传热学第一章 (2).ppt

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1、第一章 绪论第一节 传热学的研究对象和任务一、研究对象：二、传热学与工程热力学的比较：同属工程热物理学科同属工程热物理学科，热量传递是自然界和工程技术中常见的现象 在船舶轮机工程中应用广泛在船舶轮机工程中应用广泛 两者从不同的角度研究了热物理现象的客观规律热量传递规律热量传递规律 第一章 绪论 第一节 传热学的研究对象和任务工程热力学工程热力学主要从宏观角度出发，二、传热学与工程热力学的比较：传热学传热学同时从宏观角度和微观角度出发，传热学研究的中心课题：中心课题：研究热力学平衡态平衡态和可逆过程（可逆过程（T0T0）的 热功转换规律。研究热力学非平衡态非平衡态和不可逆过程（不可逆过程（T T

2、明显）明显）的 热传递规律。传热速率传热速率、温度场温度场t=t=f(x,y,zf(x,y,z,)和传热时间传热时间 单位分别为W、s第一章 绪论第一节 传热学的研究对象和任务二、传热学与工程热力学的比较：例如例如:图1-150020 传热学传热学非平衡态不可逆过程 热传递规律 传热速率传热速率 温度场温度场t=ft=f（x x，y y，z z，）传热时间传热时间 工程热力学工程热力学平衡态可逆过程 热功转换规律 平衡温度平衡温度T T 传热量传热量Q Q第一章 绪论第一节 传热学的研究对象和任务三、稳态热传递过程和非稳态热传递过程稳态热传递过程：稳态热传递过程：非稳态热传递过程：非稳态热传递

3、过程：温度分布不随时间而变 温度分布随时间而变（稳定工况运行）（起动、停机、变工况运行）第一章 绪论第一节 传热学的研究对象和任务四、任务：改善设备运行改善设备运行增强传热增强传热削弱传热削弱传热1 1、计算热流量、计算热流量现象判断现象判断温度控制温度控制其他计算其他计算2 2、确定温度分布、确定温度分布解决实际问题解决实际问题节约能源节约能源保护环境保护环境第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式一、热传导（简称导热）（P2）当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，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传递现象。1 1、定义：、定义：2 2、特点：、特点：纯导热各部分

4、之间无宏观的相对位移；无能量形式的变化；可以在固体、液体和气体中发生。（2 2）固体：）固体：导体：导体：自由电子迁移+晶体结构振动非导体：非导体：晶格结构振动（1 1）气体：）气体：（3 3）液体：）液体：3 3、机理：、机理：第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式一、热传导（简称导热）（P2）分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动气体分子相互碰撞。机理复杂，尚无定论。4 4、计算公式、计算公式（以单层大平壁稳态导热为例）和热流密度和热流密度（1 1）热流量）热流量热流量热流量是指单位时间内通过某一给定面积（A）的热量，记为，单位为W；第一章 绪论第

5、二节 热量传递的三种基本方式一、热传导（简称导热）（P2）热流密度热流密度又称面积热流量面积热流量，是指单位时间内通过单位面积的 热量，记为q，单位为W/m2；热流量和热流密度反映了热量传递的快慢程度。热流量和热流密度反映了热量传递的快慢程度。在稳态稳态热传递过程中，它们的数值保持不变数值保持不变：称为热导率热导率或导热系数导热系数，是表征材料导表征材料导热能力大小的物性参数热能力大小的物性参数，单位为W/(m.K)（2 2）FourierFourier公式公式图1-2 平壁一维稳态导热第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式一、热传导（简称导热）（P2）二、热对流（简称对流）由于流体中温度

6、不同的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。热对流热对流只能发生在流体中，必然伴随有导热现象第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式1 1、定义：（、定义：（P P2 2）（1 1）热对流：）热对流：是热量传递的基本方式之一基本方式之一，但工程中很少单独存在很少单独存在二、热对流（简称对流）流动着的流体与所接触的物体表面之间的热量传递过程，称为表面对流传热表面对流传热，简称对流传热对流传热，习惯上称为对流换热对流换热。第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式1 1、定义：（、定义：（P P2 2）（2 2）对流传热：）对流传热：既有流体分子间的微观导热导热，又有流体

7、宏观位移的热对流热对流。同时受热量传递规律和流体流动规律的支配。是换热的基本过程之一基本过程之一，工程应用十分广泛应用十分广泛。2 2、特点：、特点：3 3、机理：、机理：第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式与流动状况有关；分子的随机热运动和边界层内的成团运动。流体各部分之间有宏观相对位移；无能量形式变化；包括边界层中的导热和主流中的对流。4 4、计算公式（、计算公式（NewtonNewton冷却公式）（冷却公式）（P P3 3）h hc c称为表面对流传热系数表面对流传热系数，简称对流传热系数对流传热系数或对流换热系数对流换热系数 是表征对流传热强弱的非物性参数是表征对流传热强弱的非物

8、性参数，W/（m2.K）。图1-3第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式 t=|t=|t tw wt tf f|,|,【以等温流体外掠水平大平壁为例】三、热辐射（简称辐射）物体中分子或原子受到激发而以电磁波的方式传递能量的过程称为辐射辐射。被传递的能量称为辐射能辐射能。物体会因各种原因产生辐射，其中由于自身温度或热的原因而产生的辐射称为热辐射热辐射。1 1、定义：（、定义：（P P3 3）第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式（1 1）辐射：）辐射：（2 2）热辐射：）热辐射：换句话说，热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。温度高于0K的所有物体都在不断地将自身

9、的热能转换为辐射 能向外发出热辐射。第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式三、热辐射（简称辐射）1 1、定义：（、定义：（P P3 3）（2 2）热辐射：）热辐射：同时亦不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能转变成热能（热力学能）。因此说热辐射是物体的固有特性是物体的固有特性，是热传递基本方式之一基本方式之一。物体之间相互发射和吸收辐射的综合效果就造成了物体间以热辐射方式进行的热量传递，称为表面辐射传热表面辐射传热，简称辐射辐射传热传热，习惯上称为辐射换热辐射换热。第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式三、热辐射（简称辐射）1 1、定义：（、定义：（P P3 3）（3

10、 3）辐射传热：）辐射传热：第七章 辐射传热第一节 基本概念（1 1）辐射传热是非接触传热。）辐射传热是非接触传热。（2 2）辐射传热过程伴随着能量形式的两次转化，即：）辐射传热过程伴随着能量形式的两次转化，即：发射时：热力学能发射时：热力学能辐射能辐射能吸收时：辐射能吸收时：辐射能热力学能热力学能导热和对流传热都必须由冷热物体直接接触 或通过中间介质相接触才能进行；而辐射传热不依靠物质的接触而进行热量传递，辐射传热不依靠物质的接触而进行热量传递，且以光速传递，在真空中最为有效。且以光速传递，在真空中最为有效。三、热辐射（简称辐射）2 2、特点：、特点：第七章 辐射传热第一节 基本概念（3 3

11、）热辐射是物质的固有特性。）热辐射是物质的固有特性。（4 4）温差对辐射传热的影响更明显。）温差对辐射传热的影响更明显。导热和对流传热：导热和对流传热：tt辐射传热：辐射传热：（T T4 4）物体间有温差时：高温物体将热量传给低温物体。物体间有温差时：高温物体将热量传给低温物体。物体温度相同时：物体温度相同时：物体辐射出去与吸收进来的能量相等，处于动平衡状态，辐射传热量为零处于动平衡状态，辐射传热量为零。三、热辐射（简称辐射）2 2、特点：、特点：4 4、计算公式：、计算公式：又称绝对黑体绝对黑体，是能全部吸收外来辐射的理想物体，在同一温度下，其热辐射能力最强。（1 1）热辐射公式：）热辐射公

12、式：第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式三、热辐射（简称辐射）黑体：黑体：3 3、机理：、机理：电子在原子核外轨道上发生跃迁，即电子排列位置的改变电子排列位置的改变而造成，靠电磁波传输。4 4、计算公式：、计算公式：斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律（俗称温度四次方定律）（玻耳兹曼定律（俗称温度四次方定律）（P P3 3）实际物体实际物体黑体黑体第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式(实际物体实际物体)（黑体）（黑体）称为斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量或黑体辐射常数黑体辐射常数，=5.6710=5.6710-8-8 W/(m W/(m2 2.K.K4 4)。称为该物体的发射率发射率（

13、习惯上称为黑度黑度），表示物体辐射能力接近黑体的程度（1 1）热辐射公式：）热辐射公式：4 4、计算公式：、计算公式：（2 2）辐射传热公式：（）辐射传热公式：（P P3 3）第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式 辐射传热热流量必须同时考虑物体的发射和吸收，即要算收支总账。一非凹小物体一非凹小物体A A1 1与外围大空腔之间与外围大空腔之间的辐射传热热流量为：两个面积均为A的平行近距放置的黑体表面间平行近距放置的黑体表面间的辐射传热：r r=AA（T T1 14 4T T2 24 4）r r=1 1AA1 1（T T1 14 4T T2 24 4）4 4、计算公式：、计算公式：表面辐射传

14、热系数表面辐射传热系数表面对流传热系数表面对流传热系数单位单位W/(mW/(m2.2.K)K)第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式 工程实际中，一个物体表面常常既有对流传热又有辐射传热，这种对流与辐射同时存在的复合传热对流与辐射同时存在的复合传热现象称为表面传热。（3 3）表面传热系数）表面传热系数h h（P P3 3）表面传热：表面传热：表面传热系数：表面传热系数：对于辐射传热与对流传热互不干扰的表面传热辐射传热与对流传热互不干扰的表面传热，总热流量应为辐射传热量r与对流传热量c之和，即：=r r+c c=h hr rA At+ht+hc cA At=(t=(h hr r+h+hc c

15、)A)At=t=hAhAt t表面传热系数：表面传热系数：工程实际问题：工程实际问题：图1-4第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式 要进行传热计算首先要学会传热分析首先要学会传热分析，分析一个复杂的实际热量传递过程由哪些串联环节串联环节组成，以及在同一环节中有哪些热量传递方式并联地起作用，并能分清主次能分清主次，这是求解实际热量传递问题的基本功。如水冷式柴油机气缸和冷凝器：如水冷式柴油机气缸和冷凝器：例例1-1 1-1 一块厚度=50mm的大平板，两侧表面温度分别为tw1=200和tw2=100，试求不同材料时的导热热流密度：第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式（1）=389W/(

16、mK)的铜材；（3）=0.13W/(mK)的石棉；（2）=46W/(mK)的钢材；解：解：由公式（1 1）可计算（2 2）（3 3）计算结果表明：铜是热的良导体，计算结果表明：铜是热的良导体，而石棉则可起到一定的隔热保温作用。而石棉则可起到一定的隔热保温作用。W/mW/m2 2W/mW/m2 2W/mW/m2 2第一章 绪论第二节 热量传递的三种基本方式例例1-21-2 直径为150mm的蒸汽管道有12m的长度通过机舱，机舱温度为30，管道外壁面温度为60，发射率为0.9，与周围空气间的对流传热系数为6W/(m2K)，试分别计算蒸汽管道在机舱内的对流散热量、辐射散热量和总散热量。第一章 绪论第

17、二节 热量传递的三种基本方式解：管道对流散热量为解：管道对流散热量为 第一章 绪论总散热量为总散热量为第二节 热量传递的三种基本方式管道辐射散热量为管道辐射散热量为 计算结果表明，管道表面温度不高，其辐射散热量与对流计算结果表明，管道表面温度不高，其辐射散热量与对流散热量具有相同的数量级，必须同时予以考虑。散热量具有相同的数量级，必须同时予以考虑。第一章 绪论例例1-31-3 某钢板的发射率为0.8，表面温度等于室温为27，试计算钢板的辐射热流密度。此时，钢板与环境之间的辐射传热热流密度又为多少？解：解：钢板的辐射热流密度为：W/mW/m2 2 此时钢板与环境温度相同，处于动态平衡，因此辐射传

18、热此时钢板与环境温度相同，处于动态平衡，因此辐射传热热流密度为零。热流密度为零。第二节 热量传递的三种基本方式第一章 绪论 总传热过程总传热过程是指高温流体通过固体壁把热量传给另一侧低温流体的热量传递过程，简称传热过程传热过程。第三节 总传热过程一、定义（P5）热量通过固体壁纯属导热，而流体与壁面之间则是对流传热（对于液体），或者是对流传热与辐射传热的复合传热（对于气体），因此:总传热过程工程应用十分广泛。总传热过程工程应用十分广泛。传热过程通常包括两种或三种热传递的基本方式传热过程通常包括两种或三种热传递的基本方式图1-5 传热过程的剖析第一章 绪论第三节 总传热过程二、计算公式及其推导过程

19、以通过单层大平壁的一维稳态传热过程为例，如图1-5所示：1 1、总传热过程包括串联着的三个环节：、总传热过程包括串联着的三个环节：第一章 绪论第三节 总传热过程（1 1）（t tf1f1t tw1w1）:（2 2）（t tw1w1t tw2w2）:（3 3）（t tw2w2t tf2f2）:由于稳态，通过各环节的热流量相同，即=h=h1 1A A（t tf1f1t tw1w1）=h=h2 2A A（t tw2w2t tf2f2）解上述方程组，消去tw1、tw2,整理后即可得到传热方程式对流传热或复合传热对流传热或复合传热纯导热纯导热对流传热或复合传热对流传热或复合传热2 2、传热方程式：、传热

20、方程式：第一章 绪论第三节 总传热过程 K K称为总传热系数总传热系数，简称传热系数传热系数，详见后述。3 3、总传热系数、总传热系数K K第一章 绪论第三节 总传热过程 K K称为总传热系数总传热系数，简称传热系数传热系数，单位为W/(m2K)，是表征传热过程强弱的非物性参数表征传热过程强弱的非物性参数，也是衡量换热器性能优劣的衡量换热器性能优劣的重要参数重要参数。由上述公式可得平壁一维稳态传热平壁一维稳态传热过程的传热系数为：原则上采用Fourier公式或Newton冷却公式即可进行总传热过 程热流量的计算；第一章 绪论第三节 总传热过程4 4、说明：、说明：但工程实际中，壁面温度往往是未

21、知的，准确测量又非常困难而传热方程式中不含有壁温，只有冷、热流体的温度，工程 上流体温度往往是已知的或可测量的，因此，直接用传热方 程式计算比较方便。解：解：按式例例1-41-4 某船润滑油冷却器的润滑油进出口平均温度为50，冷却海水的进出口平均温度为30，冷却器的传热面积为30m2，若已知传热系数K为150 W/(m2K)，求热流量。可得传热热流量为：第一章 绪论第三节 总传热过程第一章 绪论一、概念 许多物理现象都有类似之处，研究时可互相借鉴，热量传递与电量传递的类比热量传递与电量传递的类比如下表和图1-6所示，其共同规律共同规律为：第四节 热阻 过程中的转移量过程中的转移量 =过程的动力

22、过程的动力 过程的阻力过程的阻力 第一章 绪论第四节 热阻图1-6 热传递与导电的类比项目项目导电导电热传递热传递过程动力过程动力电位差电位差U U温差温差t t过程阻力过程阻力电阻电阻R R热阻热阻R R过程的转移量过程的转移量电流电流I I热流量热流量 一、概念对于电系统有：对于热系统则有：或热阻（按总面积计），K/W面积热阻（按单位面积计），（m2.K)/W 可见，热阻是热量传递过程的阻力热阻是热量传递过程的阻力。下表列出了平壁导热、对流传热、辐射传热、表面传热、平壁总传热的热阻和温差。第一章 绪论第四节 热阻两者之间的关系为：r=Rr=RA A 项目项目过程过程计算公式计算公式 热阻热

23、阻,R:K/W,R:K/W r:r:（m m2 2.K)/W.K)/W温差温差t t平壁导热平壁导热对流传热对流传热第一章 绪论第四节 热阻 项目项目过程过程计算公式计算公式 热阻热阻,R:K/W,R:K/W r:r:（m m2 2.K)/W.K)/W温差温差t t辐射传热辐射传热表面传热表面传热平壁总传热平壁总传热第一章 绪论第四节 热阻二、热阻分析方法1、稳态时，可仿效电路仿效电路，将热传递现象表示为“热路热路”（又（又称称“热阻网络热阻网络”），），然后按照并、串联电路电阻的计算公式求求出出热传递过程的总热阻总热阻，再代入或即可得出热流量或热流密度。因此说：热阻概念的建立对热传递过程的分

24、析计算带来很大的便利热阻概念的建立对热传递过程的分析计算带来很大的便利第一章 绪论第四节 热阻例如，例如，平壁一维稳态传热包括串联着的三个环节：图1-7 平壁传热的热阻网络（1 1）其）其“热路热路”如图如图1-71-7所示：所示：第一章 绪论第四节 热阻（2 2）总热阻等于三个串联环节分热阻之和：）总热阻等于三个串联环节分热阻之和：（3 3）热流量或热流密度：）热流量或热流密度：第四节 热阻第一章 绪论2、稳态时，在热流方向上任一段的热阻的大小与该段相应温度差成正比，比值即为热流量或热流密度比值即为热流量或热流密度。第一章 绪论第四节 热阻据此，即可直观地从温度分布情况判断物体内部各部分热阻

25、的大小比例，又可计算界面温度或物体内的温度分布。还以平壁稳态传热过程为例，显然有：若已求得热流密度，则壁面温度和可按下式计算：第一章 绪论第四节 热阻例如：例如：一个双层大平壁中温度分布如图1-8所示，问哪一层的 导热系数较大？图1-8温差明显有：所以热阻有：又 第一章 绪论第四节 热阻3、稳态串联热路上：第一章 绪论第四节 热阻减小总热阻可以增强热传递，减小总热阻可以增强热传递，并且减小最大项分热阻最有效；并且减小最大项分热阻最有效；增大总热阻则可以削弱热传递。增大总热阻则可以削弱热传递。第一章 绪论第四节 热阻例例1-51-5 对一台氟利昂冷凝器的传热过程作初步测算得到以下数据：管内水侧表

26、面传热系数h1=8700W/(m2K)，管外氟利昂蒸汽凝结时的表面传热系数h2=1800W/(m2K)，换热管子材料为铜，壁厚=1.5mm，热导率=383W/(mK)。试计算三个环节的分热阻及冷凝器传热的总热阻、总传热系数；欲增强传热应从哪个环节入手？分析时可把圆管当成平壁处理。管内水侧：管内水侧：(m(m2 2K)/WK)/W管壁导热：管壁导热：(m(m2 2K)/WK)/W管外蒸汽侧：管外蒸汽侧：(m(m2 2K)/WK)/W第一章 绪论第四节 热阻各环节的面积热阻依次为：解：解：则冷凝器传热的总热阻为：第一章 绪论第四节 热阻(m(m2 2K)/WK)/W于是冷凝器的总传热系数为：W/(mW/(m2 2K)K)显然，蒸汽侧热阻在总热阻中占主要地位，具有改变总热阻的最大潜力，因此，要增强冷凝器的传热，应先从氟利昂蒸汽凝结这一环节入手。第一章 绪论 本章思考题、习题1、传热学和工程热力学研究热现象时有何异同？2、试用简洁的语言说明导热、对流传热和辐射传热之 间的区别与联系。3、试指出热导率、表面传热系数h及总传热系数K的 区别。4、引入传热方程式有何工程实用意义？习题：习题：（1-2）、（1-5）、（1-7）、（1-11）。思考题：思考题：