01 第1章 传热学绪论.pptx

第1页：传热学

传热学

第2页：传热学的研究对象和任务

1.1 传热学的研究对象和任务

1.1.1什么是传热学

• 传热学是研究热量传递规律的科学，是工程热物理的分支学科之一。

第3页：传热的理论依据

传热的理论依据

热力学第二定律

• 物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传向低温部分
• 物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体传向低温物体。

第4页：传热学与工程热力学的关系

1.1.2 传热学与工程热力学的关系

工程热力学

热能的性质、热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律，系统处于平衡状态

传热学

热量传递规律，不可逆过程；关注热量传递速率和温度分布。

• 并称热工学

第5页：传热学以两大定律为基础

• 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即：热量Q传递始终是从高温物体向低温物体传递；在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒。

第6页：工程热力学

工程热力学

热铁块放入冷水中，初终态温度，放热量传热学：温度随时间和空间的分布，换热速率水，M220oC铁块,M1330oC

第7页：热流量和热流密度

1.1.3 热流量和热流密度

热流量

单位时间内通过某一给定面积A的热量；记为Φ，单位为W

通过单位面积的热流量则

热流密度（或称面积热流量），记为q，单位是W/m2

• 两者关系

第8页：传热学的研究目的

1.1.4 传热学的研究目的

传热速率及其控制

强化传热，保温

温度分布及其控制

热应力或热变形

• 要求掌握
• 热传递规律的基础理论知识
• 分析传热问题的基本能力
• 计算传热问题的基本方法
• 一定的实验技能。

第9页：具体学习要求

保证课堂教学的秩序

不要聊天、不允许课堂上接听或拨打手机、有事提前请假

独立做好作业（>50%）

是取得优异成绩的前提

• 具体学习要求
• 认真听课，不明白的地方答疑或找参考书
• 按照统一格式做作业
• 往年考试情况

第10页：作业要求

• 作业要求
• 统一用白纸，中间对折
• “已知－求－解”的方式。
• 请每班指定一名课代表，每周一交作业
• 参考书
• 杨世铭，陶文铨，传热学，第3、4版
• 戴锅生，传热学
• 图书馆多种传热学教材及相关辅导资料
• 网上多个大学的PPT课件

第11页：传热学的应用

1.2 传热学的应用

传统工业

能源动力，制冷空调、机械制造，建筑建材，化学化工，交通运输，食品、医疗医药等

新兴和尖端

电子（计算机散热，微尺度）、航空航天（空间飞行器返回大气层冷却，大尺度）、生物生命（生物传热学、肿瘤热疗）、新能源开发（太阳能利用、地热能等）、环境保护、节能等等

• 工业生产

第12页：

第13页：生活中

• 生活中
• 衣（天气、气温与穿衣问题）
• 食（烧水、做饭的方式（烧烤、炖、炸、蒸等）、吃饭等）
• 住（新建楼房加保温层，太阳能热水器、地暖、暖气设计）
• 行（骑摩托车带护膝、客车内排气管等）

第14页：

第15页：相关思考题

b夏天人在同样温度（如

25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？c北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？a人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？相关思考题

第16页：石油领域

注热流体

注入热水或蒸汽，提高油藏温度降粘

火烧油层

注入空气，燃烧部分原油以加热油层

热力降粘技术

提高井筒流体温度，降低粘度

• 石油领域
• 热处理油层采油技术是开发稠油和高凝油的一种行之有效的方法
• 热流体循环加热降粘技术
• 电加热降粘技术

第17页：注蒸汽工艺通常应用于稠油开发

• 注蒸汽工艺通常应用于稠油开发，主要机理
• 充分利用稠油粘度对温度非常敏感这一特点，通过提高油藏温度来降低流体粘度以改善其流动性
• 油藏岩石受热后的膨胀作用，可以减少最后的残余油饱和度
• 注蒸汽工艺可分为蒸汽吞吐和蒸汽驱两种方法，注入的蒸汽通常是湿蒸汽

第18页：火烧油层

火烧油层又

就地燃烧——是将空气（或氧气、液氧）连续地注入到油层中，通过自燃或点火使油层中的部分原油燃烧，利用燃烧释放出的热量来加热油层

• 目前正处于试验阶段，它对油层的适应性较广，有前途
• 实际控制较难，还没有到工业化应用的阶段

第19页：

第20页：油气储运工程

油气储运工程

管线预热、加热保温，管道铺设

石油炼制工程

加热炉，换热器，分馏塔

第21页：

第22页：

第23页：

第24页：

第25页：热量传递的基本方式

1.3 热量传递的基本方式

• 一、热传导（导热）
• 当物体内部存在着温度差或者温度不同的两个物体相互接触时，在不存在宏观相对运动的前提下，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的能量传递现象
• 机理
• 特点

第26页：导热基本定律

• 导热基本定律
• 单位时间内通过该层的导热热量与当地的温度变化率及平板面积A成正比

第27页：热对流

概念

流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对位移所引起的热量传递过程。（包含导热）

举例

烧水；暖气加热空气（只是在流体中，相对较少）

举例

输油管道，暖气管道，风吹过人体等注意理解热对流与对流传热

• 二、热对流
• 工程上更多的是（表面）对流传热，流体流过一个物体表面时的热量传递过程。

第28页：热量传递的基本方式

特点

a导热与热对流同时存在；b必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动

无相变

强迫对流和自然对流（流动的成因）

自然对流

流体各部分由于密度差而引起的相对运动称为自然对流。

强迫对流

由于机械的作用或其他压差而引起的相对运动。

有相变

沸腾换热和凝结换热

• 分类

第29页：热量传递的基本方式基本计算公式

基本计算公式

牛顿冷却公式

关键

确定对流换热系数h（理论推导、试验）

• 与流体的物性、换热表面的形状、大小与布置、流速等都有密切关系（思考：是否物性参数？）。
• 一般情况下，在其他条件相同时，水大于空气，强制对流大于自然对流，相变大于无相变。

第30页：表面传热系数的一般范围

表1-1 对流传热表面传热系数的一般范围

说明：源文件本页数值连续粘连，表格按原文数据顺序（自然对流气体、液体，强制对流气体、液体，相变凝结、沸腾）拆分为六组还原，单位统一为 W/(m²·K)。

第31页：热辐射

概念

辐射，物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。

热辐射

因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。

辐射换热

物体间相互辐射和相互吸收而进行的能量传递过程。

• 三、热辐射

第32页：热量传递的基本方式

• 特点
• 不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量
• 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换
• 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量

第33页：热量传递的基本方式

计算

黑体发射辐射能，热流量

• Stefan-Boltzmann定律
• 实际物体
• 两个物体间的辐射换热

第34页：几种传热方式的组合

• 实际的热量传递过程往往是几种基本方式的组合：以室内暖气供暖为例

第35页：传热过程和热阻

1.4 传热过程和热阻

4.1传热过程

• 由高温流体经过固体壁面到低温流体的热量传递过程称为传热过程
• 一般由三个传热环节构成
• 高温流体与固体壁面之间的对流传热
• 通过固体壁的导热
• 固体壁面与低温流体之间的对流传热。

第36页：1.4.2 热阻

1.4.2 热阻

• ：热流，质量流，电流等
• 在传热学中，过程的转移量是热流量，驱动力是温（度）差，过程的阻力类似于电阻而被称为热阻

第37页：大平壁的导热过程

大平壁的导热过程

第38页：对流传热

对流传热

第39页：传热方程

传热方程

第40页：直流电路的相关原则在传热学中的表述

• 直流电路的相关原则在传热学中的表述
• 串联过程的总热阻等于各串联传热环节的热阻之和，在热流方向上各热阻引起的温度降与热阻成正比
• 并联过程总热阻的倒数等于各并联支路热阻的倒数之和，各支路的热流与其热阻成反比
• 后面学习辐射传热时也会用到。

第41页：【例1-4】玻璃窗散热量计算

• 【例1-4】
• 某房间的玻璃窗，宽1.1m，高1.2m，厚度为3 mm，导热系数为1.05 W/(m·K)。冬天室内空气温度为20℃，空气与玻璃内壁面的表面传热系数为15W/(m2·K)；室外空气温度为-10℃，空气与玻璃外壁面的表面传热系数为20W/(m2·K)。试计算通过玻璃窗的散热量。

第42页：

第43页：能量守恒原理在传热学中的应用

1.5 能量守恒原理在传热学中的应用

• 一切传热问题所遵循的基本规律只有两个
• 描述特定传热问题的特殊规律
• 能量守恒原理
• 能量守恒原理的实施对象可以是控制容积，也可以是控制表面

第44页：控制容积的能量守恒方程

1.5.1 控制容积的能量守恒方程

• 控制容积的概念
• 任一瞬间的能量守恒原理
• 在时间段Δτ内，控制容积能量守恒的形式
• 内热源

第45页：控制表面的能量守恒方程

1.5.2 控制表面的能量守恒方程

• 控制表面只是一个几何面

第46页：传热学中能量守恒原理的实施步骤

1.5.3 传热学中能量守恒原理的实施步骤

• （了解）
• 明确研究对象，并根据问题的特点做出适当的简化假设
• 在研究对象中定义控制容积或控制表面
• 对控制容积或控制表面列出能量守恒方程式
• 确定守恒方程中各项能量的表达式
• 将各表达式代入守恒方程并进行整理。

第47页：【例题1-5】钢珠冷却规律

假设

（1）钢珠温度只与时间有关，而与空间无关；（2）钢球与水的表面传热系数不变；（3）钢球的热物性参数均保持常数。

• 【例题1-5】
• 将直径为d的小钢珠在加热炉中加热到温度t0，然后将其投入到温度恒为t∞的水中进行冷却以达到退火的目的，钢珠表面与水的表面传热系数为h。试确定钢珠温度t随时间τ的变化规律。（后面详细讲）

第48页：传热学的研究方法

1.6 传热学的研究方法

• 理论分析法
• 实验研究法
• 数值模拟法
• 比拟（或类比）方法

第49页：对实际传热问题

• 对实际传热问题
• 通过合理的简化假设，建立起描述传热问题的数学模型（通常由微分方程或微分方程组和定解条件构成）
• 然后借助于数学分析的手段求解该模型，得到传热问题的精确解（也称为解析解或分析解）
• 这就是传热学研究的理论分析法。方法严格准确、但由于实际问题的复杂性，目前只能得到简单问题的精确解理论分析法

第50页：实验研究法

• 实验研究法是目前传热学研究的主要手段，也是基本的研究方法
• 由于实际传热问题的影响因素众多，并且相互间的影响因素复杂，因此实验必须在相似理论的指导下进行
• 掌握初步的实验研究技能、学习和应用通过实验研究获得的成果是传热学学习的基本要求之一实验研究法

第51页：这是研究传热问题的新方法

• 由于采用数学分析的方法难以求解传热问题的数学模型，随着计算技术的飞速发展，将模型中的微分方程（组）转化为求解区域上的代数方程组，利用计算机求解出其近似解的方法称为数值模拟法
• 这是研究传热问题的新方法，近年来数值模拟法已成为传统研究方法的有力补充数值模拟法

第52页：理论分析法、实验研究法和数值模拟法

• 理论分析法、实验研究法和数值模拟法各有所长，又各有其应用范围，不能随意抬高和贬低任一种方法在传热学研究中的地位和作用
• 只有将这三种方法有机地结合起来，取长补短，才可以得到相互补充、相得益彰的效果，这才是传热学研究理想而有效的手段