工程傳熱學(xué)第1章-緒論

1、第一章第一章 緒論緒論1-1 1-1 傳熱學(xué)概述傳熱學(xué)概述1-2 1-2 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式1-3 1-3 傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)1.1 概概 述述1.1.1、傳熱學(xué)研究?jī)?nèi)容傳熱學(xué)研究?jī)?nèi)容傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，研究熱量傳遞傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，研究熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法。的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法。熱量傳遞過(guò)程的推動(dòng)力：溫差熱量傳遞過(guò)程的推動(dòng)力：溫差 1)物體內(nèi)只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫物體內(nèi)只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分；部分傳向低溫部分； 2)物體之間存在溫差時(shí)，熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體

2、之間存在溫差時(shí)，熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體。物體傳向低溫物體。1.1.2、傳熱學(xué)研究中的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)、傳熱學(xué)研究中的連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 將假定所研究的物體中的溫度、密度、速度、將假定所研究的物體中的溫度、密度、速度、壓力等物理參數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)。壓力等物理參數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)。v自然界與生產(chǎn)過(guò)程到處存在溫差自然界與生產(chǎn)過(guò)程到處存在溫差傳熱很普遍傳熱很普遍v傳熱學(xué)在日常生活、生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十傳熱學(xué)在日常生活、生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。分廣泛。1.1.3、傳熱學(xué)的應(yīng)用、傳熱學(xué)的應(yīng)用v強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化傳熱v削弱傳熱削弱傳熱v溫度控制溫度控制熱量傳遞中的三類(lèi)問(wèn)題熱量傳遞中的三類(lèi)問(wèn)題a

3、人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持天都保持22度，那么在冬天與夏天、人在房間里所度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？穿的衣服能否一樣？為什么？b 夏天人在同樣溫度（如：夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的度）的空氣和水中的感覺(jué)不一樣。為什么？感覺(jué)不一樣。為什么？c 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？保溫。如何解釋其道理？越厚越好？日常生活中的例子日常生活中的例子為什么水壺的提把要包上橡膠？為什么水壺的提把要包上橡膠？不同材質(zhì)

4、的湯匙放入熱水中，哪個(gè)黃油融解更快？不同材質(zhì)的湯匙放入熱水中，哪個(gè)黃油融解更快？生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問(wèn)題生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問(wèn)題a 航空航天：衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器航空航天：衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器冷卻；重返大氣層冷卻；超高音速飛行器冷卻；b 微電子：微電子： 電子芯片冷卻電子芯片冷卻c 生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官的冷凍保存器官的冷凍保存d 軍軍 事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存e 制制 冷：跨臨界二氧化碳汽車(chē)空調(diào)冷：跨臨界二氧化碳汽車(chē)空調(diào)/熱泵；高

5、溫水熱泵；高溫水源熱泵源熱泵f 新能源：太陽(yáng)能；燃料電池新能源：太陽(yáng)能；燃料電池o 很多行業(yè)中如何讓熱量有效地傳遞成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵 大規(guī)模集成電路芯片的散熱問(wèn)題 航天飛機(jī)的有效冷卻和隔熱 材料加工行業(yè)的散熱問(wèn)題傳熱學(xué)的研究方法傳熱學(xué)的研究方法實(shí)驗(yàn)測(cè)定理論分析數(shù)值模擬傳熱學(xué)的地位傳熱學(xué)的地位 傳熱學(xué)是本專(zhuān)業(yè)必修的傳熱學(xué)是本專(zhuān)業(yè)必修的專(zhuān)業(yè)課專(zhuān)業(yè)課，理論性、，理論性、應(yīng)用性極強(qiáng)。通過(guò)學(xué)習(xí)能熟練掌握傳熱應(yīng)用性極強(qiáng)。通過(guò)學(xué)習(xí)能熟練掌握傳熱過(guò)程的基本規(guī)律、實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)及分析過(guò)程的基本規(guī)律、實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)及分析計(jì)算方法，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)、控制、優(yōu)化計(jì)算方法，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)、控制、優(yōu)化傳熱過(guò)程的目的。傳熱過(guò)程的目的

6、。1-11-1熱能傳遞的基本方式熱能傳遞的基本方式 熱能傳遞基本方式：導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）、熱能傳遞基本方式：導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）、對(duì)流、熱輻射對(duì)流、熱輻射1.2.11.2.1、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)） 1 1 、概念、概念 定義：定義：物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀(guān)移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀(guān)粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱(chēng)導(dǎo)熱。粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱(chēng)導(dǎo)熱。 如：固體與固體之間及固體內(nèi)部的熱量傳如：固體與固體之間及固體內(nèi)部的熱量傳遞。遞。 2 2、導(dǎo)熱的特點(diǎn)、導(dǎo)熱的特點(diǎn) 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

7、、原子及自由電子等微觀(guān)粒子依靠分子、原子及自由電子等微觀(guān)粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；不發(fā)生宏觀(guān)的相對(duì)熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；不發(fā)生宏觀(guān)的相對(duì)位移位移 沒(méi)有能量形式之間的轉(zhuǎn)化沒(méi)有能量形式之間的轉(zhuǎn)化1.2.21.2.2、熱對(duì)流、熱對(duì)流 1 1 、基本概念、基本概念 1) 1) 熱對(duì)流：熱對(duì)流：是指由于流體的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)，從而使流體是指由于流體的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)，從而使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程。引起的熱量傳遞過(guò)程。 熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中，流體中有溫差熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中，流體中有溫差 對(duì)流的同對(duì)流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。自

8、然界不存在單一的熱對(duì)流。自然界不存在單一的熱對(duì)流。2) 2) 對(duì)流換熱對(duì)流換熱：流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過(guò)程，稱(chēng)為對(duì)流換熱。遞過(guò)程，稱(chēng)為對(duì)流換熱。 1.2.31.2.3、熱輻射、熱輻射 1 1、基本概念、基本概念 1 1）輻射和熱輻射）輻射和熱輻射 物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱(chēng)為輻射。因物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱(chēng)為輻射。因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱(chēng)為熱輻射。熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱(chēng)為熱輻射。 2 2）輻射換熱）輻射換熱 輻射與吸收過(guò)程的綜合作用造成了以輻射方式進(jìn)輻射與吸收過(guò)程的綜合作用造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞稱(chēng)輻射換熱。行的物

9、體間的熱量傳遞稱(chēng)輻射換熱。2.輻射換熱的特點(diǎn)輻射換熱的特點(diǎn)不需要物體直接接觸?？梢栽谡婵罩袀鬟f，而且不需要物體直接接觸。可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。在真空中輻射能的傳遞最有效。在輻射換熱過(guò)程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴在輻射換熱過(guò)程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。輻射時(shí)：輻射體內(nèi)熱能輻射時(shí)：輻射體內(nèi)熱能輻射能；輻射能；吸收時(shí)，輻射能吸收時(shí)，輻射能受射體內(nèi)熱能。受射體內(nèi)熱能。只要溫度大于零就有能量輻射。只要溫度大于零就有能量輻射。物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有關(guān)。這是熱輻射物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有關(guān)。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱，對(duì)流的基本特點(diǎn)

10、。區(qū)別于導(dǎo)熱，對(duì)流的基本特點(diǎn)。 自然界中的物體都在不停的向空間發(fā)出熱輻射，自然界中的物體都在不停的向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷的吸收其他物體發(fā)出的輻射熱，不同時(shí)又不斷的吸收其他物體發(fā)出的輻射熱，不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物體向高溫物體輻射熱能。體向高溫物體輻射熱能。 說(shuō)明：輻射換熱是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)物體與周說(shuō)明：輻射換熱是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)物體與周?chē)h(huán)境溫度處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量為零，圍環(huán)境溫度處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過(guò)程仍在不停的進(jìn)行，只是輻射但輻射與吸收過(guò)程仍在不停的進(jìn)行，只是輻射熱與吸收熱相等。熱與吸收熱相等。3 3

11、 ）導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射的評(píng)述）導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射的評(píng)述 導(dǎo)熱、對(duì)流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在導(dǎo)熱、對(duì)流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在的條件下，才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，的條件下，才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。最有效。 在輻射換熱過(guò)程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，在輻射換熱過(guò)程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。 在輻射時(shí)，輻射體內(nèi)熱能在輻射時(shí)，輻射體內(nèi)熱能 輻射能；輻射能； 在吸收時(shí)，輻射能在吸收時(shí)，輻射能 受射體內(nèi)熱能受射體內(nèi)熱能 物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有

12、關(guān)。物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有關(guān)。綜合分析綜合分析1-3 1-3 傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1818世紀(jì)世紀(jì)3030年代工業(yè)化革命促進(jìn)了傳熱學(xué)的發(fā)展年代工業(yè)化革命促進(jìn)了傳熱學(xué)的發(fā)展 導(dǎo)熱（導(dǎo)熱（Heat conductionHeat conduction）鉆炮筒大量發(fā)熱的實(shí)驗(yàn)（鉆炮筒大量發(fā)熱的實(shí)驗(yàn)（B. T. Rumford, B. T. Rumford, 17981798年）年）兩塊冰摩擦生熱化為水的實(shí)驗(yàn)（兩塊冰摩擦生熱化為水的實(shí)驗(yàn)（H. Davy, H. Davy, 17991799年）年）導(dǎo)熱熱量和溫差及壁厚的關(guān)系（導(dǎo)熱熱量和溫差及壁厚的關(guān)系（J. B. BiotJ. B. Biot

13、, , 18041804年）年）Fourier Fourier 導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律 (J. B. J. Fourier , 1822 (J. B. J. Fourier , 1822 年）年）G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M. JakobJaeger/ M. Jakob 對(duì)流換熱對(duì)流換熱 （Convection heat transferConvection heat transfer）不可壓縮流動(dòng)方程不可壓縮流動(dòng)方程 （M.Navier,1823M.Na

14、vier,1823年年) )流體流動(dòng)流體流動(dòng)NavierNavier-Stokes-Stokes基本方程基本方程 (G.G.Stokes,1845(G.G.Stokes,1845年）年）雷諾數(shù)雷諾數(shù)(O.Reynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年）自然對(duì)流的理論解（自然對(duì)流的理論解（L.LorentzL.Lorentz, 1881, 1881年）年）管內(nèi)換熱的理論解（管內(nèi)換熱的理論解（L.GraetzL.Graetz, 1885, 1885年；年；W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年） 凝結(jié)換熱理論解凝結(jié)換熱理論解 （W.NusseltW.Nusselt, 1916, 1916年）年）強(qiáng)制對(duì)流與自然對(duì)流無(wú)量綱數(shù)的原則關(guān)系強(qiáng)制對(duì)流與自然對(duì)流無(wú)量綱數(shù)的原則關(guān)系 （W.Nusselt,1909W.Nusselt,1909年年/ /19151915年）年）流體邊界層概念流體邊界層