01 第一章 绪论 1.1 传热学及其研究内容.pptx

第1页：传热学及其研究内容

1-1 传热学及其研究内容：本页为《传热学》课程课件封面，标示课程名称与本讲主题。

第2页：三个问题1.什么是传热学

三个问题1.什么是传热学？

• 2.为什么要学习传热学？
• 3.应当怎样学习传热学？

第3页：传热学是研究热量传递规律的一门学科

传热学是研究热量传递规律的一门学科。

第一个问题：什么是传热学？

传热学是研究什么内容的？

传热学是研究在温差作用下热量传递规律的一门学科。

热量的传递是在温差作用下发生的！

第4页：有温差就有传热

有温差就有传热，自然界和各种工程领域中到处存在温差，热量传递的现象随时都有、遍地皆是！

“从现代楼宇的暖通空调到自然界风霜雨雪的形成”；

“从航天飞机重返大气层时壳体的热防护到电子器件的有效冷却”；

“从一年四季人们穿着的变化到人类器官的冷冻储存”无不与热量的传递密切相关!

第5页：特别对于能源动力、化工制药、航空航天

特别对于能源动力、化工制药、航空航天、环境安全、武器、土建类等专业热量传递是其主要的物理过程，因此是这些专业的主干技术基础课程，也与机械、地矿、仪器、材料、力学、信息、交通、纺织、海洋、生物工程、农林业工程等类专业有密切关系。

例如材料加工工程领域中的焊接与铸造过程就与热量传递密不可分。

第二个问题：为什么要学习传热学？

传热学是多个工程领域的技术基础，有其十分重要的应用！

第6页：例子1：家用空调器体积的缩小:近20年来

例子1：家用空调器体积的缩小:近20年来家用空调器体积的减小、能效比的提高与制冷剂、空气之间热量传递的强化有密切关系。

窗式空调器分体空调以三个工程应用例子来说明传热学应用的广泛性及重要性。

第7页：家用空调中制冷剂与空气之间发生热量交换的

家用空调中制冷剂与空气之间发生热量交换的设备，称为“换热器”。

换热器的空气侧采用多种能增大所传递热量的翅片(Fin)：空气制冷剂平直翅片波纹翅片平开缝翅片X型开缝翅片空气流动

第8页：单螺旋内肋管剖面图管内

单螺旋内肋管剖面图管内（制冷剂）侧采用多种能强化传热的低肋片管。

三维内肋管剖面图缩小家用空调换热器体积的种种方法称为强化传热技术！

是传热学的主要研究内容之一。

管径从9.52mm7 mm5 mm

第9页：例子2：航天飞机的热防护

例子2：航天飞机的热防护：航天飞机重返地球时，以当地音速20倍的极高速度进入大气层，在气体粘性的作用下产生大量的摩擦热使飞行器表面剧烈地受热，飞行器表面温度可达几千K。

必须采用隔热性能良好的材料对表面进行热防护，才能使其安全返回。

(b)回收的神州5号航天器外壳(a)美国的航天飞机

第10页：美国“哥伦比亚号”航天飞机在

美国“哥伦比亚号”航天飞机在2003年2月1日重返大气层时由于机体表面隔热瓦的缺陷造成超高温气体侵入，导致机毁人亡的悲惨事故。

总损失达到130亿美元。

2005年8月”发现号”返回前美国宇航总局专门在太空中对防护瓦进行了检查,确认没有问题后才让其返回！

第11页：像航天飞机隔热瓦这样的材料可以在一定温差

像航天飞机隔热瓦这样的材料可以在一定温差作用下大幅度削弱通过隔热瓦的传热量，称为绝热材料或隔热材料；

研究如何削弱传热的方法是传热学中另外一个重要的研究内容。

例子3：电子器件的冷却技术：随着CPU功率的迅速增加，芯片的冷却要求越来越高，从一般空气冷却的整体翅片散热器，到开缝翅片散热器，到热管以及微细通道的水冷却器。

第12页：从整体翅片到开缝从空气强制对流冷却到热管

从整体翅片到开缝从空气强制对流冷却到热管冷却芯片冷却芯片的热管蒸发段从热管冷却到微细通道的水冷却冷却器外壳微细通道芯片置于翅片的底板下

第13页：对电子器件进行冷却的目的是要使器件的工作

对电子器件进行冷却的目的是要使器件的工作温度控制在允许的数值以下。

这是传热学研究的另一类问题：温度控制。

传热强化，传热削弱以及温度控制是传热学中三类主要的研究问题。

无论对那一类问题我们都需要对热量传递的基本规律有很好地了解和掌握。

第三个问题：应该怎样学习传热学？

留待到本章结束时再讨论。

第14页：第一章传热学绪论

第一章传热学绪论Introduction to heat transfer本章将对传热学的基本概念、热量传递的基本方式及传热问题的研究方法等进行介绍;并沟通与流体力学以及工程热力学等课程之间的关系，为以后深入学习打下基础。

本章最后介绍传热学的发展简史及研究方法，并提出6个问题供大家在课程学习过程中思考。

第15页：1.1传热学概述

1.1传热学概述1.1.1传热与传热学1.传热：是指热能的传递(从空间一个位置传送到另一个位置）过程，即在温差作用下物质中发生的热量传递过程;传热学：研究在温差作用下热量传递规律的一门学科。

• 2.热量传递的规律包括两个层次的内容：1)速率方程(rate equation)－单位时间内所传递的热量与相应温差间的关系,本章着重介绍之！

第16页：物体内的温度分布

• 2)物体内的温度分布(temperature distribution)，－在热量传递过程中物体各处温度大小的变化规律，将在后续章节中学习。

1.1.2传热学研究中的基本假设－连续介质(continuum)假定物体的温度等均为空间的连续函数。

对于液体直到空间尺度为微米的通道、对于气体只要容器的空间尺度远大于分子平均自由程这一假设均成立。

常压常温下空气分子的平均自由程约为0.07微米。

大部分工程领域中所研究对象的空间尺度远大于这些数值，因此连续介质的假定都成立。

第17页：根据钱学森的建议气体的流动区域按其平均自

根据钱学森的建议气体的流动区域按其平均自由程与空间特征尺度之比（Knudsen数）分类如下：最近几十年高新技术的发展促进了对极小空间与极短时间内的热量传递过程的研究，这些情况下连续介质以及其它一些假定就不再适用，本课程将在有关部分予以简要介绍。

Tsien Hue-Shen. J. Aeronautical Science, 1946, 13:653-664

第18页：热量传递的机理－热能是如何通过导热

热量传递的机理－热能是如何通过导热、对流与辐射的方式传递的；

热量传递的规律－所传递的热量与温差间的定量关系以及温度分布的数学描写；

利用这一定量关系进行所传递热量的计算；

热量传递规律的测试方法－通过测试获得所研究过程的规律。

1.1.3传热学的主要内容

第19页：1.1.4传热学与工程热力学

1.1.4传热学与工程热力学、流体力学的关系1.工程热力学1)都是物理学热学一部分，热力学第一定律是研究一切热传递现象的基本依据；

两种介质分界面上的能量平衡（热平衡）：就是热力学第一定律的应用。

第20页：热力学研究平衡态，不讲究热量传递的速率

• 2)热力学研究平衡态，不讲究热量传递的速率，时间不出现在热力学各物理量单位的分母中（单位J/kg）;传热学研究非平衡态，着重研究热量传递的速率(q: J/(m2s)= W/m2)。

热力学研究：每公斤钢从1000oC冷到100oC所散失的热量；

油，M2100oC铁块,M11000oC假设油的热容量很大传热学研究钢块中某点（如中心）冷却到某个温度所需要的时间。

第21页：流体力学1)研究流体

• 2.流体力学1)研究流体（包括液体和气体）这样一种连续介质的宏观运动规律以及它与固体之间相互作用的力；

一般地说，它不涉及流体与固体之间的热量传递。

• 2)对流换热与流体的流动密不可分,流体力学是传热学的先修课程。

传热学：研究有温差的流动，研究流体与固体间热量的交换。

流体力学：一般研究等温流动，研究流动的阻力。

第22页：1.应用十分广泛：军用，民用，家用

• 1.应用十分广泛：军用，民用，家用。

传热学应用领域的树状结构1.1.4传热学的应用3.工程热力学、流体力学与传热学是能源、动力类专业的三门技术基础课程。

第23页：空间尺度跨越

• 2.空间尺度跨越20个数量级

第24页：时间尺度也跨越

• 3.时间尺度也跨越20个数量级

第25页：换热设备的尺度变化

换热设备的尺度变化：大型换热器的尺度在几十米这是尺度在几米的板式换热器这种螺旋管式换热器直径1米左右家用空调的蒸发器冷凝器高度有几十厘米这是微细尺度通道冷却器，大约3－5厘米左右微尺度换热器的外形尺寸只有几十毫米了