1A第一章 绪论.ppt

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1、Shanghai Jiao Tong University缪正清缪正清 上海交通大学上海交通大学2012.2.2012.2.传热传质学传热传质学Shanghai Jiao Tong University第一章、绪论第一章、绪论1.1 1.1 1.1 1.1 传热学的传热学的传热学的传热学的研究对象研究对象研究对象研究对象(应用对象、应用领域应用对象、应用领域应用对象、应用领域应用对象、应用领域)1.2 1.2 1.2 1.2 热量传递热量传递热量传递热量传递(传热传热传热传热)的三种基本方式的三种基本方式的三种基本方式的三种基本方式(研究内容研究内容研究内容研究内容)1.3 1.3 1.3 1

2、.3 传热过程与传热系数传热过程与传热系数传热过程与传热系数传热过程与传热系数1.4 1.4 1.4 1.4 单位制单位制单位制单位制1.5 1.5 1.5 1.5 传热学的传热学的传热学的传热学的研究方法研究方法研究方法研究方法Shanghai Jiao Tong University1.11.1传热学的传热学的研究对象研究对象(应用对象、应用领域应用对象、应用领域)（1 1）传热学的应用对象）传热学的应用对象 所有存在温差，需要确定温度或者温度分布，热量传递的各所有存在温差，需要确定温度或者温度分布，热量传递的各个领域的问题都是传热学研究的对象。个领域的问题都是传热学研究的对象。（2 2）

3、传热学的应用领域（）传热学的应用领域（到哪里去应用理论，到哪到哪里去应用理论，到哪到哪里去应用理论，到哪到哪里去应用理论，到哪里去寻找新的传热学难题？里去寻找新的传热学难题？里去寻找新的传热学难题？里去寻找新的传热学难题？）能源、化工、冶金、动力机械、制冷、建筑、机械制造、农能源、化工、冶金、动力机械、制冷、建筑、机械制造、农业、环境控制与保护等工农业领域。业、环境控制与保护等工农业领域。电子、航天、航空、原子能核电站等高科技领域。电子、航天、航空、原子能核电站等高科技领域。生命科学领域。生命科学领域。这些领域有大量的工程传热问题需要解决。这些领域有大量的工程传热问题需要解决。Shanghai

4、 Jiao Tong University （3 3）传热学与兄弟学科的联系与区别）传热学与兄弟学科的联系与区别流流体体力力学学、工工程程热热力力学学与与传传热热学学组组成成了了热热工工类类各各专专业业的的三三大大技术基础课（支柱课程）。技术基础课（支柱课程）。流体力学研究流体力学研究流体运动规律流体运动规律。流体属性：流体属性：理想流体，粘性流体；理想流体，粘性流体；研究方法：研究方法：拉格朗日法，欧拉法；拉格朗日法，欧拉法；理想流体运动学概念：理想流体运动学概念：流线、流管；伯努里方程式。流线、流管；伯努里方程式。实际流体动力学概念：实际流体动力学概念：普朗特边界层；层流与湍流；普朗特边界

5、层；层流与湍流；N-S方程式方程式 常见工程流动：常见工程流动：外流：外流：复杂组合射流（直流与旋转流）；集箱并联管组；复杂组合射流（直流与旋转流）；集箱并联管组；内流：内流：压缩机、风机、内燃机、汽轮机内的复杂流动压缩机、风机、内燃机、汽轮机内的复杂流动 Shanghai Jiao Tong University （3 3）传热学与兄弟学科的联系与区别）传热学与兄弟学科的联系与区别(续续)工程热力学研究工程热力学研究热能与机械能相互转换的规律热能与机械能相互转换的规律。研究内容：研究内容：热力系统循环中热能与机械能相互转换的规律。热力系统循环中热能与机械能相互转换的规律。研究方法：研究方法：

6、理想化：系统理想化：系统简单可压缩系统简单可压缩系统 对系统经历循环的处理：状态对系统经历循环的处理：状态过程过程循环。循环。状态分析法：状态方程式，状态分析法：状态方程式，过程分析法：针对状态的变化过程分析法：针对状态的变化准静态过程，准静态过程，通通过过对对系系统统状状态态的的变变化化研研究究系系统统与与外外界界的的热热功功交交换换的的条件是：可逆过程条件是：可逆过程 热力学第一、第二定律的应用热力学第一、第二定律的应用 Shanghai Jiao Tong University（4 4）传热学与专业课程之间的关系）传热学与专业课程之间的关系火力发电工程火力发电工程(锅炉、汽轮机、发电机锅

7、炉、汽轮机、发电机)动力机械（泵、风机、压缩机）动力机械（泵、风机、压缩机）低温、制冷工程低温、制冷工程汽车工程汽车工程(内燃机内燃机)航天、航空工程航天、航空工程Shanghai Jiao Tong University 1.2 1.2 传热学的研究内容传热学的研究内容传热学研究热量传递与温度分布的规律。传热的基本方式：传热的基本方式：导热对流辐射过程两类基本的传热过程：两类基本的传热过程：稳态传热过程非稳态传热过程Shanghai Jiao Tong University传热研究中的基本假定传热研究中的基本假定:连续介质假设：所取的微元尺寸远大于分子平均自由程。连续介质假设：所取的微元尺寸

8、远大于分子平均自由程。连连续续介介质质假假设设是是微微积积分分方方法法这这一一自自然然科科学学研研究究的的强强有有力力工工具具应用的前提条件。应用的前提条件。传热研究中的内容传热研究中的内容:研究物体的温度场以及传热计算研究物体的温度场以及传热计算(热量传递热量传递)的方法。的方法。传热研究的目的传热研究的目的:增增强强或或削削弱弱传传热热，以以便便节节省省能能源源消消耗耗或或节节省省金金属属材材料料，提提高高设备性能和降低成本。设备性能和降低成本。确定高温部件内温度分布和温度控制，保证运行安全。确定高温部件内温度分布和温度控制，保证运行安全。Shanghai Jiao Tong Univer

9、sity 热量传递热量传递(传热传热)的三种基本方式的三种基本方式 三种传热方式它们可以独立存在，但往往以复合形式出现。三种传热方式它们可以独立存在，但往往以复合形式出现。1.1.导热导热定定义义：物物体体各各部部分分之之间间不不发发生生相相对对位位移移，依依靠靠分分子子、原原子子及及自自由由电电子子等等微微观观粒粒子子的的热热运运动动而而产产生生的的热热量量传传递。递。另另一一定定义义：导导热热指指相相互互接接触触而而温温度度不不同同的的物物体体之之间间，或或同同一一物物体体温温度度不不同同的的各各部部分分之之间间，由由于于微微观观粒粒子子的的热运动而引起的热传递现象。热运动而引起的热传递现

10、象。特点：特点：存在温差存在温差无宏观运动无宏观运动发生在连续介质之间发生在连续介质之间只发生能量传递，能量形式只发生能量传递，能量形式(热能热能)保持不变保持不变.Shanghai Jiao Tong University一般表现形式：一般表现形式：发发生生于于固固体体，或或静静止止不不动动的的流流体体（液液体体或或气气体体）内内。严严格格说说来来，纯纯粹粹的的导导热热只只发发生生在在不不透透明明的的物物体体中中（这样就排除了另一种传热方式（这样就排除了另一种传热方式热辐射）。热辐射）。微观机理：微观机理：气体中：气体中：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分子不规则热运动时相互碰撞的

11、结果。导电液体中，导电液体中，自由电子在晶格间象气体分子那样运动。自由电子在晶格间象气体分子那样运动。非非导导电电固固体体中中，是是通通过过晶晶格格结结构构的的振振动动，即即原原子子、分分子子在其平衡位置附近的振动来实现的。在其平衡位置附近的振动来实现的。液体中导热：观点尚未一致。液体中导热：观点尚未一致。一一种种观观点点认认为为：定定性性上上类类似似于于气气体体，只只是是因因分分子子间间距距离离更更近近，分分子子之之间间作作用用力力对对于于碰碰撞撞过过程程的的影影响响远远大大于于气气体体；另另一一种种观观点点认认为为：类类似似于于非非导导电电固固体体，主主要要靠弹性波作用。靠弹性波作用。Sh

12、anghai Jiao Tong University导热的宏观数学描述导热的宏观数学描述:由法国数学家由法国数学家FourierFourier于于18221822年提出：年提出：一维稳态导热：一维稳态导热：图图1.一维稳态导热图一维稳态导热图(W)Shanghai Jiao Tong University热流密度：热流密度：Shanghai Jiao Tong University2 2对流换热对流换热定定义义：指指运运动动着着的的流流体体与与不不同同温温度度的的固固体体表表面面接接触触时时，两两者者之间的热传递过程。之间的热传递过程。在在运运动动的的流流体体中中，由由各各部部分分的的相相对

13、对位位移移，使使冷冷热热流流体体直直接接相相互互掺掺混混引引起起的的传传热热属属于于纯纯粹粹的的对对流流，事事实实上上，相相邻邻层层的的流流体体接接触触时时也也发发生生导导热热，尤尤其其是是当当流流体体靠靠近近壁壁面面时时，发发生生在在层层流流底底层层的的传传热热即即为为导导热热方方式式，因因此此，流流体体与与壁壁面面的的换换热热为为对流与导热综合作用的结果。对流与导热综合作用的结果。对流换热的分类：对流换热的分类：自然对流自然对流强制对流强制对流 沸腾换热：液沸腾换热：液 汽汽相变换热相变换热 凝结换热：汽凝结换热：汽 液液Shanghai Jiao Tong University液体与固体

14、表面之间的对流换热基本计算式：液体与固体表面之间的对流换热基本计算式：英国科学家英国科学家NewtonNewton 于于17011701年提出了年提出了冷却公式冷却公式：液体被加热时：液体被加热时：液体被冷却时：液体被冷却时：式中，式中，为对流换热系数，为对流换热系数，W/(m2.K)(物性，表面形状与布置，流速，换热类型物性，表面形状与布置，流速，换热类型)物性包括：物性包括：等。等。对对流流换换热热系系数数 通通过过理理论论分分析析与与实实验验确确定定。是是本本学学科科研研究究的的主要内容之一。主要内容之一。Shanghai Jiao Tong University3 3辐射换热辐射换热定

15、义：定义：物物体体通通过过电电磁磁波波来来传传递递能能量量的的方方式式叫叫做做辐辐射射。物物体体可可因因各各种种原原因因发发出出辐辐射射能能。其其中中因因受受热热而而向向外外界界发发射射辐辐射射能能的的现现象称为热辐射。象称为热辐射。传传热热学学中中的的辐辐射射是是指指物物体体将将其其热热能能转转化化为为电电磁磁波波来来传传递递热量的过程。热量的过程。辐射换热辐射换热:自自然然界界中中的的各各个个物物体体都都不不定定地地向向空空间间发发出出辐辐射射能能，同同时时又又不不断断地地吸吸受受其其它它物物体体发发出出的的热热辐辐射射。以以辐辐射射和和吸吸收收过过程程进进行的物体间的热量传递就叫做辐射传

16、热。行的物体间的热量传递就叫做辐射传热。Shanghai Jiao Tong University辐射换热的特点辐射换热的特点:动态平衡：动态平衡：当固体与周围环境之间只有辐射换热，当固体与周围环境之间只有辐射换热，而换热量等于零时，辐射和吸收过程处于动态平而换热量等于零时，辐射和吸收过程处于动态平衡，即，辐射和吸收过程仍在进行；衡，即，辐射和吸收过程仍在进行；热辐射热辐射可以在可以在无介质的无介质的真空中传播真空中传播，相比之下，相比之下，导热和对流就离不开物质的存在。导热和对流就离不开物质的存在。能量交换过程中，伴随能量交换过程中，伴随能量形式能量形式的的转换转换：Shanghai Jia

17、o Tong University辐射能的计算辐射能的计算:黑体辐射：黑体辐射：实实验验表表明明，物物体体的的辐辐射射能能力力与与温温度度有有关关，同同时时，同同一一温温度度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。黑体是同温下，具有最大辐射和吸收本领的抽象物体。黑体是同温下，具有最大辐射和吸收本领的抽象物体。黑黑体体辐辐射射18791879年年由由奥奥地地利利科科学学家家StefanStefan通通过过实实验验发发现现，而而后后于于18841884年年由由BoltzmanBoltzman用用理理论论方方法法导导出出，称称为为Stefan-Stefan-Bol

18、tzmanBoltzman定律定律 （W）式中：式中：黑体绝对温度，黑体绝对温度，K K;黑体辐射常数（黑体辐射常数（Stefan-Stefan-BoltzmanBoltzman常数，常数，5.675.67 1010-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4)）表面积，表面积，mm2 2.Shanghai Jiao Tong University实际物体的辐射实际物体的辐射:一一切切实实际际物物体体的的辐辐射射能能力力都都小小于于同同温温下下黑黑体体的的辐辐射射能能力力。其值的计算是在黑体辐射公式中引进修正系数。其值的计算是在黑体辐射公式中引进修正系数。（WW）式式中中：物物体体的的黑黑

19、度度（又又称称发发射射率率）。，决决定定于于物物体体的种类与表面状态；以后还要具体介绍。的种类与表面状态；以后还要具体介绍。Shanghai Jiao Tong University1.3 1.3 传热过程与传热系数传热过程与传热系数 热热量量从从壁壁面面的的一一侧侧（流流体体）通通过过壁壁面面传传向向另另一一侧侧的的流流体体的的过程叫做传热过程。在工程实际中，传热过程有大量的例子。过程叫做传热过程。在工程实际中，传热过程有大量的例子。注意：注意：传热过程中，包括了热量传递的数个或全部基本传递方式。传热过程中，包括了热量传递的数个或全部基本传递方式。与传热过程总体传热效果相关的比例系数叫做传热

20、系数，与传热过程总体传热效果相关的比例系数叫做传热系数，传传热热系系数数是是传传热热过过程程中中经经历历的的相相应应的的基基本本传传热热方方式式的的综综合合反映。反映。Shanghai Jiao Tong University1.3 1.3 传热过程与传热系数传热过程与传热系数例如：一冷热流体通过壁面的传热过程。例如：一冷热流体通过壁面的传热过程。图图2.一维传热过程示意图一维传热过程示意图三个传热环节各自的方程：三个传热环节各自的方程：Shanghai Jiao Tong University1.3 1.3 传热过程与传热系数传热过程与传热系数 改写成温压形式：改写成温压形式：上面三式相加，

21、消去壁面温度（上面三式相加，消去壁面温度（tw1，tw2），），得到，得到，上式也可以表示为，上式也可以表示为，式中，式中，k 即为传热系数即为传热系数,W/(m2 K)Shanghai Jiao Tong University1-4.1-4.单位制单位制 采用国际单位制（采用国际单位制（SISI）m,kg,s,A,k,mol,cd(发光强度：坎德拉)，J 工程单位制：工程单位制：m,kg,s,oC,kcal 换算：换算：1kcal=4.1868 kJ 1kcal/h=1.163J/s=1.163w 单位：单位：压力压力 p :Pa 运动粘度运动粘度 :m2/s 动力粘度动力粘度 :kg/(m

22、 s)比热容比热容 c :J/(kg K)热流密度热流密度q :w/m2 导热系数导热系数 :w/(m K)对流换热系数对流换热系数:w/(m2 K)传热系数传热系数 :w/(m2 K)功率（传热量）功率（传热量），:wShanghai Jiao Tong University1-5 1-5 传热学的研究方法传热学的研究方法实验研究法实验研究法 实验研究是一切科学研究的基础。实验研究是一切科学研究的基础。传热学实验研究的基础是相似模化理论。传热学实验研究的基础是相似模化理论。实实验验研研究究的的方方法法是是研研究究影影响响对对象象的的主主要要因因素素，研研究究其其对对对对象象影影响响规规律律，并并通通过过实实验验加加以以总总结结，最最终终又又通通过过模模化化理理论将实验结果推广到真实研究对象。论将实验结果推广到真实研究对象。理论研究法理论研究法 合理简化与假设，合理简化与假设，建立物理模型，建立物理模型，数学模型，数学模型，数学求解，数学求解，计算机数值求解。计算机数值求解。Shanghai Jiao Tong University1-1-7 7 传热学的传热学的考核考核平时成绩平时成绩30%其中作业其中作业14%(含出勤率含出勤率)，实验，实验10%，大作业，大作业6%期末考试期末考试70%