传热学第1章 绪论.ppt
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1、传热学传热学Heat Transfer建筑环境与设备工程建筑环境与设备工程20082008年年3 3月月主讲教师:邹高万主讲教师:邹高万请节约能源,珍爱我们的地球!请节约能源,珍爱我们的地球!3/11/2023 -2-教教 材:材:v杨世铭杨世铭,陶文铨陶文铨.传热学传热学(第四版第四版),高等教育出版社高等教育出版社,2006.8主要参考资料:主要参考资料:v1 戴锅生戴锅生.传热学传热学(第二版第二版),高等教育出版社高等教育出版社,1998v2 J.P.霍尔曼霍尔曼(J.P.Holman)美美.Heat Transfer(9 Edition),机械工业出版社,机械工业出版社,2005v3
2、 F.P.Incropera&D.P.DeWitt.Introduction to Heat Transfer(9 Edition)v4 F.P.Incropera,D.P.DeWitt.Fundamentals of Heat Transfer3/11/2023 -3-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述1-0 概概 述述 自然界的各种现象是否会会涉及到热量传递?自然界的各种现象是否会会涉及到热量传递?3/11/2023 -4-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述我们的日常生活是否会涉及到热量传递?我们的日常生活是否会涉及到热量传递?3/11/2023 -5-第第1 1章章 绪论
3、绪论1-0 概概 述述工业生产工业生产是否会涉及到热量传递?是否会涉及到热量传递?3/11/2023 -6-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述军事工业军事工业是否会涉及到热量传递?是否会涉及到热量传递?3/11/2023 -7-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述航天航天是否会涉及到热量传递?是否会涉及到热量传递?3/11/2023 -8-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述火!热量!火!热量!3/11/2023 -9-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述1-0 概概 述述 1.传热学(传热学(Heat Transfer)(1)研研究究由由温温差差引引起起的的热热量量
4、传传递递规规律律的的科科学学,具具体体来来讲讲主主要要有有热热量量传传递递的的机理、规律、计算和测试方法机理、规律、计算和测试方法(2)热量传递过程的推动力:热量传递过程的推动力:温差温差 热力学第二定律:热量可以自发地由高温热源传给低温热源热力学第二定律:热量可以自发地由高温热源传给低温热源 有温差就会有传热有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力温差是热量传递的推动力2.连续介质假设连续介质假设(1)物质是由连续介质所构成;物质是由连续介质所构成;(2)在充满连续介质的空间,各物理参数都是连续函数。在充满连续介质的空间,各物理参数都是连续函数。(2)(2)在充满连续介质的空间,各物理参数都
5、是连续函数。在充满连续介质的空间,各物理参数都是连续函数。3/11/2023 -10-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述3.传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系(1)热力学 +传热学 =热科学(Thermal Science)系统从一个平衡态系统从一个平衡态到另一个平衡态的到另一个平衡态的过程中传递热量的过程中传递热量的多少。多少。关心的是热量传关心的是热量传递的过程,即热递的过程,即热量传递的速率。量传递的速率。热力学:传热学:水,M220oC铁 块,M1300oC图1-1 传热学与热力学的区别(2)传热学以热力学第一定律和第二定律为基础,即传热学以热力学第一定律和第二定
6、律为基础,即 始终从高温热源向低始终从高温热源向低温热院传递,如果没有能量形式的转化,则温热院传递,如果没有能量形式的转化,则 始终是守恒的。始终是守恒的。3/11/2023 -11-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述(1)日日常生活中的例子:常生活中的例子:4 4 传热学应用实例传热学应用实例自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍传热很普遍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,那么在冬天,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?与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样?为
7、什么?b.夏夏天人在同样温度(如:天人在同样温度(如:25 )的空气和水中的感觉不一样。为什么?)的空气和水中的感觉不一样。为什么?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?厚越好?d.棉被为什么需要晾晒,而且晾晒的过程中要拍打?棉被为什么需要晾晒,而且晾晒的过程中要拍打?3/11/2023 -12-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述(2)(2)特别是在下列技术领域大量存在传热问题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、微动
8、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(机电系统(MEMS)、)、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术3/11/2023 -13-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述上海超级计算中心硬件资源上海超级计算中心硬件资源神威神威MPP3840亿次CPU 384MM 48GBDISK 1280GB神威神威Cluster3072亿次CPU 66MM 66GBDISK 2700GB曙光曙光4000A10万亿次 CPU 2048MM 4TB SCSI Disk 20TB集成电路芯片的功率:20世纪70年代 10 W/c
9、m220世纪80年代 2030 W/cm220世纪90年代及以后 102 W/cm2量级3/11/2023 -14-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述b.微微 电电 子:子:电子芯片冷却电子芯片冷却c.生物医学:生物医学:肿瘤高温热疗;生物芯片;组织与器官的冷冻保存肿瘤高温热疗;生物芯片;组织与器官的冷冻保存d.军军 事:事:飞机、坦克;激光武器;弹药贮存飞机、坦克;激光武器;弹药贮存e.制制 冷:冷:跨临界二氧化碳汽车空调跨临界二氧化碳汽车空调/热泵;高温水源热泵热泵;高温水源热泵f.新新 能能 源:源:太阳能;燃料电池太阳能;燃料电池(3)(3)几个特殊领域中的具体应用几个特殊领域
10、中的具体应用a.航航空空航航天天:高高温温叶叶片片气气膜膜冷冷却却与与发发汗汗冷冷却却;火火箭箭推推力力室室的的再再生生冷冷却却与与发发汗汗冷冷却却;卫卫星星与与空空间间站站热热控控制制;空空间间飞飞行行器器重重返返大大气气层层冷冷却却;超超高高音音速速飞飞行行器器(Ma=10)冷冷却却;核核热热火火箭箭、电电火火箭箭;微微型型火火箭箭(电电火火箭箭、化化学学火火箭箭);太太阳阳能高空无人飞机。能高空无人飞机。3/11/2023 -15-第第1 1章章 绪论绪论1-0 概概 述述5 5 传热过程的分类传热过程的分类按温度与时间的依变关系,可分为稳态和非稳态两大类。按温度与时间的依变关系,可分为
11、稳态和非稳态两大类。稳态传热过程:稳态传热过程:系统中各点温度不随时间而改变的热传递过程系统中各点温度不随时间而改变的热传递过程非稳态传热过程:非稳态传热过程:系统系统中各点温度随时间而改变的热传递过程中各点温度随时间而改变的热传递过程例:热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程例:热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程例:热力设备在启动、停机、变工况运行时的热传递过程例:热力设备在启动、停机、变工况运行时的热传递过程3/11/2023 -16-第第1 1章章 绪论绪论1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式导热导热(热
12、传导热传导);对流;对流(热对流热对流);热辐射;热辐射1 导热(热传导)导热(热传导)(Conduction)(1)定义: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(2)物质的属性:物质的属性:可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生(3)导热的特点:导热的特点:a 必须有温差;必须有温差;b 物体直接接触;物体直接接触;c 依靠分子、原子及自由依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而
13、传递热量;电子等微观粒子热运动而传递热量;d 在引力场下单纯的导热只发生在密实在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。固体中。3/11/2023 -17-第第1 1章章 绪论绪论1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式(4)导热的基本定律:导热的基本定律:1822年,法国数学家Fourier:上式称为上式称为Fourier定律,号称导热基本定律,定律,号称导热基本定律,是一个一维稳态导热。其中:是一个一维稳态导热。其中:热流量,单位时间传递的热量热流量,单位时间传递的热量W;q:热流密度,单位时间通过单位面热流密度,单位时间通过单位面积传递的热量;积传递的热量;A:垂直于导热方向的
14、截面积垂直于导热方向的截面积m2;:导热系数(热导率)导热系数(热导率)W/(m K)。图图1-2 一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热t0 x dxdt3/11/2023 -18-第第1 1章章 绪论绪论1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式(6)一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 如图如图1-3所示,稳态所示,稳态 q=const,于是积分于是积分Fourier定律有:定律有:复习:复习:1 传热学的研究内容传热学的研究内容 (1)定义定义 2 传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系 (2)物质的属性:物质的属性:3 传热学应用实例传热学应用实例 (3
15、)导热的特点导热的特点 4 传热过程的分类传热过程的分类 (4)导热的基本定律导热的基本定律 5 5 导热导热 (5)导热系数导热系数(5)导热系数导热系数 表征表征材料导热能力的大小材料导热能力的大小,是一种物性参数,与材料种类和温度关。,是一种物性参数,与材料种类和温度关。3/11/2023 -19-第第1 1章章 绪论绪论1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式图图1-3 导热热阻的图示导热热阻的图示t0 x dxdt导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻3/11/2023 -20-第第1 1章章 绪论绪论1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式例题例题 1-1
16、1-1一块厚度一块厚度=50 mm 的平板,的平板,两侧表面分别维持在两侧表面分别维持在试求下列条件下的热流密度。试求下列条件下的热流密度。(1)材料为铜,材料为铜,=375 w/(mK);(2)材料为钢,材料为钢,=36.4 w/(mK);(3)材料为铬砖,材料为铬砖,=2.32 w/(mK);(4)材料为铬藻土砖,材料为铬藻土砖,=0.242 w/(mK)。解:参见解:参见图图1-3。及一维稳态导热公式及一维稳态导热公式有:有:3/11/2023 -21-第第1 1章章 绪论绪论1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式铬砖:铬砖:硅藻土砖:硅藻土砖:讨讨论论:由由计计算算可可见
17、见,由由于于铜铜与与硅硅藻藻土土砖砖导导热热系系数数的的巨巨大大差差别别,导导致致在在相相同同的的条条件件下下通通过过铜铜板板的的导导热热量量比比通通过过硅硅藻藻土土砖砖的的导导热热量量大大三三个个数数量量级级。因因而而,铜铜是是热热的的良良导导体体,而而硅硅藻藻土土砖砖则则起起到到一一定定的的隔隔热热作作用。用。铜:铜:钢:钢:3/11/2023 -22-第第1 1章章 绪论绪论1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式1.概念概念(1)定义定义 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
18、的热量传递过程称为对流。体相互掺混所引起的热量传递过程称为对流。(2)物质的属性物质的属性 仅发生在流体中。仅发生在流体中。对流必然伴随着导热(因为流体分子存在热运动)。对流必然伴随着导热(因为流体分子存在热运动)。二、二、对流对流(Convection)(3)生活中的例子:生活中的例子:a 烧开水;烧开水;b 热的时候吹电扇;热的时候吹电扇;c 烫嘴的粥,正么处理?烫嘴的粥,正么处理?3/11/2023 -23-第第1 1章章 绪论绪论1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式2.对流换热对流换热对流换热:流体流过一个物体表面时的热量传递过程对流换热:流体流过一个物体表面时的热量传
19、递过程(1)对流换热的特点:对流换热的特点:对流的同时必伴随有导热现象;对流的同时必伴随有导热现象;必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;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壁面处会形成速度梯度很大的边界层(2)对流换热的分类对流换热的分类 根据对流换热时是否发生相变分:根据对流换热时是否发生相变分:有相变的对流换热和无相变的对流换热。有相变的对流换热和无相变的对流换热。根据引起流动的原因分:根据引起流动的原因分:自然对流和强制对流。自然对流和强制对流。二、二、对流对流(Convection)3/11/2023 -24-第第1 1章章 绪论绪论1-1 热量
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