传热学-第1章-绪论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传热学,第,1,章 绪论,第,1,章 绪论,内容要求：,传热学的研究内容；,热量传递的三种基本方式；,传热过程和传热系数；,传热学的发展简史；,传热学的研究方法,。,1.,传热学,（,heat transfer,）,是研究由温差引起的热量传递规律的科学。,1.1,传热学的研究内容及其在科学,技术和工程中的应用,1.1.1,传热学的研究内容,1.1.2,传热学研究中的连续介质假设,假设所研究的物体中的温度、密度、速度、,压力等物理参数都是,空间的连续函数,。,说明,气体：要求被研究物体的几何尺寸,远大于分子间的平均自由程。,1.1.3,传热学与工程热力学的关系,最根本的区别：,工程热力学研究处于平衡状态的系统；,传热学研究有温差存在时的热量传递规律。,相互联系：,工程热力学的基本理论：热力学第一定律，,热力学第二定律是进行传热研究的基础。,研究平衡体系。计算钢棒在冷却过程中,散失的热量。,钢棒和水组成的系统最终的平衡温度。,需要多长时间才能达到平衡状态，即热传播,的速率。,达到平衡状态前某一时刻钢棒的温度是多少？,即钢棒和水的温度随时间的变化规律。,水桶内灼热钢棒,的冷却过程,举例,热力学分析,传热学分析,1.1.4,传热学在科学技术各个领域中的应用,（,1,）强化传热；在一定条件下增加所传递的热量。,（,2,）削弱传热：在一定温差下使热量传递减到最小。,（,3,）温度控制：保证设备安全经济运行等。,例如：室内暖气片的散热，电器设备，电子元件的散热等。,例如：建筑物的隔热保温，暖水瓶的保温等。,例如：工件加热冷却熔化凝固过程中温度场的控制等，,可归纳为三种类型的问题：,暖气片散热,散热风扇,纳米玻璃隔热涂料,暖水瓶保温,返回舱防热外壳,1.2,热量传递的三种基本方式,热传导,（,conduction,）,热对流,（,convection,）,热辐射,（,radiation,）,热量传递的三种基本方式：,加热炉炉墙的导热,暖气片周围气体的对流,太阳辐射,1.,定义：,物体,的各部分之间,不发生宏观相对位移,时，,依靠物体内部分子、原子及自由电子等,微观粒子,的热运动而产生的热量传递过程。,无论固体，液体和气体，只要有温度差，,在接触时就会发生导热现象。,单纯的导热，只能发生在密实的固体中。,1.2.1,热传导,（,conduction,）,说明,2.,一维稳态导热的傅里叶定律,（,Fouriers law of one-dimensional steady state heat-conduction,）,考察两个表面均维持均匀温度的大平板导热,一维稳态导热的傅里叶定律：,法国数学,物理学家,Joseph.Fourier,（,1768-1830,）,一维稳态导热,热流量,（,heat transfer-rate,）,单位,时间通过给定面积传递的热量。,W,kW,式中：,导热系数,（,the thermal conductivity,）,反映了材料的导热能力。,W/(,m.K,),q,热流密度（,heat flux,）,单位时间通过单位面积传递的热量。,W/m,2,dt/dx,热流方向上的温度梯度。,负号的含义,温度梯度的方向？,热量传递的方向？,A,与热量传递方向相垂直的平板面积。,1.,热对流和对流换热,（,1,）热对流,是指由于,流体,的,宏观运动,而引起的流体各部分之间发生,相对位移时，,冷热流体相互掺混,所引起的热量传递过程。,（,2,）,对流换热,（,convection heat transfer,）,流体流过与之接触的固体表面时，,流体与固体表面之间由于存在温度差,所发生的,对流和导热联合起作用,的,热量传递现象。,平壁表面的,传热机理,1.2.2,热对流,（,convection,）,2.,牛顿冷却公式,（,Newtons law of cooling,）,式中：,h,对流换热的表面传热系数 。,W/m,2,.K,（,the convection heat transfer coefficient,）,t,壁面及流体间的总温差。,A,换热表面积。,英国数学家，科学家，哲学家牛顿,Isaac Newton,（,1642,年,-1727,年）,3.,对流换热的表面传热系数,（,1,）,其大小反映了对流换热的强弱。,流体的物性：导热系数,粘度,密度,比热容等。,流动的成因：自然对流,强制对流。,流动的形态：层流,紊流。,换热表面的形状、大小和布置。,换热时流体有无相变：沸腾换热,凝结换热。,（,2,）影响因素：,（,3,）研究对流换热的主要目的之一,就是确定不同换热条件下的表面传热系数的,具体表达式。,室内暖气片周围气体的自然对流,地面热气体的上升,汽车发动机冷却,室内外冷热空气的换热,自然对流换热,强制对流换热,加热热水沸腾,冷凝器内过热蒸汽的冷凝,管内流动,外部绕流,物体表面的形状，大小和布置,有相变换热：沸腾换热，凝结换热,几种对流传热过程表面传热系数的数值大致范围,传热过程,介质种类,表面传热系数,h W/m,2,.K,自然对流,空气,1-10,水,200-1000,强制对流,气体,20-100,高压水蒸气,500-35000,水,1000-1500,水的相变换热,沸腾,2500-35000,蒸汽凝结,5000-25000,就介质而言，水的对流传热比空气强烈；,就对流传热方式而言，,有相变的传热比无相变传热强烈，,强制对流比自然对流强烈。,说明,（,2,）,热辐射：物体由于受热向外发射辐射能的现象。,1.,热辐射的有关概念,1.2.3,热辐射,（,radiation,）,（,1,）,辐射：指物体受到某种因素的激发而向外,通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。,受热，电子碰撞，,光照，化学反应等。,（,3,）,辐射传热,（,radiation heat transfer,）,物体,间以辐射方式进行的包含,辐射与吸收过程综合结果的热量,传递过程。,（,2,）,所有温度大于,0K,的实际物体都具有发射,热辐射的能力。,（,3,）,热辐射过程中不仅有能量的传递，,而且有能量形式的转化。,（,1,）可以不依靠中间介质，在真空中传播。,热力学能,热力学能,辐射能,2.,热辐射的特点,3.,辐射的基本计算公式,（,1,）黑体辐射的斯忒藩,-,波耳兹曼定律,式中,:,黑体辐射常数，。,（,2,）实际物体辐射热流量,式中,:,物体的发射率（黑度）。,（,3,）小物体与大空间表面间的辐射换热量,式中,:,小物体的发射率，表面积和表面温度。,热水,对流换热,导热,对流换热,辐射换热,内壁,外壁,周围环境,暖气片的散热过程：,蒸汽动力装置中冷凝器的放热过程：,凝结换热,导热,对流换热,蒸汽,冷却水,管子内壁,管子外壁,实际的传热过程,1.3,传热过程和传热系数,传热过程,（,overall heat transfer process,）,热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递,到另一侧流体中的过程。,传热过程的三个环节：,热量以对流换热的方式从,高温流体传给,高温壁面,，有时还有辐射换热；,热量以导热方式由,高温流体壁面传给,低温流体壁面,；,热量以对流换热方式从,低温流体壁面传给,低温流体,，有时还有与周围环境的辐射换热。,已知：一块,大平壁,导热系数,=,常数，厚度，,平壁左侧流体温度,t,f1,表面传热系数,h,1,平壁右侧流体温度,t,f2,表面传热系数,h,2,且,t,f1,t,f2,.,设平壁两侧流体温度和表面传热系数不随时间变化,。,（,1,）,传热过程的组成；,（,2,）,通过平壁传递的热量。,1.3.1,传热方程式,考察,冷热流体通过大平壁的热量传递过程,分析,从热流体到高温壁面侧的热量传递：,从高温壁面侧到低温壁面侧的热量传递：,从低温壁面侧到冷流体的热量传递：,一维稳态导热,稳态传热过程：,传热系数,（,overall heat transfer coefficient,）,：,或传热方程式：,传热系数是表征传热过程强烈程度的标尺。,说明,传热热阻：,1.3.2,传热热阻,（,overall thermal resistance,）,t,f1,t,w2,t,w1,t,f2,R,h1,R,h2,R,模拟热路：,1.4,传热学的发展简史和研究方法,1.4.1,传热学的发展简史,1.4.2,传热学的研究方法,1.,理论分析：,应用数学分析理论，求解在给定条件下的微分,方程，确定物体中各点的速度、温度等函数。,2.,实验测定：,在相似原理指导下的实验研究方法。,3.,数值模拟：,应用数值求解方法，借助计算机求出近似解。,1.,在有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制,在,20,，夏天只需穿衬衫，但冬天穿衬衫会感,到冷，这是为什么？,2.,在同样的气温时，为何刮风天气比无风天气感,到寒冷？,例 题,压缩空气在中间冷却器的管外流过，,h,1,=90,W/(m,2.,K),，,冷却水在管内流过，,h,2,=6000W/(m,2,.K),。冷却管是外径,为,16mm,，厚,1.5mm,的黄铜管，黄铜管的导热系数,=111W/(m.K),。,求,（,1,）此时传热系数；,（,2,）如管外换热系数增加一倍，传热系数有何变化；,（,3,）如管内换热系数增加一倍，传热系数又有何变化。,（给出你的分析结论。按平壁处理。）,