传热学第一章(研究生)

•传热学的研究对象 •研究传热学的目的、意义 •传热学在工程和科学技术中的应用 •热量传递的基本方式：导热、对流和热辐射 •传热过程及热阻概念 •传热学发展历史 •传热学的研究、学习方法
§1-1 引言
一、传热学（Heat transfer）的研究对象
研究热量传递规律及其应用的一门工程技术学科。

图1-1 通过平板的导热
导热热阻：
比拟电路的欧姆定律I=U/R ，把式(1-1)改写为：
t Q R F t
(1-2)
R :平板导热的热阻。 F
模拟电路图:
tw1
F
tw2
图1-2 导热热阻的模拟电路
二、热对流（Heat Convection）
热对流
定义：流体中(气体或液体)温度不同的各部分之间，由于发 生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。
平壁的导热量计算：
导热基本定律 ( Fourier’s Law, 1822年，法国数学家Fourier)
Q
t w1 t w2

F
(1-1)
Q：热流量，单位时间传递的热量 [W] δ: 平壁的厚度[m]； tw1：表面1的温度， [℃] tw2：表面2的温度， [℃] λ：导热系数 W/(m.K) Thermal conductivity F：垂直于导热方向的截面积m2
什么是黑体？
能够吸收投射到其表面上的全部热辐射能的物体。
黑体的辐射能力与吸收能力最强。与同温度的物体比较）。
黑体在单位时间内发出的热辐射能量：
Q F 0T
4
Q——黑体表面单位时间发射出去的热辐射能量，W； F——黑体的表面积， m 2 0 —— 黑体的辐射常数， 0 5.67 108 W/(m2 K4 ) T——黑体的热力学温度，K。 实际物体单位时间的热辐射能量
对流：
1823、1845年，Navier、Stokes建立了流体流动基本方程。 1880—1883年，Reynolds指出无量纲的雷诺数决定流动状态。 1881年洛仑兹自然对流的理论解、1885年格雷茨和1910年努 塞尔管内换热的理论解及1916年努塞尔凝结换热的理论解。 1909和1915年努塞尔开辟了在无量纲数原则关系指导下，通过 实验研究对流换热的基本方法。 1904年普朗特提出边界层理论，简化了方程组，推动了理论 求解的发展。 1921年波尔豪森提出热边界层概念，与施密特、贝尔曼联合求 解了竖壁附近空气的自然对流换热。 湍流计算模型的发展，1925年的普朗克比拟，1939年的卡门比 拟。
三个环节的热阻比例为17.0%、0.6%、82.4%。蒸汽 侧的热阻占主要部分，要从这一环节入手增强换热。
§1-4 传热学的发展历史与发展方向
18世纪30年代开始的工业革命
促进了生产力的空前发展。传热 学就是在这种背景下发展起来的。
导热和对流早已认识
热辐射则在1830年发现红外线 才被认识
1900年以前 萌芽状态
对流换热（Convection heat transfer） ： 流体与固体壁间的换热
对流换热（Convection heat transfer） ： 流体与固体壁间的换热
•对流换热：流体流过与它温度不同的固体壁面使的热量交换 过程。 •自然对流换热：
流体流动由于各部分温度不同引起密度差异产生的浮升力作
当tf t w时, t tf t w 当t w tf 时, t t w tf
对流换热系数表示换热的强度. 影响 的因素：流速、流体物性、物体表面形状等
研究对流换热的基本任务： 用理论或实验的方法来具体研究各种情况下 对流换热系数的计算式。 对流换热的热阻：
套用欧姆定律的形式，式(1-3)可以写成： t t Q (1-4) 1 R F 1 R －－对流换热的热阻（℃/W） F
模拟电路图：
tf
1 F
tw
图1-3 对流热阻的模拟电路
表1-1 对流换热系数的数值范围
过 程 自然对流

[W/(m2· K)]
空气 水 强迫对流
气体 高压水蒸气 水 水的相变换热 沸腾 蒸汽冷凝
1～10 200～1 000
20～100 500～3 500 1 000～15 000
2 500～35 000 5 000～25 000
热量传递的机理、规律； 温度场、传热量的计算和测试方法； 增强及削弱传热的措施； 换热器设计。
二、学习传热学的必要性
热力学第二定律： 热量自发地从高温处传到低温处， 温差是热量自发传递的动力。 从硕大无朋的行星到渺小绝伦的纳米级的微电子设备； 从航空、航天到地热能的开发及深海潜艇的航行； 从生产、生活，到科学实验； 从民用工业，到军事工业； 从任何机器的运转、到任何工艺过程· · · · · ·
R
—— 传热过程的热阻
传热过程的总热阻等于各热阻的串联，模拟电路如图1-5
例1-1 某板式氟里昂冷凝器，一侧水对流表面传热系数为 1 8700w /(m2k ) ，另一侧氟里昂凝结 2 1800w /(m2k ) , 壁厚δ=1.5mm，板材导热系数λ=383 W/(m K)，计算三个 环节的热阻和总传热系数。欲增强传热应从哪个环节入手？
辐射： 19世纪末斯蒂芬（后为玻尔兹曼证实）提出 四次方辐射定律。 1900年普朗克基于量子假说，提出黑体辐射 的光谱能量分布。 1860年基尔霍夫给出了物体发射率和吸收率 的关系。
三、热辐射（ Thermal radiation ）
什么是辐射？
物体通过电磁波来传递能量的过程称为辐射。 什么是热辐射？
物体因热的原因而发射辐射能的过程称为热辐射。
温度大于绝对温度零度的物体都具有辐射 能力. 什么是辐射换热？ 物体间通过热辐射方式进 行的热量传递过程称为辐 射换热。
Solid radiation T1 vacuum Surroundings T2
Q F 0T 4
ε 实际物体的发射率(黑度)，与物体的种类和表
面状态有关， 0≤ ε ≤1。
实际问题的换热过程当中，可能有几个换热环节，在同一个 换热环节中可能同时存在两种或三种换热方式。
高温烟气
去蒸发器热面
(a) 省煤器
锅炉补给水
蒸汽
冷却水出 冷却水进
凝结液
(b) 冷凝器
§1-3 传热过程
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
传热过程的传热量计算
上式可写成热阻串联形式：
Q
t
1 kF
Leabharlann Baidu

t
R
tf1
1 1 F
tw1
F
tw2
1 2F
tf2
式中：
k
1 1 1 R kF 1 F F 2 F
图1-5 传热过程的模拟电路
1 1 2
1
1 kF
1
—— 传热过程的传热系数
— Fourier 定律
— Newton 冷却定律 — Stefen--Boltzman 定律
1900-1945年（德国人时代）
形成独立的学科
— Nusselt, Schmidt, Prandtl, Pohlhausen
1945年以后 近代传热学 —航天、电子、
核能、能源危机
导热： 19世纪初，J.H.Lambert，J.B.Boit，Fourier 对一维导热的研究。 1822年，Fourier发表“热的解析理论”， 创建了导热理论。
摩擦生热、机械功转化为热、 化学反应生热、电磁生热、 相变生热、辐射传热· · · · · ·
到处存在温差，热量传递现象非常普遍。
传热学研究的两个任务： 1.掌握热量传递规律，使热量有效传递或阻止 热量传递 2.控制温度场。
存在大量传热问题的技术领域：
冶金、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· · · · · ·
什么是传热过程？
热量由壁面一侧热流体通过间壁传给另一侧冷流体的过程称为传热过程。
传热过程的传热量计算
单位时间热流体与平壁左侧面的对流换热量为：
F 热流体
Q 1 (tf 1 tw1 ) F
t w1 t w 2 Q F
单位时间平壁的左侧面与右侧面之间的导热量为：
tf1
Q
冷流体
•轧制过程的温度控制
•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
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：
解：三个环节的单位面积的热阻为：
1 1 1.15 104 m2 k / w 水侧对流： 1 8700
1.5 103 6 2 3.92 10 m k / w 壁导热： 383 1 1 4 2 5.56 10 m k / w 蒸汽凝结： 1800 2 1 1 2 总传热系数： k 1480 ( w / m k) 1 1 1.15 106 3.92 106 5.56 104 1 2
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
§1-2 热量传递的三种基本方式
热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射 一、热传导(导热) (Heat conduction)
定义：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。 热传导的特点： 可以发生在固体、液体、气体中，以及边界处 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动传 递热能，不发生物质移动 一般，在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中
α1
单位时间冷流体与平壁右侧面的对流换热量为：
Q 2 (tw2 tf2 )F
图1-4 传热过程
tf2 α2
传热过程的传热量计算 由于是稳态换热，这三个换热量相等，由以上三式可得：
Q (tf 1 tf 2 ) F 1 1
1

2
式中： Q —— 单位时间的传热量，W F —— 平壁的侧面积， m2 tf1 —— 热流体温度，℃ (K) tf2 —— 冷流体温度，℃ (K) α1 —— 热流体与壁面的对流换热系数， W/(m2· K) α2 —— 热流体与壁面的对流换热系数， W/(m2· K) λ —— 平壁的导热系数， W/(m· K) δ —— 平壁的厚度，m
辐射换热与导热、对流换热的本质区别
• 辐射换热不需要介质的存在，在真空中可以进行；
• 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换: 热能—辐射能—热能。
无论温度高低，物体都在不停地相互发射，吸 收电磁波能、相互辐射能 量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的量； 总的结果是热由高温传到低温。
用引起的流动，此时对流换热称为自然对流换热。 •强迫对流换热： 流体流动由于泵、风机或其它压差作用而进行流动，此时对 流换热为强迫对流换热
对流换热的基本计算式
牛顿冷却公式（1701）：
Q FΔt
(1-3)
Q——单位时间通过固体表面的对流换热量，W； F——固体表面的面积，m2； ——比例系数(对流换热系数 convective heat transfer coefficient)，W/(m2· K)； Δt——流体与固体表面间的温度差，℃。