传热学课件

❖ （ 3 ）非导电固体：导热是通过晶格结构 的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、 分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
❖（ 4 ）液体的导热机理：存在两种不同的 观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些， 因液体分子的间距较近，分子间的作用力对 碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非 导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动， 原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的） 的作用。
❖ 在辐射时，辐射体内热能 → 辐射能；在吸收时， 辐射能 → 受射体内热能，因此，辐射换热过程 是一种能量互变过程。
③ 辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程， 即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温 物体向高温物体辐射热能，
④辐射换热不需要中间介质，在真空中即 可进行，而且在真空中辐射能的传递最有 效。因此，又称其为非接触性传热。
tw1 tw2 A /
t w2 t f 2 Ah2
（d） （e） （f）
三式相加，整理可得:
A(t f 1 t f 2 )
1 1
h1 h2
也可以表示成:
（1-10）
Ak (t f 1 t f 2 ) Akt （1-11）
式中， k称为传热系数，单位为
3 、对流换热的基本规律 < 牛顿冷却公式 >
流体被加热时：
q h(t w t f )
（1-3）
流体被冷却时：
q h(t f t w )
（1-4）
式中， t w及 分t f别为壁面温度和流体温
度，℃。
❖ 如果把温差（亦称温压）记为 t，并约定
永远取正值，则牛顿冷却公式可表示为
q ht
（1-5）
二、对流
1 、基本概念
1) 对流：是指由于流体的宏观运动，从而使 流体各部分之间发生相对位移，冷热流体 相互掺混所引起的热量传递过程。 对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随 有导热现象。
2) 对流换热：流体流过一个物体表面时的 热量传递过程，称为对流换热。
2 、对流换热的分类
1）根据对流换热时是否发生相变分：有
❖ 传热学是建筑环境与设备工程专业的主 干专业课之一，在教学中重视学生在学习过 程中的主体地位，启迪学生学习的积极性， 在时间上给学生留有一定的思维空间。从而 进一步培养创新的思维能力。对综合性、应 用性强的传热问题都有详细地分析讨论。同 时介绍了传热学的发展动态和前景。从而给 学生开辟了广阔且纵深的思考空间。
a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷 却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却； 卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大 气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷 却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火 箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机
b 微电子： 电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存 d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮 存 e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵 f 新能源：太阳能；燃料电池
4、学习目的 通过学习能熟练掌握传热过程的基本规
律、实验测试技术及分析计算方法，从而达 到认识、控制、优化传热过程的目的。
§1-2 热量传递的三种基本方式
一、导热（热传导） 1 、概念
定义：物体各部分之间不发生相对位 移时，依靠分子、原子及自由电子等微观 粒子的热运动而产生的热量传递称导热。
如：固体与固体之间及固体内部的热量 传递。
而 q ＜０，说明此时热量沿 x 减小的方向 传递； ❖ （ 2 ）反之，当 dd<xt 0 时， q>0 ，说明 热量沿 x 增加的方向传递。
❖ （ 3 ）导热系数 λ 表征材料导热性能优劣 的参数，是一种物性参数，单位： w/mk 。
❖ 不同材料的导热系数值不同，即使同一种 材料导热系数值与温度等因素有关。金属 材料最高，良导电体，也是良导热体，液 体次之，气体最小。
（ 1 ）稳态传热过程； （ 2 ）非稳态传热过程。 1 ）稳态传热过程（定常过程）
凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递 过程均称稳态传热过程。
2 ）非稳态传热过程（非定常过程） 凡是物体中各点温度随时间的变化而变化
的热传递过程均称非稳态传热过程。 各种热力设备在持续不变的工况下运行时
的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停 机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热 过程。
从微观角度分析气体、液体、导电固体与 非金属固体的导热机理。
（ 1 ）气体中：导热是气体分子不规则 热运动时相互碰撞的结果，温度升高，动 能增大，不同能量水平的分子相互碰撞， 使热能从高温传到低温处。
❖ （ 2 ）导电固体：其中有许多自由电子， 它们在晶格之间像气体分子那样运动。自 由电子的运动在导电固体的导热中起主导 作用。
说明：只研究导热现象的宏观规律。
2 、导热的基本规律
❖ 1 ）傅立叶定律 ❖ （ 1822 年，法国物理学家）
如图 1-1 所示的两个表面分别维持均匀 恒定温度的平板，是个一维导热问题。对于 x方向上任意一个厚度为的微元层来说，根 据傅里叶定律，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，即
二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容 之一，是建环专业必修的专业基础课。是 否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到 后续专业课的学习效果。
2 、传热学在生产技术领域中的应用十分广 泛。如：
(1) 日常生活中的例子：
(1) 日常生活中的例子：
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？ 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？
AT 4 （ 1-8 ）
其中 Φ ——物体自身向外辐射的热流量， 而不是辐射换热量；
——物体的发射率（黑度），其值总
小于1，它与物体的种类及表面状态有关。
要计算辐射换热量，必须考虑投到物体 上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量， 详见第八章。
物体包容在一个很大的表面温度为的空 腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量
三、传热学的特点、研究对象及研究方法
1、特点
❖ 1 ）理论性、应用性强 ❖ 传热学是热工系列课程内容和课程体系
设置的主要内容之一。是一门理论性、应 用性极强的专业基础课，在热量传递的理 论分析中涉及到很深的数学理论和方法。 在生产技术领域应用十分广泛。传热学的 发展促进了生产技术的进步。
❖ 2) 有利于创造性思维能力的培养
❖ 当物体的温度仅在 x 方向放生变化时，按 傅立叶定律，热流密度的表达式为:
q dt
A dx
（1-2）
说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式 （ 1-1 ）、（ 1-2 ）是一维稳态导热时 傅立叶定律的数学表达式。通过分析可知：
dt ❖ （ 1 ）当温度 t 沿 x 方向增加时， ＞dx０
❖ 研究的是由微观粒子热运动所决定的 宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻 求热量传递的规律，认为研究对象是个连 续体，即各点的温度、密度、速度是坐标 的连续函数，即将微观粒子的微观物理过 程作为宏观现象处理。
由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但 是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方 程），但不能确定物体内温度分布。
相变的对流换热和无相变的对流换热。
2）根据引起流动的原因分：自然对流和
强制对流。
1 ）自然对流：
由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的 流动。
如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。
2 ）强制对流：
流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用 所造成的。
3 ）沸腾换热及凝结换热：
液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的 对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对流 沸腾）。
Aht
（1-6）
其中 h —比例系数（表面传热系数）
单位
W。/ m2 K
h 的物理意义：单位温差作用下通过单位 面积的热流量。 表面传热系数的大小与传热过程中的许多因 素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表 面的形状、大小相对位置，而且与流体的流 速有关。
一般地，就介质而言：水的对流换热比空气 强烈； 就换热方式而言：有相变的强于无相变的； 强制对流强于自然对流。 对流换热研究的基本任务： 用理论分析或 实验的方法推出各种场合下表面换热导数的 关系式。
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？
(2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题
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…
(3) 几个特殊领域中的具体应用
❖ 黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于 斯忒藩——玻耳兹曼定律，即
AT 4 （1-7）
其中 T ——黑体的热力学温度 K ；
——斯忒潘—玻耳兹曼常数（黑体辐 射常数），其值为 5.6710-；8 W/ m2 K4
A——辐射表面积 m2 。
实际物体辐射热流量根据斯忒潘——玻耳 兹曼定律求得：
❖ 说明：辐射换热是一个动态过程，当物体 与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热 量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进 行，只是辐射热与吸收热相等。
3 ）导热、对流、辐射的评述 ① 导热、对流两种热量传递方式，只在有物
质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需 中间介质，可以在真空中传递，而且在真空 中辐射能的传递最有效。 ② 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换， 而且伴随有能量形式的转化。
三、热辐射
1、基本概念
1 ）辐射和热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐
射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热 辐射。
2 ）辐射换热 辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射
方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。
❖ 自然界中的物体都在不停的向空间发出热 辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的 辐射热。
❖ 3 ）教育思想发生了本质性的变化
❖ 传热学课程教学内容的组织和表达方 面从以往单纯的为后续专业课学习服务转 变到重点培养学生综合素质和能力方面， 这是传热学课程理论联系实际的核心。从 实际工程问题中、科学研究中提炼出综合 分析题，对培养学生解决分析综合问题的 能力起到积极的作用。
❖ 2 、研究对象 ❖ 传热学研究的对象是热量传递规律。 ❖ 3 、研究方法
第一章
绪
论
§1-0 概 述
一、基本概念
❖ 1 、传热学 ❖ 传热学是研究热量传递规律的学科。 ❖ 1)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； ❖ 2)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。
2 、热量传递过程 根据物体温度与时间的关系，热量传递过程 可分为两类：
3 、传热过程的计算
针对稳态的传热过程，即 Q=const
如图 1- 3 ，其传பைடு நூலகம்环节有三种情况，则其
热流量的表达式如下：
Ah1 t f 1 tw1
A
t w1
tw2
Ah2 tw2 t f 2
（a） （b） （c）
将式（a）、（b）、（c）改写成温差的形 式：
t f 1 t w1 Ah1
⑤热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏 观表象。
⑥ 物体的辐射能力与其温度性质有关。这 是热辐射区别于导热，对流的基本特点。
2 、热辐射的基本规律：
❖ 所谓绝对黑体：把吸收率等于 1 的物体
称黑体，是一种假想的理想物体。
❖ 黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中
是最大的而且辐射热量服从于斯忒藩—— 玻耳兹曼定律。
A dt
dx
（1-1）
式中 是比例系数，称为热导率，又称导
热系数，负号表示热量传递的方向与温度
升高的方向相反。
❖ 2 ）热流量
❖ 单位时间内通过某一给定面积的热量称为
热流量，记为 ，单位 w。
❖ 3 ）热流密度（面积热流量）
❖ 单位时间内通过单位面积的热量称为热流 密度，记为 q ，单位 w/ ㎡。
1 A1 (T14 T24 ) （ 1-9 ）
§1-3 传热过程和传热系数
一、传热过程 1 、概念
热量由壁面一侧的流体通过壁面传到 另一侧流体中去的过程称传热过程。
2 、传热过程的组成 传热过程一般包括串联着的三个环节组成， 即：
① 热流体 → 壁面高温侧； ② 壁面高温侧 → 壁面低温侧； ③ 壁面低温侧 → 冷流体。 若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。