傳輸原理課件4-熱量傳輸

1、傳輸原理課件傳輸原理課件4-4-熱量傳輸熱量傳輸傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的異同傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的異同水，水，M220oC鐵塊，鐵塊，M1300oC熱力學(xué)：熱力學(xué)：tm , Q傳熱學(xué)：過程的速率傳熱學(xué)：過程的速率)( );,(fQzyxft1-2 1-2 熱量傳遞的基本方式熱量傳遞的基本方式 熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射熱輻射一、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）一、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）heat conduction1.1.定義和特征定義和特征定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時，依靠分子、同的兩物體間直接接觸時，依靠分子

2、、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進行的熱量傳遞現(xiàn)象。行的熱量傳遞現(xiàn)象。導(dǎo)熱的特點導(dǎo)熱的特點 必須有溫差必須有溫差 物體直接接觸物體直接接觸 依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量熱運動而傳遞熱量 不發(fā)生宏觀的相對位移不發(fā)生宏觀的相對位移3. 傅立葉公式傅立葉公式: 1822年，法國數(shù)學(xué)家年，法國數(shù)學(xué)家Fourier：（1768-1830）畢歐：畢歐： 大平壁導(dǎo)熱問題研究大平壁導(dǎo)熱問題研究實驗。實驗。傅立葉：傅立葉： 綜合大量冶金機械固體導(dǎo)熱實驗數(shù)據(jù)綜合大量冶金機械固體導(dǎo)熱實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出。的基礎(chǔ)上提出。3.

3、傅立葉公式傅立葉公式: 1822年，法國數(shù)學(xué)家年，法國數(shù)學(xué)家Fourier：q：熱通量，單位時間通過單位面積傳遞的熱量：熱通量，單位時間通過單位面積傳遞的熱量 W/m2；：平壁的厚度：平壁的厚度m；12wwttt ：平壁兩側(cè)壁溫之差：平壁兩側(cè)壁溫之差C:C)(mW熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù))Thermal conductivity2W/m tq熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）(Thermal conductivity) tq tq 具有單位溫度差（具有單位溫度差（1）的單位厚度的物體）的單位厚度的物體(1m)，在它的單位面積上，在它的單位面積上(1m2)、每單位時間、每單位時間(1s)

4、的導(dǎo)熱量的導(dǎo)熱量(J)熱導(dǎo)率表示材料導(dǎo)熱能力大??；物性參數(shù)；實驗確定熱導(dǎo)率表示材料導(dǎo)熱能力大??；物性參數(shù)；實驗確定 tq);/(0363. 0KmW絲綢);/(0589. 0KmW棉花; )(6 .0KmW水C)(20 )(026. 0KmW空氣);/(398KmW純銅例題例題1-1 有三塊分別由純銅有三塊分別由純銅(熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率1=398W/(mK)、木材木材(熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率2=0.12W/(mK)和鑄鐵和鑄鐵(熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率3=40W/(mK)制成的大平板，厚度都為制成的大平板，厚度都為10mm，兩，兩側(cè)表面的溫差都維持為側(cè)表面的溫差都維持為tw1 tw2 = 50不變，試求通過不變，試求通過

5、每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。解解： 根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱公式，對于純銅板，根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱公式，對于純銅板， 262w1w11/1099. 101. 0/50398mWttq1. 定義與特征定義與特征 熱對流：流體中（氣體或液體）溫度不同熱對流：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運動的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運動而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。 流體中有溫差流體中有溫差 熱對流必然同時伴隨著熱對流必然同時伴隨著 熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)， 對流換熱：對流換熱：流體流過與之溫度不同的固體流體流過與之溫度不同的固體 壁面時的熱量

6、交換。壁面時的熱量交換。 Convection heat transfer二、熱對流二、熱對流(convection)與對流換熱與對流換熱對流換熱的特點對流換熱的特點 對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式 導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差動；也必須有溫差對流換熱對流換熱 有溫差有溫差 直接接觸直接接觸 宏觀運動宏觀運動 流體流體 加熱元件表面加熱元件表面 杯壁內(nèi)表面杯壁內(nèi)表面 2.分

7、類分類對流換熱按照不同的原因可分為多種類型對流換熱按照不同的原因可分為多種類型 是否相變是否相變，分為：有相變的對流換熱和無，分為：有相變的對流換熱和無相變的對流換熱相變的對流換熱 流動原因流動原因，分為：強迫對流換熱和自然對，分為：強迫對流換熱和自然對流換熱。流換熱。流動狀態(tài)流動狀態(tài)，分為：層流和紊流。，分為：層流和紊流。3.牛頓冷卻公式（牛頓冷卻公式（1701）utftw AtwtfQ Q 熱流量熱流量W，單位時間傳遞的熱量，單位時間傳遞的熱量q2mW 熱流密度熱流密度C)(mW2 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)F2m 與流體接觸的壁面面積與流體接觸的壁面面積C 固體壁表面溫度固體壁表面溫度C

8、流體溫度流體溫度Convection heattransfer coefficientTFFTTQfwTTTqfw 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對流換熱系數(shù)）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對流換熱系數(shù)） （Convection heat transfer coefficient）)t(F(tQ fwC)(mW2 當(dāng)流體與壁面溫度相差當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面度時、每單位壁面面積上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量面積上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量h 是表征對流換熱過程強弱的物理量是表征對流換熱過程強弱的物理量 影響影響h因素：因素：流動原因、流動狀態(tài)、流體物性、流動原因、流動狀態(tài)、流體物性、有無相變、壁面形狀大小等有無相變、

9、壁面形狀大小等例題例題1-2 一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為3m2，表面溫度，表面溫度為為tw = 50，和溫度為，和溫度為20的室內(nèi)空氣之間自然對流的室內(nèi)空氣之間自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 = 4 W/(m2K)。試問該暖氣。試問該暖氣片相當(dāng)于多大功率的電暖氣片相當(dāng)于多大功率的電暖氣?解解： 暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對流換熱，暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對流換熱， Q= F (tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相當(dāng)于功率為即相當(dāng)于功率為0.36kW的電暖氣。的電暖氣。 三、熱輻射

10、三、熱輻射（Thermal radiation）1.定義定義物體通過電磁波來傳遞熱量的方式。物體通過電磁波來傳遞熱量的方式。 物體的溫度越高、輻射能力越強；物體的溫度越高、輻射能力越強；若物體的種若物體的種 類不同、表面狀況不同，類不同、表面狀況不同，其輻射能力不同其輻射能力不同輻射換熱：物體間靠熱輻射進行的熱量傳遞輻射換熱：物體間靠熱輻射進行的熱量傳遞 Radiation heat transfer2.輻射換熱的特點不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換在

11、輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能 電磁波能電磁波能 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量;總總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫3. 黑體 為了研究不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)為了研究不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)律，物理學(xué)家們定義了一種理想物體律，物理學(xué)家們定義了一種理想物體黑體黑體(black body)，以此作為熱輻射研

12、究的標(biāo)準(zhǔn)物體。，以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體。黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體，既沒有反射，也沒有透射體，既沒有反射，也沒有透射( 當(dāng)然黑體仍然當(dāng)然黑體仍然要向外輻射要向外輻射)?；蚍Q絕對黑體?；蚍Q絕對黑體。（Black body） 按照基爾霍夫輻射定律按照基爾霍夫輻射定律(Kirchhoff)，在一，在一定溫度下，黑體必然是輻射本領(lǐng)最大的物體，可定溫度下，黑體必然是輻射本領(lǐng)最大的物體，可叫作完全輻射體叫作完全輻射體 4. 斯蒂芬斯蒂芬-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 （Stefan-Boltzmann law） 黑體向外發(fā)射的輻射能：黑體向外發(fā)射的輻射

13、能：24mW TEbb 絕對黑體輻射力絕對黑體輻射力 黑體表面的絕對溫度（熱力學(xué)溫度）黑體表面的絕對溫度（熱力學(xué)溫度） 斯蒂芬斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)， bET b)K(mW105.6742-8 K 實際物體輻射能力：低于同溫度黑體實際物體輻射能力：低于同溫度黑體24mW TEb 實際物體表面的發(fā)射率（黑度），實際物體表面的發(fā)射率（黑度），01；與物體的種類、表面狀況和溫度有關(guān)與物體的種類、表面狀況和溫度有關(guān) （Emissivity） FTTQ424101T2T 通過物體間相互輻射和吸收進行通過物體間相互輻射和吸收進行的熱量傳輸過程稱為輻射換熱的熱量傳輸過程稱為輻射換熱對于三種方式同時存在的對于三種方式同時存在的綜合傳熱，總傳熱量為：綜合傳熱，總傳熱量為： Q = k t F (w) k : 綜合傳熱系