传热学1第一章
传热学课件第1章
导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动
壁面处会形成速度梯度很大的边界层
2.对流换热（Convection）
（4）对流换热的分类：
强迫对流
流动起因
自然对流
无相变 有无相变 有相变 凝结换热 沸腾换热
2.对流换热（Convection）
(4) 牛顿冷却公式 表面传热系数, W/（m2.K) 流体温度，℃
1.导热
(5)傅里叶定律
1822年，法国数学家Fourier
负号表示热流方向与 温度梯度
温度梯度方向相反 热流量,W
dt Φ A dx 导热系数，
W/( m.K)
W
W 2通过平板的一维导热 m
面积,m2
Φ dt q A dx
热流密度,W/m2
1.导热
(6)导热系数： 表征材料导热能力的大小
家用散热器
5. 传热学的应用
航空航天
高新技术
电子器件
医药卫生
5. 传热学的应用
能源动力 传统工业 石油化工
制冷空调
5. 传热学的应用
大 型
客
机 航空航天 在航空航天领域，航天飞 机表面材料要求绝热良好； 卫星上装有的太阳能吸收
火
箭 升 空
装置能提供卫星工作所需
的部分能量。
5. 传热学的应用
建筑环境 建筑上，利用空气导热系数
W (m
2
K)
h ——当流体与壁面温度相差1K 时，单位时间 单位面积所传递的热量 影响因素： 流体物性 、、、c p 流速
换热表面的形状、大小与布置
研 究 对 流 换 热 的 基 本 任 务 就 是 确 定 h
传热学第一章 绪论
学着重于单位时间的换热量（W）。
二、传热学课的重要性
a 日常生活中：
冰箱和电视机放置 暖气片的设计 保温温度的选择
b 石油工业中: 输油管道（埋深、保温） 稠油开采（注蒸汽）
三、两种热传递过程
稳态过程：温度不随时间变化
Q1 A1 bT14 ,
Q2 A2 bT24
Q1,2 A1 bT14 A2 bT24 A b (T14 T24 )
第三节 热阻的概念
公式Q A tw1 tw2 A t 及
公式Q c A（tw t f）
可改写成公式Q t t 及 （A） R
（3）辐射力的计算公式（四次方定律）
Eb bT 4 b — 斯蒂芬 波尔兹曼常数，5.6710-8 W m2 K 4
T — 黑体的绝对温度, K
对于非黑体，E bT 4 — 黑度（发射率）
以上讲的是热辐射，而不是辐射换热。
（4）辐射换热
tw1
tf
tw2
透明气体
考虑两个无限大平板的 辐射换热（黑体）
微观粒子的热运动而产生的热量传递。
（2）特征：
a. 物体间无相对位移；
t1
b.物体间必须相互接触； b.没有能量形式的转化。
Q
t2
（3）导热量的计算
δ
x
如上图所示的大平壁，若其两侧壁面各点温度保持不变，
分别保持为tw1及tw2，且，则热量将从tw1一侧传向tw2一侧。此 时通过大平壁的热流量Q可表示为：W
（1）热对流：
流体的各部分之间由于相对宏观位移而引起的热量传递。
1传热学第一章课件
辐射换热：物体间靠热 辐射进行的 热量传递
2.辐射换热的特点
➢不需要冷热物体的直接接触； 即：不需要 介质的 存在，在真空中就可 以传递能量
➢在辐射换热过程中伴随 着能量 形式的转换 物体热 力学能 电 磁波能 物体热力学能
热 力学： tm , Q
传热学：过程的速率
水，M2
20oC
t = f ( x , y , z , ); Q = f ( )
传热学研究内容 热量传递的机理和速率、温度 场的变化
传热学的工程应用
1、 强化传热：即在一定的 条件下， 增加 所传递 的热量。 如热水的 搅拌冷 却
2 、 削弱传热，也称 热绝缘 ：即在一 定的温差 下，使 热量的传递 减到最小。如热 水瓶
教材
《传热学》，戴锅生著，第二版
学时
总学时：24，讲课：22，实验：2
参考资料：《传热学》，杨世铭、陶文铨编著，第四版 《传热学重点难点及典型题精解》，王秋旺，西安交大出版社
辅导
周四 4:00-5:00pm，一校区教4楼 热能教研室
第一章 绪论
§1-1 传热学概述 §1-2 热量传递的基本方式 §1-3 传热过程与热阻
燃煤电厂的基本流程
锅 炉 工 作 原 理
三、传热学与工程热力学的关系
相同点： 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础
热力学第一定律
热量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。
热力学第二定律
热量能自发的从高温物体传递到低温物体
不同点 a. 工程热力学：热能与机械能及其他形式能量之间 相互转换的规律。不考虑热量传递过程的时间。
传热学01
第一章导热理论基础研究方法：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。
一般情况下，绝大多数固体、液体及气体都可以看作连续介质。
但是当分子的平均自由行程与物体的宏观尺寸相比不能忽略时，如压力降低到一定程度的稀薄气体，就不能认为是连续介质。
12主要内容：（1）导热的基本概念、导热基本定律；（2）导热现象的数学描述方法。
第一节基本概念及傅里叶定律1. 温度场在τ时刻，物体内所有各点的温度分布称为该物体在该时刻的温度场。
(),,,t f x y z τ=一般温度场是空间坐标和时间的函数，在直角坐标系中，温度场可表示为一、基本概念：3非稳态温度场温度随时间变化的温度场，其中的导热称为非稳态导热。
稳态温度场温度不随时间变化的温度场，其中的导热称为稳态导热。
(),,t f x y z =(0)τ∂=∂t 一维温度场二维温度场三维温度场(),t f x τ=()t f x =(),,t f x y τ=(),t f x y =(),,,t f x y z τ=(),,t f x y z =2. 等温面与等温线在同一时刻，温度场中温度相同的点连成的线或面称为等温线或等温面。
等温线。
如果用一个平面和一组等温面相交, 就会得到一组等温线。
温度场可以用一组等温面或等温线表示。
等温面与等温线的特征：同一时刻，物体中温度不同的等温面或等温线不能相交；453. 温度梯度在温度场中，温度沿x 方向的变化率(即偏导数)lim0t t x xx ∂Δ=∂ΔΔ→明显, 等温面法线方向的温度变化率最大，温度变化最剧烈。
温度梯度：等温面法线方向的温度变化率矢量：t t n ∂=∂grad n n 为等温面法线方向的单位矢量，指向温度增加方向。
温度梯度是矢量，指向温度增加的方向。
t t x n∂∂<∂∂z∂7在直角坐标系中，在直角坐标系中，热流密度矢量可表示为x y z q q q =++q i j kq x 、q y 、q z 分别表示q 在三个坐标方向的分量的大小二、傅里叶定律付里叶（Fourier J.）于1822年提出了著名的导热基本定律—傅里叶定律，指出了导热热流密度矢量与温度梯度之间的关系。
传热学-第一章-绪论lujinli
2. 传热学与工程热力学的关系
安
(heat transfer and engineering thermodynamic)
徽
工 业 大
(1)热力学
+
传热学 = 热科学(Thermal Science)
Figures
学
大
业
工
安 徽
AnHui University of Technology
Animation
学
大
业
工
安 徽
AnHui University of Technology
安 Chapter 1 Introduction
徽
工 业
何谓传热？ （What）
大 学
如何传热？ （How）
CHAPTER 1
大 导热 / Conduction
学
– 稳态热传导
CHAPTER 2
– 非稳态热传导
CHAPTER 3
AnHui University of Technology
– 热传导问题的数值解法
CHAPTER 4
对流 / Convective
– 对流传热的理论基础
CHAPTER 5
安
徽 工 业
传热学
大
学
Heat Transfer
AnHui University of Technology
2015.9
安
Learning Objectives
徽
工
业 大 学
学生必须理解所论主题的有关术语的含义及其与物 理原理之间的内在联系
传热学课件课件
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。
传热学课件课件
传热学课件课件
传热学课件课件
❖ （ 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。
❖ （ 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。
传热学课件课件
❖（ 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。
传热学课件课件
(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…
传热学课件课件
(3) 几个特殊领域中的具体应用
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
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。
传热学课件课件
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。
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 。
1传热学-第一章课件讲解
热 力学： tm , Q 传热学：过程的速率
水，M2 20oC
t = f ( x , y , z , ); Q = f ( )
传热学研究内容 热量传递的机理和速率、温度 场的变化
传热学的工程应用
1、 强化传热：即在一定的 条件下， 增加 所传递 的热量。 如热水的 搅拌冷 却 2 、 削弱传热，也称 热绝缘 ：即在一 定的温差 下，使 热量的传递 减到最小。如热 水瓶 3 、温度控 制：为使 一些设备能安全 经济 地 运 行 ，需要对热量传递中的 关键部位进行温 度控 制 。如航 天器返回 地面， 笔记本的 散热
四、传热问题的分类和主要计算量
稳态传热过程: 传热过程中各处温度不 随时间变化。 非稳态传热过程：传热过程中各 处温度随时间变化。
热流量：
dQ Φ= d
[W]
W 2 m
热流密度：
t Φ q= = A
§1-2热量传递的基本方式
热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射
l
l
为什么水壶的提把要包上橡胶？
不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？
在下列技术领域大量存在传热问题
动力、化工、制冷、建筑、环境、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…
燃煤电厂的基本流程
锅 炉 工 作 原 理
三、传热学与工程热力学的关系
相同点： 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础 热力学第一定律
热量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。
热力学第二定律
热量能自发的从高温物体传递到低温物体
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第一章导热理论基础
第一节基本概念及傅里叶定律
一、基本概念
1. 温度场
温度场是指某一时刻，物体的温度在空间上的分布。
一般地说，它是时间和空间的函数，对直角坐标系即
()
=,,,τ(1-1)
t f x y z
式中t-温度；
x y z
,,-直角坐标系的空间坐标；
τ-时间。
2. 等温面与等温线
同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面叫做等温面。
不同的等温面与同一平面相交，则在此平面上构成一簇曲线，称为等温线。
图-1-1房屋墙角内的温度场
图1-2 温度梯度
3. 温度梯度
grad t
t n n
∂=
∂ （1-3） 在直角坐标系中，温度梯度可表示为
grad k z
t j y t i x t t ∂∂+∂∂+∂∂=
（1-4） 在圆柱坐标系中，参看图1-3， 温度梯度可表示为
grad r z 1t t t t e e e r r z
φφ∂∂∂=
++∂∂∂ （1-5） 在圆球坐标系中，参看图1-3，温度梯度可表示为
grad t =
r θ11sin t t t e e e r r r θϕθ
φ∂∂∂++∂∂∂ （1-6）
图1-3 圆柱和圆球坐标系
图1-3 圆柱和圆球坐标系
4. 热流矢量
热流矢量q 在直角坐标系三个坐标轴上的分量为x q 、y q 、z q 。
而且
x q q =i +y q j +z q k (1-7)
热流矢量q 在圆柱坐标系三个坐标轴上的分量为r q 、q φ、z q ，
r r z
z q q e q e q e φφ=++
(1-8)
热流矢量q 在圆球坐标系三个坐标轴上的分量为r q 、q φ、q θ，
r r θq q e q e q e φφθ=++ (1-9)
二、傅里叶定律
g r a d q λ=-t （W/m 2） (1-10)
x t
q x
λ
∂=-∂ y t
q y λ
∂=-∂ （1-11） z t q z
λ
∂=-∂ r t q r λ∂=-∂ 1t q r λφ
φ∂=-∂ z t q z λ∂=-∂ (1-12) r t q r λ
∂=-∂ 1s i n t q r λθφ
φ∂=-∂ θ1t q r λθ∂=-∂ （1-13) 第二节 热导率
grad q
t
λ=
- （1-14）
图1-4 热流矢量和温度梯度
图1-5 各类物质热导率的范围
273K时部分物质的热导率表1-1
1．气体的热导率
λ=1
3
u lρc
v
（1-16）
图1-6 气体的导热系数
1－水蒸汽；2－二氧化碳；3－空气；4－氩；5－氧；6－氮
图1-7 氢和氦的导热系数
2．液体的热导率
液体热导率的数值约在0.07～0.7W/(m ⋅K)范围内。
液体的导热主要是依靠晶格的振动来实现。
应用这一概念来解释不同液体的实验数据，其中大多数都得到了很好的证实，据此得到的液体的热导率的经验公式为[]2
4
3
p 13
c A
M
ρλ= （1-17）
式中c p ——液体的比定压热容；
ρ——液体的密度；
M ——液体的分子量；
A ——系数，与晶格振动在液体中的传播速度成正比，它与液体的性质无关，但与温度有关。
图1-8 液体的热导率
1-凡士林油；2- 苯；3-丙酮；4-蓖麻油；5-乙醇; 6-甲醇；7-甘油；8-水
3．金属的热导率
图1-9 金属的导热系数
4．非金属材料（介电体）的热导率 5．纳米流体的热导率
第三节 导热微分方程式
图 1-10 微元体的导热
()t f x y z =,,,τ
导入与导出微元体的净热量+微元体内热源的发热量=微元体中热力学能的增量 (1-18)
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
下面分别计算式(1-18)中的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 三项。
x x d q Φ=d d d y z τ
经x dx +表面导出的热量为
x+dx x+dx d q Φ=d d d y z τ
x
x+dx x d q q q x x
∂=+
∂ 于是，在d τ时间内，沿x 轴方向导入与导出微元体的净热量为
x
x x +d x d d d d d d q x y z x
ΦΦτ∂-=-
∂ y y y +d y
d d d d d d
q x y z y
ΦΦ
τ∂-=-
∂ z z +d
d d d d d d z
z q x y z z
ΦΦτ∂-=-∂
I=y x z d d d d q q q x y z x y z τ∂⎛⎫
∂∂-++ ⎪∂∂∂⎝⎭
（1）
Ⅰ=τλλλdxdydzd z t z y t y x t x ⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪
⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂ （2） 在d τ时间内，微元体中内热源的发热量为
Ⅱ=v q dxdydzd τ （3）
在d τ时间内，微元体中热力学能的增量为
Ⅲ=ρττ
dxdydzd t
c
∂∂ （4） ρv q z t z y t y x t x t c
+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂λλλτ （1-19） c q z t y t x t c t v
ρρλτ+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂=∂∂222222
c
q t a t
v ρτ+∇=∂∂2 （1-20）
t a t
2∇=∂∂τ
（1-21） ∇+
=20t q v
λ
（1-22）
02222222
=∂∂+∂∂+∂∂=∇z t
y t x t t （1-23）
ρv q z t z t r r t r r r t c
+⎪⎭
⎫
⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂λφλφλτ211 （1-24） 22222111+sin +sin sin v t t t t c
r q r r r r r ρλλλθτθφφθθθ⎛⎫⎛⎫⎛⎫
∂∂∂∂∂∂∂=+ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭
（1-25）
第四节 导热过程的单值性条件
单值性条件一般地说有以下四项： 一、几何条件 二、物理条件 三、时间条件
()0,,t f x y z τ== （1-26）
00const t t τ===
四、边界条件
1. 第一类边界条件是已知任何时刻物体边界面上的温度值，即
w s =t t （1-27）
0=x t =t w 1； b x t ==t w 2
图 1-11 无限大平壁的第一类边界条件
图1-12 肋片的第二、三类边界条件
2. 第二类边界条件
w s q q =
s n t
∂∂-
=q w λ
（1-28）
w
x 0
q t x
λ
=∂-
=
∂
s
0t
n ∂=∂ （1-29） x 0l
t
x =∂=∂ 3. 第三类边界
q h =(s t -t f )
f s s
()t
h t t n λ
∂-=-∂ （1-30）
f x=x=()l l
t h t t x
λ
∂-=-∂
()()44f s s sur s
(273)(273)t
h t t t t n λ
εσ∂-=-++-+∂ ()311- 式中，ε——墙体外表面的发射率；
sur t ——墙体周围外环境的温度1。
4.第四类边界条件或称接触面边界条件
s s t t 21=， s
s
n t n
t ∂∂=∂∂2
2
11
λλ (1-32)。