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传热学_第1章

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传热学1第一章 传热学第1章 传热学第一章 传热学传热学
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第一章 绪论 1-1 传热学的研究内容与研究方法传热学的研究内容与研究方法 (1)传热学的研究内容研究内容 : : 传热学主要研究热量传递的规律以及控制和 优化热量传递过程的方法。 热量:在温差的作用下传递的热能的数量。 由于温差几乎无处不在,所以热量传递是日常生 活和生产实践中普遍存在的物理现象。 热能: 即热力学能。据统计,目前通过热能据统计,目前通过热能 形式被利用的能源在我国占总能源利用的形式被利用的能源在我国占总能源利用的9090%% 以上,世界其它各国平均也超过以上,世界其它各国平均也超过8585%。%。 Date1 高温热源高温热源 吸热吸热Q Q 1 1 热机热机WWnet net 放热放热Q Q 2 2 低温热源低温热源 热能利用率和传热过程热能利用率和传热过程 密切相关。密切相关。 Date2 要想提高能源的利用率,必须具备传热学要想提高能源的利用率,必须具备传热学 的基础知识,掌握热量传递的规律以及控制和的基础知识,掌握热量传递的规律以及控制和 优化热量传递过程的方法优化热量传递过程的方法。。 传热学的应用非常广泛,传热学知识不仅传热学的应用非常广泛,传热学知识不仅 在能源、电力、冶金、动力机械、石油化工、在能源、电力、冶金、动力机械、石油化工、 低温工程低温工程、、环境与建筑等传统工业领域发挥极环境与建筑等传统工业领域发挥极 其重要的作用,在许多高科技领域都发挥着极其重要的作用,在许多高科技领域都发挥着极 其重要的作用。如:其重要的作用。如: 航空航天、电子信息工航空航天、电子信息工 程、医学和生命科学等程、医学和生命科学等 。。 传热学是现代工程技术人才必备的技术基传热学是现代工程技术人才必备的技术基 础知识,是面向础知识,是面向2121世纪工科各类专业人才工程世纪工科各类专业人才工程 素质的重要组成部分。素质的重要组成部分。 Date3 传热学课程学习的主要目的:传热学课程学习的主要目的: 掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分 析计算和实验研究方法,为后续专业课程及研究析计算和实验研究方法,为后续专业课程及研究 生课程的学习,为今后研究、处理、解决实际的生课程的学习,为今后研究、处理、解决实际的 传热工程问题奠定必要的技术理论基础。传热工程问题奠定必要的技术理论基础。 (2)传热学的主要研究方法研究方法: : 理论分析理论分析 数值模拟数值模拟 实验研究实验研究 比拟(类比)法比拟(类比)法 Date4 1-2 热量传递的三种基本方式 热量传递有三种基本方式热量传递有三种基本方式: : l热传导(导热) (heat conduction); l热对流 (heat convection); l热辐射 (thermal radiation)。 Date5 1. 1. 热传导热传导((导热) : 在物体内部或相互接触的物体表面之在物体内部或相互接触的物体表面之 间,由于分子、原子及自由电子等微观粒子间,由于分子、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。的热运动而产生的热量传递现象。 纯导热现象可以发生在固体内部,也可纯导热现象可以发生在固体内部,也可 以发生在静止的液体和气体之中。以发生在静止的液体和气体之中。 本书不讨论导热的微观机理,只讨论热本书不讨论导热的微观机理,只讨论热 量传递的宏观规律。量传递的宏观规律。 Date6 大平壁的一维稳态导热  0 x t  tw2 tw1 特点:特点:平壁两表面维持均匀恒定不变的平壁两表面维持均匀恒定不变的 温度,温度, 平壁各处温度不随时间改变;平壁各处温度不随时间改变; 壁内温度只沿垂直于壁面的方向变化;壁内温度只沿垂直于壁面的方向变化; 热量只沿着垂直于壁面的方热量只沿着垂直于壁面的方 向传递。向传递。 热流量热流量:单位时间传过的热量:单位时间传过的热量   : : 材料的材料的热导率(热导率(导热系数)导热系数),表明,表明 材料的导热能力,材料的导热能力,W/(mW/(m·K)·K)。。 WW Date7 热流密度 q : :单位时间通过单位面积的热流量单位时间通过单位面积的热流量 导热热阻 称为平壁的导热热阻,表示物体对称为平壁的导热热阻,表示物体对 导热的阻力,单位为导热的阻力,单位为K/WK/W 。。  tw1 tw2 热阻网络 Date8 2. 热对流 由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位 移而产生的热量传递现象。移而产生的热量传递现象。 特点:热对流只发生在流体之中,并伴随有微特点:热对流只发生在流体之中,并伴随有微 观粒子热运动而产生的导热。观粒子热运动而产生的导热。 对流换热 :流体与相互接触的固体表面之间的热:流体与相互接触的固体表面之间的热 量传递现象,是导热和热对流两种基本传热方式共同作量传递现象,是导热和热对流两种基本传热方式共同作 用的结果。用的结果。 对流换热的分类:对流换热的分类: 自然对流换热自然对流换热 强制对流换热强制对流换热 凝结换热凝结换热 沸腾换热沸腾换热 Date9  tw tf h h 称为对流换热的称为对流换热的表面传热系数 表面传热系数(习惯称为(习惯称为对流换对流换 热系数热系数),单位为),单位为W/(mW/(m 2 2  K)K)。。 对流换热热阻:对流换热热阻:  = Ah(tw – tf) 称为称为对流换热热阻对流换热热阻,单位为,单位为 W/KW/K。。 对流换热热阻对流换热热阻网络:网络: 牛顿冷却公式牛顿冷却公式: :  = Ah(tw – tf) q = h(tw – tf) Date10 表面传热系数的影响因素表面传热系数的影响因素:: h h 的的大小反映对流换热的强弱,与以下大小反映对流换热的强弱,与以下 因素有关:因素有关: ((1 1))流体的物性(热导率、粘度、密度、比流体的物性(热导率、粘度、密度、比 热容等);热容等); ((2 2))流体流体流动的形态(层流、紊流);流动的形态(层流、紊流); ((3 3))流动的成因(自然对流或受迫对流)流动的成因(自然对流或受迫对流) ;; ((4 4))物体表面的形状、尺寸物体表面的形状、尺寸;; ((5 5))换热时流体有无相变(沸腾或凝结换热时流体有无相变(沸腾或凝结)) 。。 Date11 表表1-1 1-1 一些表面传热系数的数值范围一些表面传热系数的数值范围 对流换热类型对流换热类型表面传热系数表面传热系数 h W /( m2K) 气体自然对流换热气体自然对流换热1~10 液体自然对流换热液体自然对流换热50~1000 气体强迫对流换热气体强迫对流换热20~100 液体强迫对流换热液体强迫对流换热1000~15000 液体沸腾液体沸腾2500~35000 蒸气凝结蒸气凝结5000~35000 Date12 3. 热辐射 辐射辐射::指物体受某种因素的激发而向外发射辐指物体受某种因素的激发而向外发射辐 射能的现象射能的现象 解释辐射现象的两种理论解释辐射现象的两种理论 :: 电磁理论电磁理论与与量子理论量子理论 电磁波的数学描述:电磁波的数学描述: c c —— 某介质中的光速某介质中的光速, , m/sm/s 为真空中的光速为真空中的光速; ; n n 为为介质的折射率。介质的折射率。   —— 波长波长, , 常用常用 mm为单位为单位, , 1 1 m = 10m = 10-6 -6 m m。。   —— 频率频率, , 单位单位 1/s1/s。。 Date13 2.2.电磁波的波谱电磁波的波谱:: g g射线、射线、 X X射线、射线、 紫外线、紫外线、 红外线红外线:: 0.76 10 10 3 3  m m 微微 波波:: 1010 3 3   10 10 6 6  m m 可见光可见光:: 0.38 0.38   0.76 0.76  mm Date14 微波炉就是利用微波加热食物,因微波可穿微波炉就是利用微波加热食物,因微波可穿 透塑料、玻璃和陶瓷制品,但会被食物中水分子吸透塑料、玻璃和陶瓷制品,但会被食物中水分子吸 收,产生内热源,使食品均匀加热。收,产生内热源,使食品均匀加热。 热辐射热辐射 由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向 外发射辐射能的现象。外发射辐射能的现象。 理论上热辐射的波长范围从零到无穷大,但理论上热辐射的波长范围从零到无穷大,但 在日常生活和工业上常见的温度范围内,热辐射在日常生活和工业上常见的温度范围内,热辐射 的波长主要在的波长主要在0.10.1 mm至至100100 mm之间之间, ,包括部分紫外包括部分紫外 线、可见光和部分红外线三个波段线、可见光和部分红外线三个波段 。。 Date15 热辐射的主要特点:热辐射的主要特点: ( (1 1))所有温度大于所有温度大于0 0 K K的物体都具有发射热辐射的物体都具有发射热辐射 的能力,温度愈高,发射热辐射的能力愈强。的能力,温度愈高,发射热辐射的能力愈强。 发射热辐射时:内热能发射热辐射时:内热能 辐射能辐射能 ;; ((2 2))所有实际物体都具有吸收热辐射的能力所有实际物体都具有吸收热辐射的能力, 吸收热辐射时:辐射能吸收热辐射时:辐射能 内热能内热能 ;; ((3 3))热辐射不依靠中间媒介,可以在真空中传播;热辐射不依靠中间媒介,可以在真空中传播; ((4 4))物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双 向的。向的。 高温高温 物体物体 低温低温 物体物体 热辐射是热量传递的热辐射是热量传递的 基本方式之一基本方式之一 。。 Date16 辐射换热辐射换热:: 以热辐射的方式进行的热量交换。 以热辐射的方式进行的热量交换。 辐射换热的主要影响因素: ((1 1)物体本身的温度、表面辐射特性;)物体本身的温度、表面辐射特性; ((5 5))在红外范围内,绝大多数固体和液体的发射和在红外范围内,绝大多数固体和液体的发射和 吸收均只发生在表面以下很浅的距离内,即仅取决于吸收均只发生在表面以下很浅的距离内,即仅取决于 材料表面的性质、特征和温度,与其内部状况无关。材料表面的性质、特征和温度,与其内部状况无关。 式中式中   = = 5.67×105.67×10-8 -8 W/(m W/(m 2 2  K K 4 4 ) ),,称为称为斯忒藩斯忒藩——玻耳兹曼玻耳兹曼 常数常数,又称为,又称为黑体辐射常数黑体辐射常数。。 (( 斯忒藩斯忒藩——玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律)) 在相同温度下的所有物体中,黑体的发射热辐在相同温度下的所有物体中,黑体的发射热辐 射的能力最大。射的能力最大。 Date17 ((2 2)物体的大小、几何形状及相对位置。)物体的大小、几何形状及相对位置。 实际物体发射的辐射能:实际物体发射的辐射能: e e 称为称为实际物体的发射率实际物体的发射率, ,也称为黑度也称为黑度, , e 1e 1 。 A A1 1 A A 2 2 Date18 注意:注意: ((1 1)热传导、热对流和热辐射三种热量)热传导、热对流和热辐射三种热量 传递基本方式往往不是单独出现的;传递基本方式往往不是单独出现的; ((2 2))分析传热问题时首先应该弄清楚有分析传热问题时首先应该弄清楚有 那些传热方式在起作用,然后再按照每一种那些传热方式在起作用,然后再按照每一种 传热方式的规律进行计算。传热方式的规律进行计算。 ((3 3)如果某一种传热方式与其他传热方)如果某一种传热方式与其他传热方 式相比作用非常小,往往可以忽略。式相比作用非常小,往往可以忽略。 Date19 1.3 传热过程 传热过程传热过程是指热量从固体壁面一侧的流体通过固是指热量从固体壁面一侧的流体通过固 体壁面传递到另一侧流体的过程。体壁面传递到另一侧流体的过程。 传热过程由三个相互串联的环节组成传热过程由三个相互串联的环节组成: : 高高 温温 流流 体体 低低 温温 流流 体体 固固 体体 壁壁 ((1 1))热量从高温流体以对流热量从高温流体以对流 换热(或对流换热+辐射换热)换热(或对流换热+辐射换热) 的方式传给壁面;的方式传给壁面; ((2 2))热量从一侧壁面以导热的热量从一侧壁面以导热的 方式传递到另一侧壁面;方式传递到另一侧壁面; ((3 3))热量从低温流体侧壁面以对流换热(或对热量从低温流体侧壁面以对流换热(或对 流换热+辐射换热)的方式传给低温流体。流换热+辐射换热)的方式传给低温流体。 Date20 通过平壁的稳态传热过程通过平壁的稳态传热过程 假设:假设: t t f1f1、 、t tf2 f2、 、h h 1 1 、、h h 2 2 不随时间变化;不随时间变化;   为常数为常数。。 ((1 1)左侧的对流换热)左侧的对流换热 ((2 2)平壁的导热)平壁的导热  tw2 tw1  0 x t  h1 tf1 h2 tf2   Date21 ((3 3)右侧的对流换热)右侧的对流换热 在稳态情况下,在稳态情况下,以上以上三式的热流量相同,可得三式的热流量相同,可得 式中式中 , , R Rk k 称为传热热阻称为传热热阻。。  tw1 tw2 tf1 tf2 传热热阻网络传热热阻网络:: Date22 将传热热流量的计算公式写成将传热热流量的计算公式写成 式中式中 k k 称为称为传热系数传热系数,单位为,单位为 W/(mW/(m 2 2 ·K)·K),,   t t为传热温差。为传热温差。 通过单位面积平壁的热流密度为通过单位面积平壁的热流密度为 利用上述公式利用上述公式, , 可以很容易求得通过平壁的可以很容易求得通过平壁的 热流量热流量、热流密度、热流密度q q及壁面温度及壁面温度t tw1 w1、 、t tw2 w2。 。 Date23 第第1 1章章 小结小结 重点掌握以下内容:重点掌握以下内容: ((1 1)热传导、热对流、热辐射三种热量传递)热传导、热对流、热辐射三种热量传递 基本方式的机理及特点;基本方式的机理及特点; ((2 2)热流量、热流密度、导热系数、对流换热)热流量、热流密度、导热系数、对流换热 、表面传热系数、传热系数、热阻等基本概念;、表面传热系数、传热系数、热阻等基本概念; ((3 3)灵活运用平壁的一维稳态导热公式、对)灵活运用平壁的一维稳态导热公式、对 流换热的牛顿冷却公式、通过平壁的一维传热过流换热的牛顿冷却公式、通过平壁的一维传热过 程计算公式进行相关物理量的计算程计算公式进行相关物理量的计算 Date24
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