01 第一章 传热学绪论.pptx

第1页：

第2页：传热学课程概况

传热学课程概况

第3页：传热学课程考核方法构成

传热学课程考核方法构成

第4页：第一章 绪论

第一章绪论传热学的研究对象及应用热量传递的三种基本方式传热过程和传热系数学习传热学应注意的问题

第5页：传热学的研究内容及应用

1.1传热学的研究内容及应用

• 一、传热与传热学热：一种能量，具有能量的属性自发传递性:高温低温传热：是物质在温差作用下所发生的能量传递。传热学：研究热量传递规律的一门学科。热能机械能电能发电机转换性:化学能锅炉汽轮机

第6页：二、热量传递的基本方式热传导、热对流和热

热传导

• 二、热量传递的基本方式热传导、热对流和热辐射。热对流热辐射

第7页：三、传热问题的分类和主要计算量稳

三、传热问题的分类和主要计算量稳态传热过程:传热过程中各处温度不随时间变化。非稳态传热过程：传热过程中各处温度随时间变化。温度和温度场：t或T单位是：℃或K单位是：W/m2Adτ热流密度：q=Φ热流量：Φ=dQ单位是：W

第8页：四、传热学与热力学的区别与关系传热学

四、传热学与热力学的区别与关系传热学：关心的是传热的方式、温度随时间的变化和单位时间所传递的热量—热流量（或传热量）。工程热力学：Q=mcp(t1-t2)单位是：J

第9页：传热学以热力学第一定律和第二定律为基础

传热学以热力学第一定律和第二定律为基础。热量传递始终是从高温物体向低温物体传递（第二定律）；热量从一个物体转移到另一个物体，在转移的过程中，能量的总量不变（第一定律）。

第10页：五、传热学的应用

五、传热学的应用

• 1、日常生活
• 2、下列工程技术领域动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…

第11页：

第12页：

第13页：

第14页：

第15页：热量传递的基本方式

1.2热量传递的基本方式1.2.1热传导（导热）

• 一、定义物体各部分之间不发生宏观相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。

第16页：二、导热的机理

二、导热的机理

• 1.气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。

第17页：二、导热的机理（续）

• 2.非导电固体：晶格结构的振动。
• 3.导电固体：自由电子的运动和晶格结构的振动。
• 4.液体：说法不一。

第18页：导热是物质的属性

导热是物质的属性，只要存在温差，在固体、液体、气体中均会发生导热现象。请同学思考在液体和气体中发生纯导热现象的条件。

第19页：三、导热问题的分类

三、导热问题的分类

• 1.按照温度场是否随时间变化稳态导热问题非稳态导热问题
• 2.按照温度场在空间上的变化情况一维导热问题t2t1二维导热问题三维导热问题δ

第20页：四、大平板稳态导热计算讨论

四、大平板稳态导热计算讨论如图所示的一块大平板（平板的长和宽远大于其存在温度变化的厚度），大平板厚为δ，一侧表面面积A，两侧面温度t1，t2恒定。讨论单位时间内从表面一侧传导到另一侧表面的热量。t1t2δδΦAΔt

第21页：四、大平板稳态导热计算讨论（续）

t2t1δδ上式中的比例系数与平板材料的导热性能有关，称作材料的导热系数，用λ表示：则上式可写作：-t2Φ=λAt1A-t2δq=Φ=λt1注意：[W(m·K)]等同于：[W(m·oC)]导热系数（也称为热导率）单位是：[W(m·K)]

第22页：上式仅适用于一维稳态导热

• 上式仅适用于一维稳态导热问题，更一般的表达式将在下章给出。dxdxΦ=-λAdtq=-λdt法国物理学家、数学家傅里叶（Fourier）根据大量的实践经验进一步凝练该物理问题的本质，并用更严谨的数学关系对导热问题内在规律进行揭示，这就是导热的基本定律，或称傅立叶定律，下面是傅立叶定律的一种表达形式：t0xδt1t2
• 五、傅里叶定律

第23页：热对流与对流换热

1.2.2热对流与对流换热

• 一、定义热对流：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。（也存在分子扩散传递能量）

第24页：对流换热

对流换热

流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程。

第25页：二、对流换热机理既有热对流，也有导热

二、对流换热机理既有热对流，也有导热；不是基本传热方式。当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，流体的流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递。

第26页：三、分类对流换热按照不同的原因

单相流体

• 三、分类对流换热按照不同的原因可分为多种类型强制对流自然对流混合对流凝结相变沸腾

第27页：四、对流换热的

四、对流换热的计算

• 1.牛顿冷却公式：Φ=hA(tw-tf)[W]2wf-t)[Wm]q=ΦA=h(tA—与流体接触的壁面面积f[oC]—流体温度wt—固体壁表面温度[oC]th—表面传热系数，是表征对流换热过程强弱的物理量。也称为对流换热系数。[W(m2·K)]

第28页：四、对流换热的（续）

• 2.关于流体温度：在不同对流换热过程中，流体温度的确定方法是不同的。
• 3.关于表面换热系数目前在工程上使用的表面换热系数计算公式多属于通过实验得到的，被称作实验关联式，如管内湍流强制流动对流换热的一个常用实验关联式如下：Nu=0.023Re0.8PrnλNu=hd

第29页：典型表面换热系数的范围

典型表面换热系数的范围

表中数值为教材给出的典型量级范围，实际换热过程需结合定性温度与特征长度按实验关联式计算。

第30页：热辐射与辐射换热

1.2.3热辐射与辐射换热

第31页：热辐射与辐射换热

1.2.3热辐射与辐射换热

• 一、定义辐射：物体通过电磁波来传递热量的方式。热辐射：物体由于热的原因向外发出的辐射。辐射换热：物体之间以辐射的形式交换热量。

第32页：二、特点1.不需要冷热物体的直接接触

二、特点

• 1.不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量。
• 2.在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换，物体热力学能电磁波能物体热力学能。热能→电磁能电磁能→热能

第33页：三、辐射的基本概念

三、辐射的基本概念

• 1.辐射力在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方向发射的全部波长范围内的辐射能称为辐射力，用符号E表示，单位为W/m2。
• 2.吸收比把物体吸收的辐射能占总投射到物体表面上的能量之比称作吸收比，用α表示。

第34页：四、黑体1.黑体

四、黑体

• 1.黑体：能吸收投入到其表面的所有热辐射能量的物体，即吸收比为1，黑体是一理想体。在同温度下，黑体具有最大的辐射能力。
• 2.黑体的辐射力黑体的辐射力斯蒂芬-波尔兹曼定律。4bE=σTσ=5.67×10-8W/(m2·K4)

第35页：五、实际物体的辐射和吸收

五、实际物体的辐射和吸收

• 1.实际物体表面的辐射力可由修正的斯蒂芬-波尔兹曼定律而得到，表示为：E=εσbT4[Wm2]—实际物体表面的发射率（黑度），小于1；与物体的种类、表面状况和温度有关。
• 2.实际物体表面的吸收比也小于1。

第36页：六、一个辐射换热计算的特例物体表

六、一个辐射换热计算的特例物体表面间辐射换热的计算涉及到物体表面的辐射能力、吸收能力、表面间的几何关系等多方面的因素，因此，不同情况下，其计算公式不一样。特例：一小物体被包容在一个很大的物体当中。T1,A1,ε1T2W441112Φ=εAσ(T-T)

第37页：计算管道的总散热量为多少

例1

厂房内有一水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=0.583米，管道的外表面壁温为48℃,厂房内的空气温度为23℃，管壁与空气自然对流换热系数h=3.42W/(m2·K),管道的外表面发射率ε=0.9。试计算管道的总散热量为多少？

第38页：计算管道的总散热量为多少（续）

分析

管道表面的散热有自然对流换热和辐射换热两种方式。对于表面的自然对流换热，可用牛顿冷却公式计算其散热量；对于表面的辐射，是管道表面与厂房内可见的物体表面（主要是墙壁）之间的换热，不是与周围的空气。所以教材中假定墙壁的温度等同于周围空气的的温度，实际上不相等。244wf-T)-t)+εAσ(TwΦ=Φc+Φr=hA(t

第39页：传热过程和传热系数换热器的结构图

1.3传热过程和传热系数换热器的结构图

第40页：热流体出冷流体进冷流体出热流体进

热流体出冷流体进冷流体出热流体进

第41页：传热过程和传热系数

1.3.1传热过程和传热系数

• 1.定义热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中的过程称为传热过程。
• 2.传热方程式h1,tf1h2,tf2Φ=kA(tf1-tf2)k—传热系数，表示整个传热过程的强弱，单位是[W(m2·K)]

第42页：传热过程和传热系数（续）

h,t1f1h2,tf2δ

• 3.通过平壁传热过程的分析该传热过程包含串列着的三个环节，
• （1）高温流体侧的对流换热；
• （2）通过壁面的导热；
• （3）低温流体侧的对流换热。Φ=Ah1(tf1-tw1)δΦ=Aλ(tw1-tw2)Φ=Ah2(tw2-tf2)在稳态情况下，由上面三个式子计算的热流量应是相等的。

第43页：传热过程和传热系数（续）

Φ=Ah1(tf1-tw1)w1w2δ(t-t)Φ=Aλ2w2f2Φ=Ah(t-t)+A(tf1-tf2)Φ=1+δ1h1λh2Φ=kA(tf1-tf2)与传热方程式相对应，可以得到在该传热过程中传热系数的计算式。k=1h1λh21+δ+1

第44页：传热过程和传热系数（续）

ΔtΦ=δ(λA)通过平壁导热的热阻λR=δ(λA)t2t1ΦUI=UR1.3.2热阻的概念IRδ(λA)t1t2

第45页：用热阻的概念分析传热过程

用热阻的概念分析传热过程δ(λA)tf1tw2h1,tf1h2,tf2δtw1tf21(h1A)1(h2A)

第46页：学习传热学应注意问题一、传热问题的分析方

1.4学习传热学应注意问题

• 一、传热问题的分析方法
• 1.画出尽可能详细、准确的示意图；
• 2.判断问题所属的种类和性质；
• 3.进行合理的简化和假设；
• 4.采用相应的计算公式进行计算，或者，建立数学模型并求解；
• 5.对结果进行分析讨论。

第47页：二、能量守恒法则能量守恒法则是分

二、能量守恒法则能量守恒法则是分析和求解传热问题的一个基础，是贯穿传热学全部内容的一个主线。在应用时，必须明确定义分析的对象，是一个控制体，还是一个表面。

第48页：二、能量守恒法则能量守恒法则是分（续）

1.针对控制容积的能量守恒从外表面进入的热流—从外表面流出的热流+容积内生成的热功率≡控制容积蓄存能量的增加速率ΦinΦoutΦ··VpV∂tdV∂τρc+Φ·VVpoutin∂τρc∂tdV=Φ-Φ

第49页：内热源

内热源：

第50页：内热源：在传热现象中

内热源

在传热现象中，若物体内有其它形式的内能（化学能、电能、电磁能或核能等）转化成热能，通常将其当作物体的内热源（它可正可负）。例如，在一个有放热化学反应存在的物体内，化学能将转化成热能，使容积内的热能增加。又如，当有电流通过导体时，电阻发热使电能转化为热能。热源产生热能的多少与产生热源的容积及热源强度有关。热源强度定义为内热源在单位体积内单位时间所产的热量，用Φ符号[W/m3]

第51页：例2：一根金属导电长棒

• 例2：一根金属导电长棒，其直径为D，单位长度上的电阻为R，初始时他与外界空气及周环境保持热平衡状态，当电流I通过棒时平衡被破坏了，试推导能用于计算在电流通过期间棒的温度随时间变化的方程。解：
• 1.画问题的示意图：DIL空气TairTsur

第52页：例2：一根金属导电长棒（续）

2.假设：

• (1)在任何时刻，金属棒内的温度均匀；实际不均匀
• (2)金属棒的材料物性为常数；
• (3)棒的表面与周围的壁面的辐射换热属于一个小表面与大空间表面的辐射换热问题。DIL空气TairTsur

第53页：例2：一根金属导电长棒（续）

3.分析

当电流I通过导电棒时，因欧姆电阻产生热能，导电棒储存的内能发生变化，若表面温度高于环境温度后，表面将以对流换热的形式向周围空气散热，同时，表面还将以辐射换热的形式向周围的壁面散热。取如图中所示长度为L的金属棒为所研究的控制体。建立某一个瞬间控制体的I能量守恒关系。LD空气TairTsur

第54页：根据假设

根据假设1，控制体的内能增加率可表示为如下(ρVcT)ddτdV=∂t∂τρcV长度为L的金属棒源自电阻产生的能量可看做是金属棒的内热源，其热源强度可表示为：Φ·=I2RL/V表面的对流换热和辐射换热热流量可表示为：outΦ=h(πDL)(T-T)+εσ(πDL)(T4-T4)airsur

第55页：将以上各项代入本问题中控制容积的以速

将以上各项代入本问题中控制容积的以速率形式表示的能量守恒关系得sur42-T)+IRL44πD2dTρc()L=-h(πDL)(T-T)-εσ(πDL)(Tdτair化简后得ρc(πD2/4))+I2RdTdτ44surD)(T-T)-εσ(πair-h(πD)(T-T=

第56页：将以上各项代入本问题中控制容积的以（续）

2.针对表面的能量守恒从表面进入的热流≡从表面流出的热流对于表面，既没有体积，也没有质量，因此不会有热源的产生和蓄热的存在。Φin=Φout

第57页：例3:一个太阳能集热器的表面如附图

• 例3：一个太阳能集热器的表面如附图所示，受到太阳的直接投入辐射G=700W/m2，若表面对太阳辐射能的吸收比为80%，集热器表面温度ts为60℃，周围环境空气温度为tair=25℃，表面与空气的对流换热系数为10W/(m
• 2.K)，外表面的发射率ε=0.2，天空的温度为tsky=15℃，计算该吸热表面单位面积单位时间的净得热量。

第58页：例3:一个太阳能集热器的表面如附图（续）

• G=700W/m2st=60℃tsky=15℃tair=25℃
• 1.画问题的示意图：
• 2.假设：集热器表面温度辐射特性等均匀。
• 3.分析：集热器表面的换热有：
• （1）净吸收太阳的辐射

第59页：例3:一个太阳能集热器的表面如附图（续）

• G=700W/m2ts=60℃tsky=15℃tair=25℃
• （2）与天空的辐射换热且该辐射换热也属于一个小表面与大空间表面的辐射换热问题。
• （3）与周围空气的对流换热。
• （4）以导热的形式将热量传入内部。)44skywwair-t(Tq=G×α-h(t)-εσ-T

第60页：思考题1.分析在房间内，人身体表面都有哪

思考题

• 1.分析在房间内，人身体表面都有哪些换热形式？
• 2.分析房间外墙表面都有哪些换热？

第61页：思考题1.分析在房间内，人身体表面（续）

• 3.分析热水瓶的散热过程。
• 4.对下面三种太阳能热水器集热管元件的换热情况进行分析。太阳能玻璃罩空气太阳能太阳能真空

第62页：本章作业

本章作业1-4、1-7、1-10、1-13、1-18、1-21、1-26