1、傳 熱 學(xué),（Heat Transfer）,教材: 傳熱學(xué) 楊世銘、陶文銓編著，第四版,考核方法：平時(shí)成績(jī)20% （作業(yè)、出勤等) 期末考試: 80%,第一章 緒 論,1.1 概 述 (Introduction) 傳熱學(xué)是研究熱量傳遞過程規(guī)律的一門科學(xué)。具體來講主要有熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法。,熱量傳遞過程的驅(qū)動(dòng)力是溫差,一類是著眼于傳熱速率（rate of heat transfer）的大小及其控制 ：增強(qiáng)傳熱（如加熱與冷卻）或消弱傳熱（保溫）。,傳熱問題歸納起來分為兩大方面：,另一類是著眼于溫度分布及其控制: （distribution of temperature and i

2、ts control）,二、傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例,日常生活中的例子:空調(diào)、取暖器、燒水、盛有熱水的杯子放在冷水中冷卻。,工業(yè)上傳熱例子：（1）冶金工程和金屬材料工程中的金屬熔化、凝固過程的傳熱問題,鑄造、焊接過程中的熔化和凝固傳熱問題 .(2) 無機(jī)非材料工程中的陶瓷、玻璃等制造工程中傳熱問題 .(3)高分子材料工程中的塑料成型過程中傳熱問題 .,其他領(lǐng)域：原子能、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、生物醫(yī)學(xué)。,1.2 傳熱的基本方式 （Principal mode of heat transfer）,熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）heat conduction 熱對(duì)流 convection heat transfer 熱輻

3、射 radiation heat transfer,(1) 定義：導(dǎo)熱是指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體之間直接接觸，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。,(2）物質(zhì)的屬性：氣體、液體、金屬固體、非金屬固體,一、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)） Conduction,氣體:導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞結(jié)果。 金屬中，依靠自由電子的遷移傳遞熱量。 非金屬。依靠晶格的熱振動(dòng)波傳遞熱量. 液體，不十分清楚，估計(jì)類似非金屬。,(3）導(dǎo)熱的特點(diǎn)：,a 有溫差；,b 物體直接接觸；,c 微觀粒子(分子、原子及自由電子等)熱運(yùn)動(dòng)；,d 在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。,(4）

4、導(dǎo)熱的基本定律,兩壁面溫度為tw1, tw2的平板導(dǎo)熱. 對(duì)于x方向上任意一個(gè)厚度dx的微元層，根據(jù)傅立葉定律，單位時(shí)間內(nèi)通過該層的導(dǎo)熱熱量與當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓始捌桨宓拿娣eA成正比，,負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反,平壁導(dǎo)熱過程熱流量的基本公式,：熱流量（heat flux），單位時(shí)間通過某一給定面積的熱量， W q: 熱流密度或熱流通量，單位時(shí)間通過單位面積的熱流量，W/ m2 A: 壁面積，m2 : 壁厚，m t:兩壁面溫差（ttw1tw2， oC） :導(dǎo)熱系數(shù)或?qū)崧?，W/ mK.,(5) 導(dǎo)熱系數(shù),不同材料，值不同。,同一材料，值與溫度有關(guān)。氣體：t，液體：t， 金屬最高，t

5、， 非金屬（建材，隔熱保溫材料）t,(6）導(dǎo)熱熱阻（thermal resistance）,電流I電位差U / 電阻R 熱流量溫度差t / 熱阻Rt,平壁導(dǎo)熱熱阻 Rt/A K/ W Rt， Rt 1/A,二、對(duì)流（ convection heat transfer ）,定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間， 依靠流體的運(yùn)動(dòng)，把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。,對(duì)流過程中，有質(zhì)量m（kg/m2,s）的流體（液體和氣體）由溫度t1的地方流到t2處，對(duì)流傳遞的熱量:,q = m Cp(t1 - t2) W/ m2,Cp: 比熱(heat capacity at constant exter

6、nal pressure),(2) 對(duì)流換熱: 流體與固體壁面直接接觸時(shí)換熱,分類: 自然對(duì)流 natural convection 強(qiáng)迫對(duì)流 forced convection 相變換熱 phase transformation,特點(diǎn): a 導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程 b 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)； 也必須有溫差 c 壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層,(3）對(duì)流換熱基本公式,牛頓公式： h(tw - tf)A = htA (W) q = h(tw - tf) = ht W/m2,：熱流量W，單位時(shí)間傳遞的熱量，W q: 單位時(shí)間通過單位面積的熱流量，W/m2 tw :

7、 壁面溫度 oC tf: 流體溫度oC ttwtf 液體加熱 ttftw液體冷卻 h：表面換熱系數(shù)（convection heat transfer coefficient）,W/ m2,K.,換熱系數(shù)意義：1 m2壁面上，當(dāng)流體同壁之間的溫度差為 1oC時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量。h大小反映對(duì)流換熱過 程的強(qiáng)弱。,影響h因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等,（4）對(duì)流換熱熱阻 t/Rt = t/(1/hA) W Rt = 1/ hA K/ W,三、熱輻射 (Thermal radiation),(1) 定義：熱輻射是依靠物體對(duì)外發(fā)射電磁波來傳遞熱量。,輻射換熱過程: 輻射和吸收,(2）熱輻射

8、特點(diǎn),是一種動(dòng)態(tài)的傳遞過程。,若兩物體間的溫度相相互輻射的能量相等，即輻射換熱量為零，但它們間的輻射和吸收仍再不斷地進(jìn)行。,不需介質(zhì)，且在真空中最有效。,在熱量傳遞過程中，伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。 內(nèi)能輻射能內(nèi)能,(3）熱輻射基本公式,斯蒂芬玻爾茲曼定律（Stefan- Boltzmans Law） 計(jì)算黑體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱輻射熱量, AbT4 W,b:黑體輻射系數(shù)（black body radiation heat transfer coefficient）， 5.67x10-8 W/m2 ,K4 T: 絕對(duì)溫度，K A：表面積， m2,實(shí)際物體熱輻射熱流量計(jì)算, AbT4 W,：黑度（物體

9、的發(fā)射率）1,它與物體的種類及表面有關(guān)，,兩黑體表面間的輻射換熱,四、實(shí)際傳熱過程,熱由室內(nèi)空氣以對(duì)流換熱和物體間的輻射換熱方式傳給墻內(nèi)表面。 由墻內(nèi)表面以固體導(dǎo)熱方式傳導(dǎo)墻外表面 由墻外表面以空氣對(duì)流換熱和物體間的輻射換熱方式把熱傳給室外環(huán)境。,鉻磚：,硅藻土磚：,討論：由計(jì)算可見， 由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別， 導(dǎo)致在相同的條件下通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。 因而，銅是熱的良導(dǎo)體， 而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用,銅：,鋼：,例2.一根水平放置的蒸汽管道， 其保溫層外徑d=583 mm，外表面實(shí)測(cè)平均溫度及空氣溫度分別為 ，此時(shí)空氣與管道外表面間的自然對(duì)流換

10、熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42 W /(m2 K), 保溫層外表面的發(fā)射率,問：（1） 此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式； （2）計(jì)算每米長(zhǎng)度管道的總散熱量。,解： （1）此管道的散熱有輻射換熱和自然對(duì)流換熱兩種方式。 （2）把管道每米長(zhǎng)度上的散熱量記為,1.3 基本概念(Basic concepts),一、溫度場(chǎng) (temperature field),溫度場(chǎng):某一瞬時(shí)空間（或物體內(nèi)）所有各點(diǎn)的溫度分布的總稱，它是一個(gè)標(biāo)量。,t = f (x, y, z,)，,三維非穩(wěn)態(tài)（Transientstate），,三維穩(wěn)態(tài)（Steady-state）,，,二維或一維穩(wěn)態(tài),，,，,二、等溫面和等溫線 （isotherms plane/ line）,等溫面：同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)連接所構(gòu)成的面。,等溫線: 不同的等溫面與同一平面相交的交線。,特點(diǎn)： 1. 溫度不同的等溫面不會(huì)相交 2. 等溫面上不會(huì)有熱流（即熱量傳遞）,三溫度梯度（temperature gradient）,溫度梯度：沿等溫面（線）法線方向上的溫度變化率，記gradt。它是一個(gè)向量（vector），正向朝著溫度增加的方向。, t, 分別為三條溫度依次升高的等溫線，,法線方向單位矢量,溫度在法線方向的導(dǎo)數(shù),熱流沿著與溫度梯度相反的方向流動(dòng),溫度梯度在空間直角坐標(biāo)系中的三個(gè)分量等于其相應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù),i, j. k