傳熱學(xué)HeatTransfer青島科技大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)3/5/20241考核方法平時(shí)成績(jī):30%(包括：出勤及作業(yè))期末考試:70%3/5/20242教材《傳熱學(xué)》楊世銘陶文銓第四版

《傳熱學(xué)》楊世銘陶文銓第三版

《傳熱學(xué)》陳維漢許國(guó)良編著版

《HeatTransfer》J.P.Holman8thedition《數(shù)值傳熱學(xué)》陶文銓第二版參考書3/5/20243第一章緒論

§1-1傳熱學(xué)概述

§1-2熱量傳遞的基本方式

§1-3傳熱過(guò)程與熱阻

§1-4傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史3/5/20244§1-1傳熱學(xué)概述一、傳熱學(xué)（HeatTransfer）研究溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué)

研究：機(jī)理、規(guī)律、模型、實(shí)驗(yàn)

特點(diǎn)：實(shí)用性強(qiáng)、涉及面廣

本質(zhì)：溫差——熱量傳遞的推動(dòng)力熱力學(xué)第二定律

熱量可以自發(fā)的由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩础？梢娪袦夭畋赜袀鳠帷?/5/20245分類：穩(wěn)態(tài)過(guò)程和非穩(wěn)態(tài)過(guò)程就物體溫度與時(shí)間的依存關(guān)系而言,可以分為穩(wěn)態(tài)過(guò)程和非穩(wěn)態(tài)過(guò)程

物體中各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而改變的熱傳遞過(guò)程

例如：各種熱力設(shè)備在持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的熱傳遞

物體中各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變的熱傳遞過(guò)程例如：?jiǎn)?dòng)、制動(dòng)、停機(jī)過(guò)程中所經(jīng)歷的熱傳遞過(guò)程3/5/20246二、傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)的關(guān)系工程熱力學(xué)研究熱能與機(jī)械能及其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門科學(xué)熱力學(xué)第一定律

關(guān)于能量守恒——能量數(shù)量熱力學(xué)第二定律

關(guān)于能量品質(zhì)——能量質(zhì)量3/5/20247傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)分析熱量傳遞現(xiàn)象和過(guò)程的機(jī)理，揭示過(guò)程特征和規(guī)律

——理論聯(lián)系實(shí)際具有共同的研究對(duì)象：熱現(xiàn)象和熱過(guò)程

能量在數(shù)量上保持守恒——能量方程熱量始終是從高溫物體傳給低溫物體傳熱學(xué)和熱力學(xué)的聯(lián)系熱力學(xué)的基本定律是傳熱學(xué)理論的基礎(chǔ)

傳熱學(xué)理論給出熱力學(xué)過(guò)程的詳細(xì)信息

3/5/20248工程熱力學(xué)不考慮能量傳遞過(guò)程所需要的時(shí)間，研究熱力過(guò)程進(jìn)行的條件、方向和深度，研究能量轉(zhuǎn)換和傳遞的數(shù)量關(guān)系和能量利用的品質(zhì)；傳熱學(xué)則引入時(shí)間的概念，研究在不同方式下熱量傳遞的動(dòng)態(tài)過(guò)程，研究熱力設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)傳遞熱量的效能。傳熱學(xué)和熱力學(xué)的區(qū)別工程熱力學(xué)不考慮熱力設(shè)備在不同地點(diǎn)的參數(shù)變化，研究熱力過(guò)程的起始點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)變化；傳熱學(xué)則引入空間的概念，研究熱力設(shè)備場(chǎng)空間的物理參數(shù)。工程熱力學(xué)研究平衡過(guò)程（冷熱介質(zhì)的溫差逐漸趨于無(wú)限?。┖涂赡孢^(guò)程（理想過(guò)程），傳熱學(xué)研究的是非平衡過(guò)程和不可逆過(guò)程（有能量損失和耗散）3/5/20249熱力學(xué)+傳熱學(xué)=熱科學(xué)(ThermalScience)

系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過(guò)程中傳遞熱量的多少。

關(guān)心的是熱量傳遞的過(guò)程，即熱量傳遞的速率。3/5/202410§1-2熱量傳遞的基本方式

熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3/5/202411

熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3/5/202412

熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3/5/202413一熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）Heatconduction熱傳導(dǎo)的定義熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)

可發(fā)生在任何物質(zhì)的任何地點(diǎn)(固體、液體、氣體)

傳熱形式：依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而傳遞——微觀過(guò)程，不產(chǎn)生宏觀位移。

溫度不同的物體各部分之間或溫度不同的各物體之間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子即自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱量傳遞的現(xiàn)象物體內(nèi)部存在溫差，或具有溫差的物體直接接觸。3/5/202414導(dǎo)熱機(jī)理氣體：氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果導(dǎo)電固體：自由電子運(yùn)動(dòng)非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)振動(dòng)液體：兼有氣體和固體導(dǎo)熱的機(jī)理3/5/202415導(dǎo)熱基本定律tf1,h1

tw1tw2tf2,h2

：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量[W]平壁兩側(cè)壁溫之差熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier：A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積q：熱流密度，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量平壁的厚度[m]；3/5/202416

熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))(Thermalconductivity)單位厚度(1m)、單位溫度差（1K）物體，在它的單位面積上(1m2)、每單位時(shí)間(1s)的導(dǎo)熱量(J)。

熱導(dǎo)率表示材料導(dǎo)熱能力大小3/5/202417導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)的定義式由傅里葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式給出:測(cè)量方法有穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值取決于物質(zhì)的種類和溫度等因素習(xí)慣上把導(dǎo)熱系數(shù)小的材料稱為保溫材料,效能高的保溫材料都是蜂窩狀多孔性結(jié)構(gòu)的材料.3/5/202418導(dǎo)熱熱阻：與直流電路的歐姆定律

I=U/R相似。

熱流量是單位時(shí)間傳遞的熱量；

——它體現(xiàn)了傳熱的速率或快慢

傳熱是一個(gè)過(guò)程，穩(wěn)態(tài)，非穩(wěn)態(tài)；

——區(qū)別于熱力學(xué)的平衡態(tài)傳熱學(xué)中熱流量的單位是[W]，

而非[J]；[W]=[J]/[s]Thermalresistanceforconduction

熱流量和導(dǎo)熱熱阻3/5/202419例題1-1例題1-1一塊厚度δ=50mm的平板，兩側(cè)表面分別維持在試求下列條件下的熱流密度。材料為銅，λ=375w/(mK);材料為鋼，λ=36.4

w/(mK);材料為鉻磚，λ=2.32

w/(mK)；材料為鉻藻土磚，λ=0.242

w/(mK)。解：參見圖1-3。及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：3/5/202420鉻磚：

硅藻土磚：討論：由計(jì)算可見，由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，導(dǎo)致在相同的條件下通過(guò)銅板的導(dǎo)熱量比通過(guò)硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。因而，銅是熱的良導(dǎo)體，而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用銅：鋼：3/5/202421二熱對(duì)流

Heatconvection

流體中有溫差——熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo)流體中(氣體或液體)溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象熱對(duì)流的定義若熱對(duì)流過(guò)程使具有質(zhì)量流量G的流體由溫度t1處流至溫度t2處，則此過(guò)程傳遞的熱流量為：3/5/202422對(duì)流換熱流體與固體壁之間的熱量交換（Convectionheattransfer）對(duì)流換熱實(shí)例：

1)電子器件冷卻

2)取暖器對(duì)流換熱的特點(diǎn)：對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱；

——不是基本傳熱方式1)流體與壁面直接接觸，有宏觀運(yùn)動(dòng)；有溫差由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層3）導(dǎo)熱存在3/5/202423

對(duì)流換熱的基本計(jì)算式

—熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量[W]q—熱流密度h—換熱系數(shù)A—與流體接觸的壁面面積—固體壁表面溫度—流體溫度牛頓冷卻公式（1701）3/5/202424當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量影響h因素：對(duì)流換熱熱阻

（Convectiveheattransfercoefficient）對(duì)流換熱系數(shù)流速、流體物性、壁面形狀大小等3/5/202425Thermalresistanceforconvection

對(duì)流換熱熱阻3/5/202426

定義：物體轉(zhuǎn)化本身的熱力學(xué)能向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象；凡物體都具有輻射能力物體的溫度越高、輻射能力越強(qiáng)；若物體的種類不同、表面狀況不同，其輻射能力不同三、熱輻射（Thermalradiation）

黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體。或稱絕對(duì)黑體

黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng)3/5/202427

斯蒂芬-玻爾茲曼定律黑體在單位時(shí)間內(nèi)向外發(fā)出的輻射能：—黑體表面的絕對(duì)溫度（熱力學(xué)溫度）—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，或稱黑體輻射常數(shù)—黑體輻射表面積（Stefan-Boltzmannlaw）一切實(shí)際物體輻射能力都小于同溫度下的黑體—實(shí)際物體表面的發(fā)射率（黑度），0~1；與物體的種類、表面狀況和溫度有關(guān)3/5/202428

輻射換熱Radiationheattransfer

不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量在輻射換熱過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換物體熱力學(xué)能——電磁波能——物體熱力學(xué)能

無(wú)論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量；總的效果是熱由高溫物體傳到低溫物體物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞輻射換熱的特點(diǎn)：3/5/202429T1T2QA兩平行黑平板間的輻射換熱

對(duì)于兩個(gè)相距很近的黑體表面，由于一個(gè)表面發(fā)射出來(lái)的能量幾乎完全落到另一個(gè)表面上，那么它們之間的輻射換熱量為：

當(dāng)T1=T2時(shí)，也就是物體和周圍環(huán)境處于熱平衡，輻射換熱量等于零。但此時(shí)是動(dòng)態(tài)平衡，輻射和吸收仍在不斷進(jìn)行。此時(shí)物體的溫度保持不變。3/5/202430例題1-2

一根水平放置的蒸汽管道，其保溫層外徑d=583mm，外表面實(shí)測(cè)平均溫度及空氣溫度分別為，此時(shí)空氣與管道外表面間的自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42W/(m2K),保溫層外表面的發(fā)射率問(wèn)：（1）此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式；（2）計(jì)算每米長(zhǎng)度管道的總散熱量。解：（1）此管道的散熱有輻射換熱和自然對(duì)流換熱兩種方式。（2）把管道每米長(zhǎng)度上的散熱量記為量為：3/5/202431近似地取管道的表面溫度為室內(nèi)空氣溫度，于是每米長(zhǎng)度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為：討論：計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于表面溫度為幾上幾十?dāng)z氏度的一類表面的散熱問(wèn)題，自然對(duì)流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級(jí)，必須同時(shí)予以考慮。當(dāng)僅考慮自然對(duì)流時(shí)，單位長(zhǎng)度上的自然對(duì)流散熱3/5/202432§1-3傳熱過(guò)程與熱阻傳熱過(guò)程：熱量由熱流體通過(guò)間壁傳給冷流體的過(guò)程傳熱過(guò)程通常由導(dǎo)熱、熱對(duì)流、熱輻射組合形成

k為傳熱系數(shù)，W/(

m2oC)。在數(shù)值上，傳熱系數(shù)等于冷、熱流體間溫差為1

oC、傳熱面積A為1m2時(shí)的熱流量值，是一個(gè)表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的物理量。傳熱過(guò)程越強(qiáng)，傳熱系數(shù)越大，反之則越弱為熱流體與冷流體間的平均溫差3/5/202433傳熱系數(shù)的計(jì)算假設(shè)傳熱過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)從熱流體tf1到壁面高溫側(cè)tw1的換熱：從壁面高溫側(cè)tw1到低溫側(cè)tw2的換熱：從壁面低溫側(cè)tw2到冷流體tf2的換熱：3/5/202434熱阻熱電現(xiàn)象的比擬

電學(xué)中的歐姆定律:電流=電壓/電阻:傳熱現(xiàn)象中:熱流=溫差(壓)/熱阻:式中總熱阻和分熱阻的關(guān)系也具有電學(xué)中串聯(lián)電路的電阻疊加特性：總電阻等于各串聯(lián)分電阻之和。

表示成熱阻的形式

3/5/202435單位面積傳熱熱阻h1、h2的計(jì)算方法及增加k值的措施是本課程的重要內(nèi)容如果各環(huán)節(jié)的熱量傳遞面積不相等，各環(huán)節(jié)熱阻串聯(lián)可以寫成面積熱阻的形式；如通過(guò)圓筒壁的傳熱。

tf2tf1tw1tw21/(A1h1)

/(A

)1/(A2h2)總熱阻為：(以面積A為基準(zhǔn))傳熱量面積熱阻3/5/202436現(xiàn)實(shí)生活和生產(chǎn)中存在大量的傳熱問(wèn)題能源、動(dòng)力、冶金、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、電子、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、農(nóng)業(yè)、植物、航空航天、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…3/5/202437a航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的 再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行 器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（Ma=10）冷卻； 核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）； 太陽(yáng)能高空無(wú)人飛機(jī)b

微電子：電子芯片冷卻c生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑煟簧镄酒?；組織與器官的冷凍保存d軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存e制冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵；高溫水源熱泵f新能源：太陽(yáng)能；燃料電池3/5/202438溫差是熱量傳遞的推動(dòng)力Thereisnoenergyflowbetweentwoobjectsatthesametemperature.Energyflowsfromhotobjectstocold.3/5/202439分子、原子和自由電子的運(yùn)動(dòng)3/5/202440ConductioningasWecomparehydrogen(yellow,mass=2)withoxygen(blue,mass=32)totheleft.Asthetemperaturegoesup,thespeedofthemoleculesincreases.3/5/202441ConductioninMetalsAllmetalsaregoodconductorsof

electricity.

Forasimilarreason,theyarealsogoodconductorsofheat.Inmetals,notonlydothe

atomsvibrate

morewhenheated,butthe

freeelectrons

chargearoundmoreaswell.Thesetransfertheenergy

muchfaster

thanjustvibrationsinbonds.3/5/202442ConductioninNon-Metals

Everyatomisphysicallybondedtoitsneighboursinsomeway.If

heatenergy

issuppliedtoonepartofasolid,theatoms

vibratefaster.

Eventuallytheenergyspreadsthroughoutthesolid.Theoveralltemperaturehasincreased.

Astheyvibratemore,thebondsbetweenatomsare

shakenmore.Thispassesvibrationsontothenextatom,andsoon:13/5/202443Mosthouseshaveradiatorstoheattheirrooms.Thisisabadnameforthem-astheygiveoffheatmainlyby

convection!

Theceilingforcesthisairtocirculate

asshown,warmingtheairaroundit.

Finally,whentheairhascooled,it

fallsdownwards,completingthecycle.

Theconvectorheaterwarmstheairincontactwithit.Thisbecomeslessdense,and

rises.3/5/202444whybreezescomefromtheoceaninthedayandfromthelandatnight？3/5/202445§1-4

傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史18世紀(jì)30年代工業(yè)化革命促進(jìn)了傳熱學(xué)的發(fā)展導(dǎo)熱（Heatconduction）鉆炮筒大量發(fā)熱的實(shí)驗(yàn)（B.T.Rumford,1798年）兩塊冰摩擦生熱化為水的實(shí)驗(yàn)（H.Davy,1799年）導(dǎo)熱熱量和溫差及壁厚的關(guān)系（J.B.Biot,1804年）Fourier導(dǎo)熱定律(J.B.J.Fourier,1822年）G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/M.Jakob

3/5/202446對(duì)流換熱（Convectionheattransfer）不可壓縮流動(dòng)方程（M.Navier,1823年)流體流動(dòng)Navier-Stokes基本方程(G.G.Stokes,1845年）雷諾數(shù)(O.Reynolds,1880年）自然對(duì)流的理論解（L.Lorentz,1881年）管內(nèi)換熱的理論解（L.Graetz,1885年；W.Nusselt,1916年）凝結(jié)換熱理論解（W.Nusselt,1916年）強(qiáng)制對(duì)流與自然對(duì)流無(wú)量綱數(shù)的原則關(guān)系（W.Nusselt,1909年/1915年）流體邊界層概念（L.Prandtl,1904年）熱邊界層概念（E.Pohlhausen,1921年）湍流計(jì)算模型（L.Prandtl,1925年；Th.VonKarman,1939年；R.C.Martinelli,1947年）

3/5/202447熱輻射及輻射換熱(Thermalradiation)黑體輻射光譜能量分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(O.L