Transcript 传 热 学 Heat Transfer 冶 金 机 械 系 机 械

传 热 学
Heat Transfer
冶金机械系
机 械 学 院
课程安排及考核
总学时：24 （授课：20；实验：4）
实 验： 实验教师：吴玉娟 老师（理学楼306）
(课代表提前联系）
考 核：
笔试：占70℅；
作业：16开纸形式（B5）提交，10 ℅。两次，每次
满分5分；
随堂测试：占5 ℅，两次；
实验：占10℅。满分10分；
出勤：占5℅。抽查点名，缺勤一次扣1分，5次以上不
能参考。
教材：
《传热学》校内教材
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
§1-0 什么是热（heat）？何谓传热（Heat Transfer）？
物体所具有的能量：
宏观运动动能、势能
(bulk energy）
内能（internal energy）
由物质的P、V、T决定
热：因温差而传递的内能，正如功是力能的转移。
传热：内能的传递。
温度（temperature）：内能的示强性指标（intensive quantity)
热能（thermal energy）:内能的转移。
§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。

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。
传热学与工程热力学研究的问题不同：
铁块 ：300℃
热力学：
平衡状态、状态变化的条件、
方向、限度
传热学：过程的速率、温度场
t  f ( x, y, z, ) Q  f( )
水 ：20℃
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······
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。
学习传热学掌握热量传递规律，使热量有效
传递或阻止热量传递、控制温度场非常必要。
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······
具体事例
冶金工业：
连续铸造设备
连铸坯的冷却、辊道的冷却
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
汽
车
工
业
卫星与空间站热控制
航空航天
航天飞机
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：
生物医学：
我院相关专业中的传热学应用：
•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 ·····
日常生活中与传热有关的有趣问题：




冬天上午晒棉被,晚上睡觉为什么会觉得很 暖和?
暖水瓶胆为镀银真空夹层玻璃, 暖水瓶的保温原理？
北方寒冷地区，房屋都是双层玻璃，以利于保温。
如何解释其道理？空气夹层越厚越好吗？
深秋的晴朗的夜晚容易结霜，为什么？树叶上的霜
在上面还是下面？
都是需要传热学回答的问题。
三、学习传热学的重要性
机械、能源、化工、建筑等专业的主干技术基础课。
没有传热学知识的技术者的知识结构是不完备的。
机械类专业的必修课，国内外概莫能外。在国外不少学
校，该课程的学时更多。
传热学一直是数学家、物理学家、技术工作者共同研究
的热点领域之一。牛顿、傅立叶、普朗克、克西霍夫、
雷诺、普朗特、卡门、努谢尔特等大家的业绩在传热学
的殿堂中熠熠生辉。
学习传热学的同时可以学习偏微分方程及其解法、差分
法、相似原理、量纲分析等具有普遍工学意义的方法。
§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
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

A
(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
2

m
A：垂直于导热方向的截面积  
图1-1 通过平板的导热
导热系数(Thermal conductivity)：
Q

A t 
具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体(1m)，在它的单位
面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)
热导率表示材料导热能力大小；物性参数；由实验确定
金属 》非金属 》液体
》气体
纯铜＝398 w/(m ℃）；水＝0.6 w/(m ℃）；
空气＝0.026 w/(m ℃）
（20℃）
注意：传热学中
热流量 Q的单位是 [W]，而非[J]；
[W]= [J]/[s]
热流量是单位时间传递的热量；
它体现了传热的速率或快慢；
导热热阻：
比拟电路的欧姆定律I=U/R ，把式(1-1)改写为：
t
t
Q


R
A
(1-2)

R
:平板导热的热阻(thermal resistance for
F conduction)，单位为K/W。
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。
若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度t1处流至温
度t2处，则此热对流过程传递的热流量为：
Q＝Gc（
p t 2－t 1）
[W]
流体中有温差—热对流必然同时伴随着热传导
CP —流体比热
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：既有热对流，也有导热 ；
不是基本传热方式
•对流换热实例：
1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却
•对流换热的特点：
(1) 导热与热对流同时存在的复杂
热传递过程。
(2) 必须有直接接触（流体与壁面）
和宏观运动；也必须有温差。
(3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦
阻力的影响，紧贴壁面处会形成
速度梯度很大的边界层及温度
边界层。
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，℃。
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

[W/(m2·K)]
自然对流
空气
1～10
水
200～1 000
强迫对流
气体
高压水蒸气
水
20～100
500～3 500
1 000～15 000
水的相变换热
沸腾
蒸汽冷凝
2 500～35 000
5 000～25 000
三、热辐射（ Thermal radiation ）
热辐射
由于热的原因而向外发射辐射能的现象.
温度大于绝对温度零度的物体都具有辐射能力，
物体的温度越高、辐射能力越强；
物体的种类不同、表面状况不同，
其辐射能力不同。
辐射换热（ Radiation
heat transfer ） ：
物体间靠热辐射进行的
热量传递
Solid
T1
radiation
vacuum
Surroundings T2
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:
物体内能--电磁波能--物体内能
● 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。
黑体模型：研究辐射换热，进行辐射换热计算的比较标准。
引入的理想模型。
黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体,
或称绝对黑体。（Black body）(不同于黑色）
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： 窗户
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 108 W/(m 2 K 4 )
T——黑体的热力学温度，K。
实际物体单位时间的热辐射能量
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。
两平行黑体平板间的辐射换热：
A
T1
Q
T2
两板相距很近，它们之间的辐射换热量：
Q  A (T14  T24 )
当T1＝T2时，处于动态平衡
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
(a) 省煤器
去蒸发器热面
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
传热过程：两流体间通过固体壁面进行的换热
冷、热流体通过一大平壁的交换热量的传热过程
单位时间热流体与平壁左侧面的对流换热量：
Q  1 (tf 1  tw1 ) F
F
单位时间平壁的左侧面与右侧面
之间的导热量为：
t
Q
t w1  t w 2

F
Q
f1
α1
单位时间冷流体与平壁右侧面
的对流换热量为：
tf2
α2
Q   2 (tw2  tf2 ) F
图1-5 传热过程
稳态换热，各温度值保持不变，此三部分换热量是相等的，
由以上三式消去tw1和tw2得：
(tf 1  tf 2 ) F
Q
1

1
 
1
1
令 k 1 
1
 
1   2
则
Q

W
2
t  tf 1  tf 2
t
1
kF

t
R
K－－传热系数，单位为W/(m2·K)
1
R
－－传热过程的热阻，单位为K/W。
kF
1
1

1
R



kF 1F F  2 F
传热过程的总热阻等于各热阻的串联，模拟电路：
tf1
1
1 F
tw1

F
tw2
1
2F
图1-6 传热热阻的模拟电路
K越大传热越好。
tf2
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 /(m 2 k ) ，另一侧氟里昂凝结  2  1800 w /( m 2 k ) ,
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？
解：三个环节的单位面积的热阻为：
1
1

 1.15 104 m 2  k / w
水侧对流： 1 8700
 1.5 103
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
k



1480
(
w
/
m
k)
总传热系数：
6
6
4
1  1 1.15 10  3.92 10  5.56 10
 
1   2
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
— 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。
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。
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。
关于物体间辐射换热的计算法：
1935年波略克提出净辐射法；
1954年提出、1967年改进的交换因子
法；
1956年奥本海姆提出的模拟网络法。
发展方向：
•引进新的科学技术成果，内容更加丰富
新概念－微尺度传热、微重力传热；
新理论－混沌等；
新方法－数值方法、微观和介观。
•学科内的综合与学科间的交叉将更加强
烈
•随着计算机技术和计算技术的发展，20
世纪70年代开始形成的数值传热学显示出
巨大活力。
传热学的大师们：
Baron Jean Baptiste Joseph Fourier 1768-1830
Fourier 法国 数学家
Osborne Reynolds 1842-1912
Reynolds 英 工程师
Josef Stefan 1835-1893
Austrian Physicist
Franz Grashof 1826-1893
A German engineer， also served as Professor of
Applied Mechanics and Mechanical Engineering
Wilhelm Nusselt 1882 - 1957
Nusselt 德 教授
Ludwig Prandtl 1875-1953
Prandtl 德国应用数学家
karman（冯·卡门）德、美 应用数学家、力学家
Boltzmann 奥 物理学家 统计物理学、
Planck 德 物理学家 量子力学创始人 、
拔山四郎 教授
等等。
大师们的研究特色：
•建立在对现象仔细观察基础上的对问题实质
的深邃洞察 ；
•娴熟地运用数学工具建立模型、解决问题。
传热学的特点与研究方法
特点：




既有数理学科的特点又有非常强的应用背景,
也常称工程传热学
是一门专业基础课，联系基础课与专业课的纽
带与桥梁
能量守恒定律是贯穿全书的主线
先修课程：高等数学、大学物理、计算方法 、
流体力学等
传热学研究方法：
理论分析方法
－用数学分析来求解
 实验方法
－实验确定和验证



计算机方法
－现代计算技术与计算机应用
比拟方法
—用两种不同的现象的类比来求
解传热学问题
传热学学习方法、要点:






重视对基本概念和基本理论的学习, 做到对所研究的
物理过程有深刻的理解
学会传热学分析和解决实际问题的思路和方法,培养综
合分析问题的能力和创造性的思维能力（模型建立）
理论与实践相结合,培养工程分析能力和灵活应用经验
公式、计算图表的能力
充分认识自学的重要性, 培养独立地获取知识的能力
重视实验技能的锻炼, 培养动手能力
及时复习与小结