传热学 第一章
第一章热力发电是最主要的发电方式。
(燃煤发电，蒸汽-燃气联合循环发电，核能发电，地热发电，太阳能集热发电) 朗肯循环(最简单理想循环):燃料在锅炉1中燃烧,放出热量,水在锅炉中定压吸热,气化为饱和蒸汽,饱和蒸汽在锅炉过热器2中吸热成为过热蒸汽,蒸汽通过汽轮机3膨胀做功,并有一定的热损失,在汽轮机排气口,蒸汽呈低压湿蒸汽状态,在汽轮机中膨胀做功后的乏汽进入凝汽器5并凝结成水,放出潜热,给水泵将凝结水提高压力并重新泵入锅炉,完成一个循环。
回热循环:效率低得主要原因在于工质平均吸热温度不高,可以提高蒸汽初参数,同时,采用给水回热是有效途径.把汽轮机中做过功的部分蒸汽,逐级抽出来加热给水,减少冷源损失,提高锅炉给水温度,从而提高蒸汽平均吸热温度,循环效率得到改善.中间在热循环:蒸汽初压提高,会引起乏汽的湿度增加,对汽轮机有害.先让新蒸汽进入汽轮机高压缸部分膨胀做功,将做功后的蒸汽引到锅炉的再热器中再热,然后在送到汽轮机的中低压缸部分继续膨胀做功,经过再热,乏汽的干度明显增大,避免了提高初压带来的困难。
分类:做功原理(冲动式和反动式)，热力过程特征（凝汽式，背压式，调整抽汽式，中间再热式）蒸汽压力（低压1.2-2，中压2.1-4高压8.1-12.5超高压12.6-15亚临界15.1-22.5超临界22.1-27超超临界）型号：第一部分表示汽轮机的形式，第二部分表示汽轮机容量，新蒸汽参数，再热蒸汽参数，供热蒸汽参数，第三部分为厂家设计序号。
N：凝汽式，B：背压式，C：一次调整抽气式，CC：二次调整抽气式，CB：抽气背压式，H：船用，Y：移动式。
CC25-8.38/0.98/0.118表示二次调整抽气式汽轮机，功率为25MW，新蒸汽的压力为8.83MPa,第一次调整抽气压力，第二次调整抽气压力。
第四章：蒸汽循环做功的主要4个过程:蒸汽在锅炉中的定压吸热过程,蒸汽在汽轮机中膨胀做功过程,汽轮机排气在凝汽器中定压放热过程,凝结水在给水泵中的升压过程。
主要设备：凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵等。
主要任务：冷端放热、回收工质；冷端放热、回收工质；热力除氧、改善凝水品质。
分类：空冷和水冷两类系统，水冷分为直流供水和循环供水方式，空冷分为直接空冷和间接空冷。
混合式凝汽器：这种凝汽器结构简单，冷却效果好，制造成本低。
缺点是凝结水质问题。
表面式凝汽器：由于水的传热系数比空气大，能保证凝汽器内维持高度真空和获得洁净的凝结水。
影响凝汽器内蒸汽凝结过程的因素：水管的布置排列方式，蒸汽的流动速度，空气含量。
影响凝汽器的传热特性的主要因素：流速、冷却管的直径、冷却管材料特性和传热面的清洁程度。
凝汽器内压力的确定：过冷度：进口处压力下的饱和温度与热井中凝水温度的差。
影响凝汽器压力的因素（冷切水进口的温度：与环境条件紧密相关，其次受冷却设备特性影响。
进口温度越高，凝汽器的真空则越低。
夏季环境温度高，冷却水温度高，真空则低。
不良的冷却塔，冷却水得不到充分冷却，必然使凝汽器真空下降。
冷却水温升：循环水的温升决定于循环倍率，循环倍率越大，温升则越小，凝汽器的真空就越高。
即在循环水量一定时，机组负荷越大，循环水温升就越高，凝汽器真空则越低。
反之，机组负荷一定时，循环水量越多，温升越小，凝汽器真空就越高。
凝汽器传热端差：传热端差与传热系数有关，而传热系数是管外凝结放热、管壁及污垢导热和冷却水对流传热有关。
循环倍率m：冷却循环水的流量与蒸汽量的比。
循环倍率越大，则温升越小，凝汽器的真空及热力循环效率就越高。
但循环倍率增大是以增多循环水泵功耗为代价，有个最佳值。
多压多压凝汽器在何种情况有利：当冷却水进口温度较高时，m较小，在缺少冷却水和气温较高地区采用多压凝汽器有利。
抽气设备: 抽气器的作用是将漏入凝汽器内空气不断地抽出，以维持凝汽器内的高度真空。
抽气器的型式有机械式和喷射式两种。
喷射式抽气器结构简单、工作可靠、制造成本低、维护方便、建立真空快。
常用的喷射式抽气器有射汽抽气器和射水抽气器两种。
启动抽气器的作用是在汽轮机启动前给凝汽器建立真空,以缩短机组启动时间。
工质是新蒸汽。
工作原理：新蒸汽进入工作喷嘴A，在喷嘴A膨胀速造成一个远高于音速的高速汽流射入混合室。
高速汽流有很强的空吸作用，从而将从抽气口来的汽气混合汽流带走，并进入扩压管C .混合汽流在扩压管C中不断扩压，直到压力稍大于大气压力后排入大气。
主抽气器的作用：是在汽轮机正常工作时使用，以维持凝汽器的高度真空，凝汽器内的汽气混合物由第一级抽气器抽出，并压缩到某一中间压力（低于大气压力），然后进入中间冷却器2。
在中间冷却器2中，混合物中的部分蒸汽被凝结成水，而未凝结的汽气混合物又被第二级抽走。
在第二级抽气器中，汽气混合物被压缩到略高于大气压力，再经第二级冷却器4进一步凝结并回收工质和热量。
最后的空气和少量未凝结的蒸汽一起排入大气。
射汽式抽气器工作特性:设计时，抽气器设计值选大，为正常工况的3-4倍，避免落入过负荷段。
第一章导热理论基础_传热学
§1-1 基本概念及傅里叶定律 §1-2 导热系数 §1-3 导热微分方程式 §1-4 导热过程的单值性条件
§1-1 基本概念及傅里叶定律
一、基本概念 1.温度场（Temperature field）
(1)定义： 物质系统内各个点上温度的集合称为温度场，它 是时间和空间坐标的函数 ，其函数表达为:
r 2 r r r 2 2 z 2 c
对于球坐标系 ：
t
a[
1 r2
(r2 r
t r
)
r
2
1 sin
(sin
t
)
r
2
1 sin
2
2t
2
]
qv
c
§2-4 导热过程的单值性条件
导热问题完整数学描述： 导热微分方程 + 单值性条件
一.单值性条件 1.定义:
确定唯一解的附加补充说明条件，包括四项：几何、物 理、初始、边界
直角坐标系:
0
注：温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向
4.热流密度矢量（热流矢量Heat flux）
热流密度：单位时间、单位面积上所传递的热量；
热流密度矢量：等温面上某点，以通过该点处最大热流密 度的方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热流密度
q
q
q q cos
二、傅里叶定律
1.数学表达式：
t+Δt t t-Δt
§2-2 导热系数（ Thermal conductivity ）
一、导热系数的定义 :
导热系数在数值上等于单位温度梯度作用下单位时间内 单位面积的热量。
q / gradt w/(m·K)
二、导热系数的性质:
（1）导热系数是物性参数：即它与物质结构和状态密切相 关，例如物质的种类、材料成分、温度、 湿度、压力、密 度等，与物质几何形状无关。
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
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16
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
大学传热学第一章 绪论
传热过程中的温度分布
• 稳态传热过程——热量传递过程中温度不随时间变化的传 热过程。
• 非稳态传热过程——热量传递过程中温度随时间变化的传 热过程。
• 一维传热过程——传热过程中热量只在一个方向进行。 • 多维传热过程——热量在多个方向传递的过程。
第一节 热量传递的三种基本方式
• 导热 • 热对流（对流） • 热辐射（热辐射）
传热学
第一章 绪论
• 传热学是研究热量传递规律的科学。 • 有温差的地方就会有传热。 • 热量传递具有方向性——从高温到低温。 • 热量传递的基本方式有三种——导热、热对流和辐射。
传热学的应用的实例
• 食品加工 • 航天飞行器表面的冷却 • 稠油开采 • 电子器件的冷却 • 生物工程 • 能源动力 • 交通运输
• 实例：两个非接触物体之间的热量传递；火焰的 热量传递；太阳辐射等等。
• 计算：斯忒藩－玻耳兹曼定律。
斯忒藩－玻耳兹曼定律
AT 4
Ac 0
T 100
4
5.67108W /m2 K 4
第二节 传热过程和传热系数
• 定义：热量由壁面一侧的流体通过壁面传给另一侧流体的 过程称为传热过程。
• 模拟法：利用同类现象可比拟的特点，用已知现 象的规律模拟所要研究的现象。
• 实验法：通过试验的方法来获得所要研究问题解 的方法。
第三节 传热学发展简史
• 本节内容请同学自学。
• 实例：由墙壁隔开的室内外空气间的传热。 • 计算：传热方程
传热方程
kAt t
f1
1
At t
1/ h / 1/ h
f1
f2
1
2
传热学的研究方法
• 解析法：首先建立所研究问题的数学描写，然后 应用解析数学的方法，求解该问题。
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。
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-讲稿第一章
Φ ∂ T ~ A ∂ x
When the proportionality constant is inserted,(当加入 比例常数时我们得到：)
∂ T Φ= − kA ∂ x
(1-1)
Φ ——the heat transfer rate;(热流通量或热流量）
heat flow ；
∂T / ∂x —— the temperature gradient in the direction of the
∂ T = Φ +dx = − |x+dx kA Energy out right face x ∂ x
∂ T ∂ ∂ T = −A k [ + (k )d ] x ∂ x ∂ x ∂ x
where q= energy generated per unit volume, W/m3 ɺ
c = specific heat of material, J/kg . 0C
工程热力学用于研究平衡系统；它只研究系统从一个平衡状态到另 一个平衡状态所需要的能量数，而不研究这种变化进行的快慢，因 为系统处于变化时是不平衡的。
For example（例如）
Consider the cooling of a hot steel bar which is placed in a pail of water
ρ= density, kg/m3
Combining the relations above gives
∂T ∂T ∂T ∂ ∂T ɺ −kA +qAdx = ρ cA dx− A k [ + (k )dx] ∂x ∂x ∂x ∂x ∂x
Or
∂ ∂ T ∂ T ɺ (k ) +q = ρ c ∂ x ∂ x ∂ τ
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-第一章 绪论PPTPPT幻灯片
• 传热学：研究热量传递规律的一门科学， 热量传递的机理、规律、计算和测试方法
• 燃烧学：研究燃烧现象和燃烧机理
• 制冷与低温：用人工的方法在一定时间和一定空 间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度 以下或很低的温度并保持该温度
授课计划 （48学时）
说明：只研究导热现象的宏观规律。
4 、导热的基本规律
1 ）傅立叶定律 （ 1822年，法国数学家Fourier）
如左图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
第一章 绪论（4学时） 第二章 导热基本定律及稳态导热（8学时） 第三章 非稳态导热（6学时） 第四章 导热数值解法基础（2学时） 第五章 单相流体对流换热（8学时） 第六章 凝结与沸腾换热（2学时） 第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性（4学时） 第八章 辐射换热计算（6学时） 第九章 传热过程分析与换热器计算（8学时） 成绩权重：考试 70%，作业30％。
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？
d 为什么下雪不冷、化雪冷？
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？
生产技术领域大量存在传热问题
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
❖ 自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍
交大传热学课件-第1章
2015/3/3
4
考 核 方 式
平时 50 19分
45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
1
教学实验 6分
2
Project 25分
dt
λ
Q
tw2
0
δx
tw1
Q
tw2
δ Aλ
图1-3 导热热阻的图示
§1-1 热量传递的三种基本方式
热传导 热对流 热辐射
定义 属性 特点
2015/3/3
17
(1) 对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式
[ ] h — 表面传热系数 W (m2 ⋅ K)
影响h因素：流速、流体物性、 壁面形状大小等
t
表征材料导热能力的大小，是一种物性
dx
参数，与材料种类和温度有关。
tw1
dt
λ金属 > λ非金属固体 > λ液体 > λ气体
(3) 一维稳态导热及其导热热阻
如图右图所示，稳态+平板 ⇒ q = const， 0
于是积分Fourier定律有
tw1
λ
Q
tw2
δx
Q
tw2
∫ ∫ q δ dx = −λ tw2
0
tw1
dt
⇒
q = λ tw1 − tw2 δ
δ Aλ
以上结果在§2-3 节中会进一步说明。
1 导热（热传导）(续)
(4) 一维稳态导热及其导热热阻，
q
=
tw1 − tw2
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