热性能优劣的参数，表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位：是一种物性参数，单位：W/m K。同材料的导热系数值不同，即同一种材料同材料的导热系数值不同，即同一种材料导热系数值与温度等因素有关。金属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，液体次最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。之，气体最小。例 题例 题 1-1 有 三 块 分 别 由 纯 铜有 三 块 分 别 由 纯 铜（热 导 率热 导 率 1=398 W/(m K)）、黄铜黄铜（热导率热导率2=109W/(m K)）和碳和碳钢钢（热导率热导率3=40W/(m K)）制成的大平板制成的大平板，厚度厚度都为都为10mm，两侧表面的温差都维持为两侧表面的温差都维持为tw1 tw2=50不变不变，试求通过每块平板的导热热流密度试求通过每块平板的导热热流密度。解：解：这是通过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板：这是通过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板：Wttq62w1w111099.101.0/50398对于黄铜板对于黄铜板 Wttq62w1w2210545.001.0/50109对于碳钢板对于碳钢板 Wttq62w1w32102.001.0/5040二、热对流二、热对流 1 1、基本概念、基本概念 1)1)热对流：热对流：是指由于流体的宏观运动，从而是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。体相互掺混所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，流体中有温对流仅发生在流体中，流体中有温差差 对流的同时必伴随有导热现象。对流的同时必伴随有导热现象。自然自然界不存在单一的热对流。界不存在单一的热对流。2)2)表面对流换热表面对流换热：流动流体流过一个温度流动流体流过一个温度不同的物体表面时产生的热量传递过程，不同的物体表面时产生的热量传递过程，称为对流传热。称为对流传热。2、对流换热的分类、对流换热的分类 1 1）根据对流换热时）根据对流换热时是否发生相变是否发生相变分：有相变分：有相变的对流换热和无相变的对流换热。的对流换热和无相变的对流换热。沸腾换热及凝结换热：沸腾换热及凝结换热：液体在热表面上沸腾及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）。凝结换热（相变对流沸腾）。2 2）根据引起）根据引起流动的原因流动的原因分：自然对流和强制对流。分：自然对流和强制对流。自然对流：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由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动。动。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。强制对流：强制对流：流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的。造成的。3、对流换热的特征、对流换热的特征 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热（气体而言，分子热运动时刻存在）；不是热（气体而言，分子热运动时刻存在）；不是基本传热方式基本传热方式 热传导与热对流同时存在的复杂热传递过程热传导与热对流同时存在的复杂热传递过程 流体与固体壁面相互接触流体与固体壁面相互接触 有相对宏观位移有相对宏观位移 无能量形式的转换无能量形式的转换 4、牛顿冷却公式、牛顿冷却公式 当温度为当温度为tf的流体流过温度为的流体流过温度为tw、面积为、面积为A的固体壁的固体壁面时：面时：流体被冷却时：流体被冷却时：wfttt cAht 流体被加热时：流体被加热时：fwttt tt壁面与流体的温差（亦称温压），约定壁面与流体的温差（亦称温压），约定永远取正值永远取正值 2W/mKhc表面传热系数表面传热系数,对流传热系数，单位对流传热系数，单位 。hc的物理意义：的物理意义：单位温差作用下通过单位面单位温差作用下通过单位面积的热流量。积的热流量。表面传热系数的大小与传热过程中的许表面传热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于物体的物性、换多因素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小相对位置，而且与流体热表面的形状、大小相对位置，而且与流体的流速有关。的流速有关。一般地，一般地，就介质而言：就介质而言：水的对流换热比空水的对流换热比空气强烈；气强烈；就换热方式而言：就换热方式而言：有相变的强于无相变的；有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。强制对流强于自然对流。对流换热研究的基本任务：对流换热研究的基本任务：用理论分析或用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面换热导数实验的方法推出各种场合下表面换热导数的关系式。的关系式。表面传热系数的数值范围 例题例题1 1-2 2 一室内暖气片的散热面积为一室内暖气片的散热面积为3 3mm2 2，表面温度表面温度为为t tww =5050，和温度为和温度为2020的室内空气之间自然对的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为流换热的表面传热系数为h h =4 4 W/(mW/(m2 2 K)K)。试问该暖试问该暖气片相当于多大功率的电暖气气片相当于多大功率的电暖气?解：解：暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，=Ah=Ah(t tww t tf f)=3m)=3m2 24 W/(m4 W/(m2 2 K)K)(50(50-20)K=360W=0.36 kW 20)K=360W=0.36 kW 即相当于功率为即相当于功率为0.36kW0.36kW的电暖气。的电暖气。三、热辐射三、热辐射 1、基本概念基本概念 1 1 ）辐射和热辐射辐射和热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称为物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射辐射。凡是凡是T0K的物体都会向外界以电磁波的方式发射具有一定的物体都会向外界以电磁波的方式发射具有一定能量的粒子能量的粒子(光子光子)，原因很多：核聚变原因很多：核聚变、裂变裂变、温度等温度等。因热的原因而发出辐射能的现象称为因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射热辐射。2 2 ）辐射换热辐射换热 物体间相互辐射和相互吸收能量的过程称辐射换热物体间相互辐射和相互吸收能量的过程称辐射换热。2.辐射换热的特征辐射换热的特征 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，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：在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换：物体热力学能物体热力学能电磁波能电磁波能物体热力学能物体热力学能 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、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物体辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低总的结果是热由高温传到低温温 T0K，就有能量辐射，就有能量辐射 与绝对温度呈四次方关系，温度越高，辐射能力越强与绝对温度呈四次方关系，温度越高，辐射能力越强 与物体的种类和表面状况有关与物体的种类和表面状况有关 3）导热、对流、辐射的评述 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。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。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。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，辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，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。热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。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。3.斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。体。或称绝对黑体。或称绝对黑体。（Black bodyBlack body）黑体的辐射能力与吸收能力黑体的辐射能力与吸收能力最强最强,黑体的吸收和辐射能力黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的在同温度的物体中是最大的而且辐射热量服从于而且辐射热量服从于斯忒斯忒藩藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律。Ludwig Boltzmann(1844Ludwig Boltzmann(1844-1906)1906)4bAT（1-7）其中其中 T T 黑体的热力学温度黑体的热力学温度 K K；斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼常数（黑体玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为辐射常数），其值为 ；A辐射表面积辐射表面积 m m2 2 。b-8245.67 10 W/mK 实际物体辐射热流量根据斯忒潘玻耳兹曼定律求得：其中 物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射换热量；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。4bAT （1-8）要计算辐射换热量，必须考虑投到物体上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，详见第八章。物体包容在一个很大的表面温度为的空腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量 44112()sbATT（1-9）当一个物体表面既有对流传热又有辐射传热时，当一个物体表面既有对流传热又有辐射传热时，工程上常将它们综合在一起。为方便起见，将辐工程上常将它们综合在一起。为方便起见，将辐射换热公式写成牛顿冷却公式的形式：射换热公式写成牛顿冷却公式的形式：11rrwfh A tt hr为表面辐射传热系数，为表面辐射传热系数，W/(m K)。对流传热系数对流传热系数hc和辐射传热系数和辐射传热系数hr之和称为之和称为表面传热系数表面传热系数h，即，即 h=hc+hr 1-3 总传热过程总传热过程 一、总传热过程一、总传热过程 1、概念、概念 热量从温度较高一侧的流热量从温度较高一侧的流体通过固体壁面传到温度体通过固体壁面传到温度较低一侧流体中去的过程较低一侧流体中去的过程称总传热过程，简称传热称总传热过程，简称传热过程。过程。导热导热 对流对流 辐射辐射 对流对流 2、传热过程的组成、传热过程的组成 一般包括串联的一般包括串联的三个环节三个环节：热流体热流体 壁面高温侧壁面高温侧 壁面高温侧壁面高温侧 壁面低温侧壁面低温侧 壁面低温侧壁面低温侧 冷流体冷流体 稳态过程通过串联环节的稳态过程通过串联环节的热流量相同。热流量相同。3、传热过程的计算 11112222cfwwwcwfAhttAttAhtt （a）（b）（c）针对稳态的传热过程，即针对稳态的传热过程，即 =const=const 如图如图1 1-3 3，其，其传热环节有三种情况传热环节有三种情况，则其热，则其热流量的表达式如下：流量的表达式如下：将式（将式（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）改写成温差的形）改写成温差的形式：式：11112222/fwcwwwfcttAhttAttAh（d）（e）（f）三式相加，整理可得:也可以表示成：也可以表示成：式中，式中，K称为传热系数，单位为称为传热系数，单位为 。2W/mK1212()11ffccA tthh 12()ffAK ttAK t（1-8）11211ccKhh二、传热系数二、传热系数 1、概念、概念 是指用来表征传热过程强烈程度的指标。是指用来表征传热过程强烈程度的指标。数值上数值上等于冷热流体间温差等于冷热流体间温差1K时，单位传热面积在单时，单位传热面积在单位时间内的传热量。位时间内的传热量。K值越大，则传热过程越强，反之，则弱。其大值越大，则传热过程越强，反之，则弱。其大小小受较多的因素的影响：受较多的因素的影响：参与传热过程的两种流体的种类；参与传热过程的两种流体的种类；传热过程是否有相变传热过程是否有相变 说明：说明：若流体与壁面间有辐射换热现象，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：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，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包含由辐射换热折算出来的表面传热系数在内。其方法见在内。其方法见8 8-4 4节。节。传热系数的表达式为传热系数的表达式为:12111Khh（1-12）传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，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即它等于组成传热过程诸环节的 、及及 之和的倒数。如果对式（之和的倒数。如果对式（1 1-1212）取倒）取倒数，还可理解得更深刻些。此时数，还可理解得更深刻些。此时 1/1 h/2/1 h或或 12111Khh（1 1-1313）12111AKAhAAh（1 1-1414）此式与欧姆定律此式与欧姆定律 比较，比较，具有具有电阻电阻之功能。之功能。由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的热阻热阻组成。组成。串联热阻叠加原则：串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递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，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则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环节热阻之和。节热阻之和。RUI/1/AK表示成热阻的形式，有表示成热阻的形式，有 f1f211 11 122-111tttAKAhAA h 123tttRRRR 2.热阻热阻 导热热阻：导热热阻：W AttAThermal resistance for conductionThermal resistance for conduction K/WdRA2 mK/Wdr对流换热热阻对流换热热阻 hhrthtqRthAt 1 )(11()K WhRhA21 mK WhrhThermal resistance for convection f1f2121 11 12222t-t111tQAKAhAAA h121122111trKhh121 11 12222111tRAKAhAAA h2mK/WK越大，传热越好。若要增大越大，传热越好。若要增大K K，可，可增大增大 ,h减小双层壁面传热热阻双层壁面传热热阻 例题例题1 1-3 3 一房屋的混凝土外墙的厚度为一房屋的混凝土外墙的厚度为=200200mmmm，混混凝土的热导率为凝土的热导率为=1 1.5 5W/(mW/(m K)K)，冬季室外空气温度冬季室外空气温度为为t tf f2 2=-1010,有风天和墙壁之间的表面传热系数为有风天和墙壁之间的表面传热系数为h h2 2=2020W/(mW/(m2 2 K)K)，室内空气温度为室内空气温度为t tf f1 1=2525,和墙壁之和墙壁之间的表面传热系数为间的表面传热系数为h h1 1=5 5 W/(mW/(m2 2 K)K)。假设墙壁及两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求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。解：解：由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。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通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为热损失为 212f1f11hhttq222/100)(201)(5.115.0)(51)10(25mWKmWKmWmKmWK根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，对流换热，1w1f1tthq2f2w2tthqChqtt5111f1wChqtt15122f2w1-4 传热学的研究方法传热学的研究方法 理论研究方法理论研究方法 数学分析法：数学分析法：合理简化和假设，建立物理模型合理简化和假设，建立物理模型数学模数学模型型求解微分方程求解微分方程 积分近似法：积分近似法：边界层微分方程边界层微分方程简化积分简化积分 比比 拟拟 法：法：热量、动量类比关系，动量传递热量、动量类比关系，动量传递热量传递热量传递 数值计算法：数值计算法：微分方程组离散化微分方程组离散化迭代、消元求解迭代、消元求解 实验研究方法实验研究方法 相辅相成，理论指导实验、实验验证理论的正确性相辅相成，理论指导实验、实验验证理论的正确性 1-5 能量守恒能量守恒 1 关于能量守恒原理 能量转化与守恒原理是自然界中普遍遵循的基本原理之一，它是由无数客观事实总结出来的最基本、最普遍的定律，恩格斯称其为绝对的自然定律。该原理是在19世纪中期提出的，是建立在众多科学家工作的基础上，如卡诺、焦耳、迈尔和赫尔姆兹等人 在1847年德国物理学家赫尔姆兹在论力的守恒一文中第一次进行系统地阐述。他将力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程。能量守恒原理的提出是物理学界的一件大事，完成了物理学上的第二次大综合 能量守恒原理的应用非常广泛，对不同的问题、在不同的角度它有不同的表述方法 最基本的表述是：“能量不能消失，也不能创造，它只能有一种形式转换为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体；对于和外界无任何联系的孤立系统，总能保持不变”。机械能守恒定律是力学角度上的能量守恒原理，它表述为：对由若干物体组成的系统，若系统只有保守力（沿封闭路径运行一周后，所做功为零的力，如重力、弹性力、万有引力等）作功，其他非保守力和一切外力所作总功为零，则系统内的各物体的动能和势能可以相互转换，但总能量保持不变 热力学第一定律是热力学角度上能量转换与守恒原理，它说明在热能与机械能的热功转换过程，能量的总量是守恒的 对于和外界没有质量交换的闭口系统而言，表述为“物体从外界吸收的热量等于物体内能的增加和对外做的功”。传热学中的能量守恒原理实际上就是来自于热力学第一定律 能量守恒原理是分析传热问题的基本依据 从某种角度上讲，一切传热问题所遵循的基本规律只有两个：特定传热方式的特殊规律 能量守恒原理 掌握了能量守恒原理及应用，掌握了传热学的一半精华 能量守恒原理在传热学中的应用，依分析对象的不同而不同 传热学中的分析对象有两种：即控制容积和控制表面 能量守恒原理应用于控制容积或控制表面时，最终得到的方程形式是不同的 2 控制容积的能量守恒原理 控制容积：由若干表面围成的封闭空间：封闭空间内是实施能量守恒的研究对象，封闭空间称为外界环境 几何上，这些表面将控制容积与外界环境的分界面、边界面 物理上，能量和物质可以通过分界面进出控制容积 根据需要，可以取整个研究物体作为控制容积，也可以从研究物体中取微元体作为控制容积 对选定的控制容积，任一瞬间的能量守恒原理可以表述为:sEoutinin从从各个方向以各种方式进入各个方向以各种方式进入控制容积的热流量控制容积的热流量 控制容积内热源的控制容积内热源的瞬时热功率瞬时热功率 out从从各个方向以各种方式离开各个方向以各种方式离开控制容积的热流量控制容积的热流量 sE控制容积中控制容积中储存热能的增加速率储存热能的增加速率 2 控制容积的能量守恒原理 在时间段内，控制容积能量守恒的形式为：invoutsEEEE Ein为时间内从各个方向以各种方式进入控制容积的热量 Ev为时间内控制容积内热源产生的热量 Eout为时间内从各个方向以各种方式离开控制容积的热量 Es为控制容积中储存热能的增加 2 控制容积的能量守恒原理 2 控制容积的能量守恒原理 说明：（1）注意单位的一致性：采用W，各项均应用W（传热速率）；用J（热量总量）则均用J （2）流入和流出项是表面现象，与在表面上发生的过程有关，正比于表面积 所有方向 各种方式 2 控制容积的能量守恒原理（3）内热源：其他形式的热量转化而来 通电导体因电阻作用使部分电能转化为热能 受微波辐射作用产生的热能 燃料因燃烧由化学能转换为热能 通常，内热源是一种容积现象，与控制容积的大小成正比 2 控制容积的能量守恒原理 传热学中，通常用内热源强度表示内热源产生热量能力的大小 内热源强度：单位体积的物体在单位时间内所释放出的热能，单位为W/m3 内热源也称为热产（heat generation），可以是负的 负的内热源也称为热沉或热汇（heat sink）2 控制容积的能量守