1、石油與天然氣工程學(xué)院流體熱工教研室石油與天然氣工程學(xué)院流體熱工教研室主講人：肖東主講人：肖東傳熱學(xué)與傳質(zhì)學(xué)傳熱學(xué)與傳質(zhì)學(xué)傳熱學(xué)與傳質(zhì)學(xué)包括傳熱學(xué)與傳質(zhì)學(xué)包括: :1.傳熱學(xué)（傳熱學(xué)（Heat Transfer） 傳熱學(xué)主要研究熱量傳遞的規(guī)律。傳熱學(xué)主要研究熱量傳遞的規(guī)律。2.傳質(zhì)學(xué)（傳質(zhì)學(xué)（Mass Transfer） 傳質(zhì)學(xué)主要研究質(zhì)量傳遞的規(guī)律。傳質(zhì)學(xué)主要研究質(zhì)量傳遞的規(guī)律。課程特點(diǎn)及要求課程特點(diǎn)及要求課程特點(diǎn)：概念多、公式多、內(nèi)容多課程特點(diǎn)：概念多、公式多、內(nèi)容多課程要求：公式學(xué)會(huì)推導(dǎo)課程要求：公式學(xué)會(huì)推導(dǎo) 共建課堂共建課堂 作業(yè)獨(dú)立完成作業(yè)獨(dú)立完成 平時(shí)成績是期末成績的一部分平時(shí)成績是

2、期末成績的一部分聯(lián)系方式：聯(lián)系方式： 電話：電話： QQ QQ：5976947459769474 辦公室：明辨樓辦公室：明辨樓B525B525 第一章第一章 緒論緒論 1-1 傳熱學(xué)的研究對(duì)象和任務(wù)傳熱學(xué)的研究對(duì)象和任務(wù) 1-2 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式 1-3 復(fù)合換熱和傳熱過程簡介復(fù)合換熱和傳熱過程簡介 1-4 熱阻熱阻 研究：機(jī)理、規(guī)律、模型、實(shí)驗(yàn) 特點(diǎn)：實(shí)用性強(qiáng)、涉及面廣 本質(zhì)：溫差熱量傳遞的推動(dòng)力1、人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬、人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持天都保持20度，那么在冬天與夏天、人在房間里所度，那么在冬天與夏天、人在

3、房間里所穿衣服能否一樣？為什么？穿衣服能否一樣？為什么？2、夏天人在同樣溫度（如：、夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的度）的空氣和水中的感覺不一樣，為什么？感覺不一樣，為什么？3、暖氣片的設(shè)計(jì)。、暖氣片的設(shè)計(jì)。4、冰箱和電視機(jī)的放置。、冰箱和電視機(jī)的放置。1、蒸汽伴隨油氣集輸、蒸汽伴隨油氣集輸2、原油蒸餾裝置、原油蒸餾裝置3、石油開采中，預(yù)測井溫來指導(dǎo)泥漿處理劑的研制、石油開采中，預(yù)測井溫來指導(dǎo)泥漿處理劑的研制4、深井固井中，溫度是影響水泥漿稠化時(shí)間，流變、深井固井中，溫度是影響水泥漿稠化時(shí)間，流變性能、抗壓強(qiáng)度的主要因素性能、抗壓強(qiáng)度的主要因素5、用有桿泵對(duì)稠油井進(jìn)行干抽、用有桿泵

4、對(duì)稠油井進(jìn)行干抽這些例子表明：這些例子表明： 井下的溫度分布在石油鉆采方面十分井下的溫度分布在石油鉆采方面十分重要。重要。獲得井下溫度的方法：獲得井下溫度的方法： 1 1、直接測量、直接測量 2 2、通過計(jì)算進(jìn)行科學(xué)預(yù)測、通過計(jì)算進(jìn)行科學(xué)預(yù)測1、傳熱速率的大小及其控制問題（增強(qiáng)傳、傳熱速率的大小及其控制問題（增強(qiáng)傳熱、消弱傳熱）熱、消弱傳熱）2、溫度分布及其控制問題、溫度分布及其控制問題 熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射u 熱傳導(dǎo)的定義u 熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)熱傳導(dǎo)的特點(diǎn) 可發(fā)生在任何物質(zhì)（固體、液體、氣體）的任何地點(diǎn)?？砂l(fā)生在任何物質(zhì)（固體、液體、氣體）的任何地點(diǎn)。 傳熱形式：依靠分子、原子

5、以及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而傳遞傳熱形式：依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而傳遞微觀過程，不產(chǎn)生宏觀位移。微觀過程，不產(chǎn)生宏觀位移。 溫度不同的物體各部分之間或溫度不同的各物體之間直接接觸（沒有相對(duì)位移）時(shí)，依靠分子、原子或自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱量傳遞的現(xiàn)象。u 導(dǎo)熱機(jī)理導(dǎo)熱機(jī)理氣體：氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果氣體：氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果導(dǎo)電固體：主要依靠自由電子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電固體：主要依靠自由電子的運(yùn)動(dòng)非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)振動(dòng)非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)振動(dòng)液體：兼有氣體和固體導(dǎo)熱的機(jī)理液體：兼有氣體和固體導(dǎo)熱的機(jī)理14u 導(dǎo)熱量的計(jì)算導(dǎo)熱量的計(jì)算tf1Q

6、tw1tw2tf2 Q Q：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量WW：平壁兩側(cè)壁溫之差（）：熱導(dǎo)率：熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù))1822年，法國數(shù)學(xué)家年，法國數(shù)學(xué)家Fourier：A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2q：熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量：熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量W/m2：平壁的厚度：平壁的厚度m；w2w1ttt)(cmW/otAQtAQq 單位厚度(1m)、單位溫度差（1K）物體，在它的單位面積上(1m2)、每單位時(shí)間(1s)的導(dǎo)熱量(J)。C)(mW 導(dǎo)熱系數(shù)表示材料導(dǎo)熱能力大??；由實(shí)驗(yàn)確定。u熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)) (Therma

7、l conductivity)氣體液體非金屬固體金屬; )(398CmW純銅; )(6 . 0CmW水）（空氣CCmW20 )(026. 0tqtAQt = WRAttQA 導(dǎo)熱熱阻：與直流電路的歐姆定律 I=U/R 相似。 熱流量是單位時(shí)間傳遞的熱量；它體現(xiàn)了傳熱的速率或快慢 流體中有溫差流體中有溫差 熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo)熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo) 流體中(氣體或液體)溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)，冷熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。21() pQmcttWm u 對(duì)流換熱 對(duì)流換熱實(shí)例： 1)電子器件冷卻 2)取暖器 流換熱的特點(diǎn)： 對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，

8、也有導(dǎo)熱； 不是基本傳熱方式u 對(duì)流換熱量的基本計(jì)算式對(duì)流換熱量的基本計(jì)算式() WwfQA tt2() W m wfQqttA 熱流量 ，單位時(shí)間傳遞的熱量 W2mW 熱流密度2W (mC) 換熱系數(shù)換熱系數(shù)2mwtCftC ()wfQA ttC)(mW2 影響 因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等。（Convective heat transfer coefficient）u對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù) 不是物性參數(shù)。不是物性參數(shù)。 當(dāng)流體與壁面溫度相差當(dāng)流體與壁面溫度相差1時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量，是表征對(duì)流換熱強(qiáng)弱的物理量，過程時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱

9、量，是表征對(duì)流換熱強(qiáng)弱的物理量，過程量，與很多因素有關(guān)。量，與很多因素有關(guān)。 研究對(duì)流換熱的基本任務(wù)在于用理論分析或?qū)嶒?yàn)方法具體給出各種場合下計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)系式。 對(duì)流換熱熱阻對(duì)流換熱熱阻 1 ()ttQAR 1ttqr1 () RAC W21 rmC Wu熱輻射的定義熱輻射的定義 由于溫度的原因，物體轉(zhuǎn)化本身的熱力學(xué)能向由于溫度的原因，物體轉(zhuǎn)化本身的熱力學(xué)能向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象；凡物體都具有輻射能力。外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象；凡物體都具有輻射能力。u物體輻射能力的計(jì)算物體輻射能力的計(jì)算 物體的溫度越高、輻射能力越強(qiáng)；若物體的種類不同、物體的溫度越高、輻射能力越強(qiáng)；若物體的種類不同、表面狀況不

10、同，其輻射能力不同。表面狀況不同，其輻射能力不同。 黑體：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能的物體。黑體：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能的物體。 說明：黑體是一種理想物體，它的輻射能力只與溫度有關(guān)。說明：黑體是一種理想物體，它的輻射能力只與溫度有關(guān)。黑體的吸收本領(lǐng)和輻射本領(lǐng)在同溫度的物體中是最大的。黑體的吸收本領(lǐng)和輻射本領(lǐng)在同溫度的物體中是最大的。1、理想物體的輻射能力、理想物體的輻射能力 黑體在單位時(shí)間內(nèi)向外發(fā)出的輻射能，斯蒂芬黑體在單位時(shí)間內(nèi)向外發(fā)出的輻射能，斯蒂芬- -玻爾茲曼定律：玻爾茲曼定律：T KA2m 4WATQbb)/(1067. 5428KmWb2.實(shí)際物體熱輻射計(jì)算式實(shí)

11、際物體熱輻射計(jì)算式 一切實(shí)際物體輻射能力都小于同溫度下的黑體一切實(shí)際物體輻射能力都小于同溫度下的黑體 實(shí)際物體表面的發(fā)射率（黑度），實(shí)際物體表面的發(fā)射率（黑度），0-1；與物體；與物體 的種類、表面狀況和溫度有關(guān)。的種類、表面狀況和溫度有關(guān)。 4WATQbu輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞。輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞。輻射換熱的特征：輻射換熱的特征：n 不需要冷熱物體的直接接觸，即不需要介質(zhì)的存在，在真空中就不需要冷熱物體的直接接觸，即不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量，而且最有效。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱、熱對(duì)流的基可以傳遞能量，而且最有效。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱、熱對(duì)流的

12、基本特點(diǎn)；本特點(diǎn)；n無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量；總的效果是熱由高溫物體傳到低溫物體，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平的能量；總的效果是熱由高溫物體傳到低溫物體，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。衡。n在輻射換熱過程中伴隨著能量的轉(zhuǎn)移和能量形式的轉(zhuǎn)換，發(fā)射時(shí)在輻射換熱過程中伴隨著能量的轉(zhuǎn)移和能量形式的轉(zhuǎn)換，發(fā)射時(shí)從熱能轉(zhuǎn)換為輻射能，而被吸收時(shí)又從輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。從熱能轉(zhuǎn)換為輻射能，而被吸收時(shí)又從輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。T1T2Q

13、A)(4241WTTAQb1-3 1-3 復(fù)合換熱和傳熱過程復(fù)合換熱和傳熱過程 復(fù)合換熱復(fù)合換熱 對(duì)流輻射對(duì)流輻射 傳熱過程傳熱過程 熱熱流流體體冷冷流流體體固固體體間間壁壁Q式中式中 R折算輻射換熱系數(shù)，折算輻射換熱系數(shù)，W/(m ) 一、復(fù)合換熱一、復(fù)合換熱()()cRccwfRRwfQQQQA ttQA tt 當(dāng)固體壁面溫度為t w，周圍其它各固體表面與氣體具有同樣溫度tf，換熱面積為A，固體表面的總復(fù)合換熱量為：()()() ()()cRcwfRwfcRwftwfQQQA ttA ttA ttA tt越大，反之則越弱越大，反之則越弱tQkA t 從熱流體從熱流體tf1到壁面高溫側(cè)到壁面

14、高溫側(cè)tw1的換熱的換熱：)(111wfttAQ11111fwttRAQ12()/wwQAtt12wwttRAQ222()wfQAtt22221wfttRAQ12QQf1f212t - t111tQAAAAk12111k12121211ffkttRRRRAAAQ1-4 1-4 熱熱 阻阻123kttQRRRR熱電現(xiàn)象的比擬熱電現(xiàn)象的比擬 RUI/tQt R 表示成熱阻的形式表示成熱阻的形式 12111kRAkAAA12111krkktQAk tR 1、 2的計(jì)算方法及增加的計(jì)算方法及增加k值的措施是本課程的重要內(nèi)容值的措施是本課程的重要內(nèi)容tf2tf1tw1tw21 / ( A 1 1) /(

15、A )1 / ( A 2 2)Q 作業(yè)：作業(yè)：1-2，1-3，1-4，1-7，1-8溫差是熱量傳遞的推動(dòng)力溫差是熱量傳遞的推動(dòng)力There is no energy There is no energy flow between two flow between two objects at the same objects at the same temperature.temperature.Energy flows from Energy flows from hot objects to cold.hot objects to cold.分子、原子和自由電子的運(yùn)動(dòng)分子、原子和自由電子的

16、運(yùn)動(dòng)Conduction in gasConduction in gasConduction in MetalsConduction in MetalsConduction in Non-MetalsConduction in Non-MetalsMost houses have radiators to heat their rooms. Most houses have radiators to heat their rooms. This is a bad name for them - as they give off heat This is a bad name for them - as they give off heat mainly by convection! mainly by convection! The ceiling forces this air to circulate as shown, The ceiling forces this air to circulate as shown, warming the air around it. warming the air around it. Finally, when the air has cooled, it falls downwards, Finally, wh