传热学第1章-40学时
传热学A-第一章
传热学 Heat Transfer
§1-2 热量传递的三种基本方式
传热学 Heat Transfer
一.热传导（简称导热） 1.定义：同一物体不同温度的各部分之间,或温度 不同的两物体直接接触时，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。
传热学 Heat Transfer
传热学 Heat Transfer
3.分类 对流换热按照不同的原因可分为多种类型 流动起因，分为：强迫对流换热和自然对流换热。 是否相变，分为：相变对流换热和无相变对流换热。
传热学 Heat Transfer
4.基本计算式—(牛顿冷却公式)
q = Φ A = h(tw − t f ) ⎡W m ⎤ ⎣ ⎦
δ
x
传热学 Heat Transfer
二.热对流 1.定义：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。
传热学 Heat Transfer
2.特点 ①对流仅能发生在流体中 t
f
tw
Φ
②对流换热：流体流过温度不同的固体壁面时的 热量传递过程,称对流换热.（工程上感兴趣） 对流换热既有对流,也有导热,不属于基本的 传热方式.
传热学 Heat Transfer
第一章 绪 论
本章将论述传热学的研究内容,简介热量 传递的三种基本方式以及由这些方式组合而成 的传热过程，从而对这门学科的研究内容有一 个大体了解。
传热学 Heat Transfer
§1-1 传热学概述
一、传热与传热学 传热：是物质在温差作用下所发生的热量传递。 传热学：研究热量传递规律的一门学科。 研究内容：热量传递的机理、规律、计算和测试方 法。
R U
t1
传热学教学 第一章
2020/1/11
9
热力学 +
系统从一个平衡态到 另一个平衡态的过程 中传递热量的多少。
传热学 = 热科学(Thermal Science)
关心的是热量传 递的过程，即热 量传递的速率。
q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量 A：垂直于导热方向的截面积
平壁的厚度[m]；
热导率(导热系数)
平壁两侧壁温之差 C
tf2, h2
2020/1/11
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热导率 (导热系数) (Thermal conductivity)
单位厚度(1m)、单位温度差（1K）物体，在它的单位面 积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)。
工程热力学不考虑能量传递过程所需要的时间，研究热力过程 进行的条件、方向和深度，研究能量转换和传递的数量关系和 能量利用的品质；传热学则引入时间的概念，研究在不同方式 下热量传递的动态过程，研究热力设备在单位时间内传递热量 的效能。
工程热力学不考虑热力设备在不同地点的参数变化，研究热力 过程的起始点的状态参数变化；传热学则引入空间的概念，研 究热力设备场空间的物理参数。
黑体在单位时间内向外发出的辐射能：
— 黑体表面的绝对温度（热力学温度）K
— 斯蒂芬-玻尔兹曼常数，或称黑体辐射常数
— 黑体辐射表面积 [m2 ]
一切实际物体辐射能力都小于同温度下的黑体
AT 4 [W]
— 实际物体表面的发射率（黑度），0~1；与物体 的种类、表面状况和温度有关
22
对流换热
传热学第一章
14
15
固体的热导率
金属的热导率：
金属 12~418 W (m C)
纯金属的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动 主要依靠前者 金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体： 银 铜 金 铝
T
晶格振动的加强干扰自由电子运动
10K:Cu 12000 W (m C) 15K : Cu 7000 W (m C)
2
学习侧重点：
在理论上做较深入的阐述，注意把数学 理论和传热学问题更好地结合，遵循 “物理模型-数学模型-分析求解”的模 式 要求：掌握热传导、对流换热和辐射换热的 基本理论及分析求解方法，传热强化的原则 和手段
3
第一章
热传导（导热） (heat conduction)
研究方法： 从连续介质的假设出发、从宏观的角度 来讨论导热热流量与物体温度分布及其他影 响因素之间的关系。
5
3）温度梯度(temperature gradient)
在温度场中，温度沿x方 向的变化率(即偏导数)
t x
lim x 0
t x
温度梯度：等温面法线方向的温度变化率矢量： t gradt n 温度梯度是矢量，指 n 向温度增加的方向。
t t t gradt i j k x y z
t 0 f ( x, y, z)
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4)边界条件 说明导热物体边界上的热状态以及与周围环境之间 的相互作用, 例如,边界上的温度、热流密度分布以及 边界与周围环境之间的热量交换情况等。 常见的边界条件分为以下三类:
(a) 第一类边界条件 给出边界上的温度分布及其随时间的变化规律：
tw f , x, y, z
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传热学
传热学第一章绪论1.传热学的定义: 研究由于温度差而引起的热能传递规律的科学.2.热流量（heat transfer rate）：单位时间内通过某一给定面积A的热量，记为Φ，单位为 W3.热流密度（或称面积热流量）:通过单位面积的热流量，记为q，单位是 W/m24.稳态过程与非稳态过程稳态过程：热量传递系统中各点温度不随时间而改变的过程非稳态过程：各点温度随时间而改变的过程5.热传导的定义：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热运动而产生的热量传递过程1）导热是物质的固有属性2）固、液、气等均具有一定的导热能力3）纯导热只发生在密实的固体和静止的流体中导热现象的判断？1）有温差；2）密实固体或静止流体6.模型一平壁稳态导热.影响因素:平壁面积,厚度,温差平壁稳态导热的计算公式：7.λ —热导率，又称导热系数.单位：W/(m·K) (热物理参数)8.热对流：流体中温度不同的各部分发生相互混合的宏观运动而引起的热量传递现象特点: 1）发生在流体中2）流体内部必须存在温差3）流体必须有宏观运动4）伴随着热传导9.对流传热：流动的流体与温度不同的固体壁面间的热量传递过程.(热对流的一种方式,传热学研究方式).分类:按流体流动的起因：1）自然对流、自由对流：流体冷、热各部分密度不同而引起的2）受迫对流、强迫对流：流体的流动是在外力（在泵或风机）作用下产生的技巧：给出流体速度的为强迫对流按流体有无相变：1）无相变的对流传热2）有相变的对流传热：沸腾换热、凝结换热10.如何判断对流传热1）发生在壁面和流体之间：参与物质类型2）壁面和流体存在温差：热量传递的前提3）流体要运动：速度体现一定不要遗漏自然对流11.对流传热的计算—牛顿冷却公式（对流传热的热量传递速率方程）当流体被加热时：当流体被冷却时：h-表面传热系数(过程量)，W/(m2·K)13.热辐射：由于自身温度（热）的原因而发出辐射能的现象（heat radiation）1）辐射传热：物体之间因为相互辐射、相互吸收而引起的热量传递过程2）理想物体：绝对黑体，简称黑体（能够全部吸收投射到其表面上辐射能的物体）14.黑体辐射的斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltamann）定律实际物体的辐射能力：注意：1）σ—斯忒藩-玻耳兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4) 2）ε—发射率（emissivity），习惯上也称为黑度，物性参数15.理想模型2—两平行黑体平板间的辐射传热（相距很近，表面间充满了透明介质）16.理想模型3—非凹表面1包容在面积很大的空腔2中注意：1）辐射传热必须采用热力学温度2）注意公式的使用条件3）“动态平衡”的含义（p8）17．导热、对流与辐射的辨析：1）导热、对流只在有物质存在的条件下才能实现；热辐射不需中间介质（非接触性传热）2）辐射不仅有能量的转移，而且伴随能量形式的转换；3）辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程；4）辐射能力与其温度有关，导热、对流与温差有关；导热与对流的辨析：气、液、固均具有导热能力，纯导热只发生在静止的流体中；对流只发生在流动的流体中；18．传热过程：热量由固体一侧的高温流体通过固体壁面传给另一侧低温流体的热量传递过程 。
传热学第1章
一、导言
因此，对于所有微电子机械系统的设计及应用 来说，全面了解系统在特定尺度内的微机电性质及 材料的热物性、热行为等已经成了迫在眉睫的任务。 然而，目前的科学和工程水平尚无法做到这一步， 于是现代热科学中的一门崭新学科——微米/纳米尺 度传热学应运而生。 早期的微尺度传热学研究主要集中在导热问 题上，之后则扩展到辐射和对流问题。 为说明微尺度传热学的主要研究内容，如下 扼要地介绍一些典型例子，以开拓读者的思路，但 其远远不能代表该学科的全貌，因为微尺度传热的 内涵正不断扩展
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
到7000W/m³ 。如此高密度的热量输运是一个富有挑 战性的课题。
图1.3 计算机体系内热耗散与系 统体积的关系
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
冷却微小系统的困难在于： 首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减 小声学噪音； 其次，器件结构紧凑性要求仅允许保留有限的 冷却流体空间； 第三，同样的要求不允许在模板上安装大容量 热沉； 第四，低造价的原则要求尽可能地采用塑料封 装芯片，而这又会增大芯片与模板表面之间的导热 热阻，于是热量将主要聚集在基底材料上。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
个量级。所以，分析薄膜中的传热问题自然成为进 一步提高仪器性能的关键步骤。 一系列的研究表明Fourier定律不适于分析高 温超导薄膜及介电薄膜在一定温度和厚度区域内的 热传导问题。在这方面，Boltzmann方程被公认为 是一种最具普适性和有效性的工具。Majumdar发 展了一个基于Boltzmann理论的声子辐射输运方程， 以分析单个薄膜中的导热。其研究表明，在微尺度 区域内，晶格振动或声子的热传导表现为辐射传热 的形式。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
传热学-第1章
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
工作单位：能源与动力学院
热工教研室
办公地点：2#综合实验楼
416A室
第一章 绪论
1
参考书
《传热学 要点与解题》 王秋旺 《数值传热学》陶文铨 《凝结与沸腾》 施明恒等 《辐射换热》 余其铮 Heat Transfer Anthony F Heat Transfer J.P.Holman
第一章 绪论
tf
24
表1-1 一些表面传热系数的数值范围
对流换热类型 空气自然对流换热 水自然对流换热 空气强迫对流换热 水强迫对流换热 水沸腾 水蒸气凝结
表 面 传 热 系 数 h /[W /(
m2K])
1～10
100～1 000
10～100
100～15 000
2500～35 000
5000～25 000
dt
q tw1 tw2
第一章 绪论
16
7. 导热热阻
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位导热热阻
第一章 绪论
tw1
φ
tw2
A
导热热阻图示
17
例 题 1-1
例题 1-1 一块厚度δ =50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在
第一章 绪论
2
课程安排
上课时间：1-10 周一7，8节 周四 3，4节
地点： 综-311
学 时：40 学 分：2.5 课程性质：必修课
《传热学》教学大纲【可修改文字】
可编辑修改精选全文完整版《传热学》课程教学大纲一、课程名称：传热学/ Heat Transfer二、课程编号：0300302三、学分学时：3学分/48学时四、使用教材：《传热学》（第4版）杨世铭、陶文铨编，高等教育出版社，2014年12月五、课程属性：专业基础课/必修六、教学对象：新能源科学与工程专业七、开课单位：机械工程学院八、先修课程：高等数学、大学物理、流体力学九、教学目标：1、掌握传热学的基本概念、基本理论和基本计算方法，2、培养和建立学生的工程观点和理论联系实际解决工程实际问题的初步能力，并为学习后续的专业课程提供必要的理论基础支撑。
十、课程要求：通过本课程的学习，学生需掌握热量传递的三种基本方式及综合传热过程所遵循的基本规律，学会对传热过程进行分析处理和计算的基本方法，能运用这些规律提出增强传热、提高热经济性和削弱传热减少热损失的途径，具备分析工程传热问题的能力，并基本掌握换热设备的两种基本计算方法；结合热工实验课，使学生掌握一定的传热实验的技能。
主要以课堂讲授为主，充分采用多媒体教学。
十一、教学内容：本课程主要由以下内容组成（理论教学48学时）第一章绪论（2学时）知识要点：传热学的研究对象及其在工程技术中应用；热量传递的基本方式；导热、对流和辐射，传热过程及热阻重点难点：热量传递的三种基本方式，传热过程与传热系数教学方法：课堂讲授、讨论第二章稳态热传导（6学时）知识要点：温度场、等温面、等温线，温度梯度及傅立叶定律，导热系数，各向同性、具有内热源的导热微分方程及导热过程单值性条件的确定；通过单层、多层和复合平壁的稳态导热，通过单层和多层圆筒壁的稳态导热，通过肋壁的稳态导热，具有变导热系数的单层平壁导热问题的处理方法，肋效率、等截面直肋和环肋的工程计算，接触热阻及形状系数。
重点难点：傅立叶定律，导热微分方程及其单值性条件；能够依据直角坐标系下导热微分方程和导热过程单值性条件对常物性、无内热源、简单几何形状的物体的一维稳态导热问题进行分析计算教学方法：课堂讲授、讨论第三章非稳态导热（4学时）知识要点：非稳态导热过程特点，一维非稳态导热问题分析解及其讨论，诺模图，简单几何形状一维、二维和三维非稳态导热的计算，周期性变化边界条件和常热流通量边界条件下半无限大物体非稳态导热。
传热学第一章(研究生)
•烧结、高炉、炼钢、连铸设备的冷却
•机床切削加工时的冷却、温度控制 •液压系统的冷却 •减速机、发动机、电动机的冷却 •机电装置的温度控制 · · · · ·
传热学的任务
研究增强或削弱的传热技术 确定温度分布和控制温度分布
散 热 器
飞行器 温度场 分析
热力 管道
齿轮 热处理
具体事例
冶金工业：
钢铁公司
连续铸 钢
烧结设备
烧结机台车的温度场、热应力计算、热蠕变的防止
钢水包
钢包的耐火层设计，热损失计算
机械制造：
快 速 锻 造 设 备
锻件的加热
机械制造：
磨削加工
热能工程领域
热 电 厂
航空航天
火箭发射
返回舱
卫星与空间站热控制
超高音速飞行器（Ma=10）
重返大气层飞行器热力耦合分析
几何模型
热传导分析得到的温度场
热力耦合分析得到的应力场及安全性评估
Mises应力 安全性评估
微电子：
电 子 芯 片 冷 却 、 纳 米 器 件 、 装 置 温 度 控 制
电子系统的温度控制对于使用可靠性至关重要
节约能源、建设环境友好住宅是当代一个重要课题
民生：
机械设计及理论学科相关专业中的传热学应用：
传 热 学
Heat Transfer
冶金机械系 机 械 学 院
张兴中
教材： 《传热学》张兴中 等编著 国防工业出版社 参考书： 《传热学》杨世铭、陶文铨编著, 第三、四版 《Heat Transfer》 J. P. Holman 第九版 《传热学》戴锅生 《传热学》章熙民 等编著，第四版
第一章
绪论
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传热学应用实例
日常生活中的例子 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？ 为什么冬天在相同室外温度下，给人的感觉是 刮风比不刮风冷？ 海边白天风是从大海刮向陆地，晚上是从陆地 刮向大海？
传热学 (Heat Transfer)
传热学应用实例
航空航天方面：
传热学应用实例
航空发动机冷却系统
1.1 传热学研究的对象(Object) ？
自然界温差无处不在、无处不有。 传热学——研究由温差引起热量转 移规律的科学。研究热 量传递的机理、规律、 计算和测试方法 热力学第二定律：热量可以自发地 从高温热源传递给低温热源， 有温差就会有传热。
1.1 传热学研究的对象(Object) ？
传热学和工程热力学的关系
工程热力学：tm , Q 传热学：过程的速率 t f ( x, y , z , ); Φ f ( )
工程热力学研究的是最终状态、不 涉及速率和设备尺寸；而传热学引 入了时间和设备尺寸。
30℃
1.2 为什么要学习传热学(Why)？
研究传热的应用 造纸 化工 纺织 空气调节 医疗 航空航天 食品 能源 电子 建筑 机械 交通
1.4 本课程的要求 (Requirements)？
传热学在人才培养中的地位与作用
象计算机基础、力学基础、电工基础等一样，工程热 力学、传热学等热工基础是现代工程技术人才必备的 基础，是21世纪工科各类专业人才工程素质的重要组 成部分。
1.4 本课程的要求 (Requirements)？
要求
通过 a 对传热机理的学习 b 传热关系式的推导 c 传热速率的计算 达到 a 掌握热量传递规律的基本知识 b 具备分析工程传热问题的基本能力 c 掌握计算工程传热问题的基本方法
1.5 传热学的基本内容(Contents) (1) 导热(Heat Conduction)
定义：热量从物体中温度较高的部分传到温度较 低的部分或者从温度较高的物体传到与其 接触的温度较低的物体。
高温区
低温区
高温物体
低温物体
1.5 传热学的基本内容(Contents) (1) 导热(Heat Conduction)
第一章 绪论
传热学
Heat Transfer
闻洁 82334545 wenjie@
北京航空航天大学能源与动力工程学院
传热学的历史、发展方向 (History and Trends)？ 传热学的基本内容(Contents)？ 传热学的研究方法 (Research methods)？ 本课程的要求 (Requirements)？ 如何学好传热学(How)？ 为什么要学习传热学(Why)？ 传热学研究的对象(Object)？
1.5 传热学的基本内容(Contents)
热量传递的三种基本形式
There are three basic ways that heat may be transferred between substances at different temperatures conduction, convection, and radiation.
1.4 本课程的要求 (Requirements)？
要求
一部分同学能够在 国民经济主战场及国防 建设上学以致用，解决 工程实际问题。 一部分同学在本课程的 基础上能继续向本学科的未 知领域进军。
1.4 本课程的要求 (Requirements)？
参考书
1、杨世铭、陶文铨编著，传热学，第四版， 高等教育出版社。 2、曹玉璋 编， 传热学，北京航空航天大学出版社。
（d）新型微小通道结构叶背温度分布
传热学应用实例
传热学应用实例
美国哥伦比亚航天飞机2003年2月1日坠毁
电子器件冷却技术
传热学应用实例
传热学应用实例
核能工程－多相流传热研究
航空航天： 超高音速飞行器（Ma=10）冷却
微型火箭（电火箭、化学火箭）
生物医学： 肿瘤高温热疗
组织与器官的冷冻保存
1.1 传热学研究的对象(Object) ？
传热学和工程热力学的关系 2、不同点 A）研究对象的不同 工程热力学：热能的性质、热能与机械能及其他 形式能量之间相互转换的规律。 传 热 学：热量传递过程的规律。 b）时间 工程热力学：不考虑热量传递过程的时间。 传 热 学：时间是重要参数。 C）工程热力学：研究平衡态、可逆过程（冷、热 介质温差无限小的情况下）。 传 热 学：研究过程和非平衡态
传热学应用实例
传热学应用实例
叶片冷却失败
典型叶片冷却示意图 燃气温度在1800K 叶片温度在1200K 冷气温度在800K
传热学应用实例
传热学应用实例
卫星与空间站的热控制和空间飞行器返回大气层的冷却
（a） 传统冷却结构叶盆温度分布
（b）新型微小通道结构叶盆温度分布
（c）传统冷却结构叶背温度分布
卷面成绩占85%。 考试时允许带一张A4纸。
1.4 传热学的研究方法 (Research methods)？
1.4 传热学的研究方法 (Research methods)？
控制方程：导热微分方程
理论分析 实验研究 数值计算
t 2t a 2 x
0 x d
理论分析
3、John H. Lienhard IV/John H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook, 3rd Edition /lienhard/www/ahtt.html
1.4 本课程的要求 (Requirements)？
网站: 202.112.134.13
1.3 如何学好传热学(How)？
传热学课程的特点：
理论严谨、工程性很强。 专业基础课。 是联系基础课与专业课的纽带。 能量守恒定律是贯穿全书的主线。
1.3 如何学好传热学(How)？
传热学课程的学习方法：
抓住主线，注意各内容是如何围绕主线展开的。 重视基本概念和基本理论, 做到对所研究的物理
3
~
1.5 传热学的基本内容(Contents) (1) 导热(Heat Conduction)
定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物 体间直接接触时，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
Conduction is the transfer of heat from a high temperature region to a low temperature region within a body or from a high temperature body to a low temperature body in physical contact.
空调制冷： 空调/热泵(跨临界二氧化碳)
高温水源热泵
新能源：
太阳能 燃料电池
研究传热学的主要任务
1.2 为什么要学习传热学(Why)？
传热学是能源、动力、化工、航空航天、机械、 电子、土木等学科的技术基础课。 传热学与工程热力学、流体力学和燃烧学是动力 工程及工程热物理学科的主要技术基础课。
t1
1.5 传热学的基本内容(Contents) (2) 热对流(Convection)
特点： 流体各部分间发生宏观相对位移； 热量在传递过程中无能量形式的变化； 只能发生在流体中； 必然拌有导热现象。
1.5 传热学的基本内容(Contents)
流体流过固体壁面时的热量交换。 对流换热：
Heat transfers between a solid and a fluid when there is a temperature difference between the fluid and the solid.
1.4 本课程的要求 (Requirements)？
考试要求： 平时15%, 包括作业及课堂随机抽查！
传热学
传热学的历史、发展方向 (History and Trends)？ 传热学的基本内容(Contents)？ 传热学的研究方法 (Research methods)？ 本课程的要求 (Requirements)？ 如何学好传热学(How)？ 为什么要学习传热学(Why)？ 传热学研究的对象(Object)？
削弱传热； 强化传热； 温度控制
1.2 为什么要学习传热学(Why)？
工程传热问题可分为两种类型
a 计算传热量 b 确定温度场
传热学
传热学的历史、发展方向 (History and Trends)？ 传热学的基本内容(Contents)？ 传热学的研究方法 (Research methods)？ 本课程的要求 (Requirements)？ 如何学好传热学(How)？ 为什么要学习传热学(Why)？ 传热学研究的对象(Object)？
传热学：热量传递过程的规律
工程热力学：热能的性质、热能与机械能及 其他形式能量之间相互转换的规律
1、相同点 热量传递始终是从高温物体向低温物体传递；在 热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始 终保持守恒。 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础。
1.1 传热学研究的对象(Object) ？
500℃
初始条件：
0 , t x, t0 , 0 x d
边界条件： x 0 ,
t x, 0 x t x, x d , -l t x ,d t f x
1.4 传热学的研究方法 (Research methods)？
特点：
1：必须有温差； 2：物体直接接触； 3：依靠分子、原子以及自由电子等微观粒 子的热运动而传递热量，不产生宏观位移。 4：在引力场下单纯的导热只发生在密实固 体中。