第一章传热学.docx

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第一章传热学

1.绪论

1.1知识结构

1.传热学研究内容（温差传热）；

2.三种基本传热方式的机理和基本公式；

3.传热过程、传热方程式；

4.导热系数、对流换热系数、传热系数的物理涵义、单位、基本数量级、影响因素和变化规律；

5.热阻与热流网络图；

6.单位与单位制。

1.2重点内容剖析

1.2.1传热学概述

一.传热学研究对象

1.传热学是研究热量传递规律的科学。

其主要研究内容：

（1）热量传递的机理和速率（强化、削弱传热）

（2）物体中温度场的变化（热应力计算、安全性分析）

2.传热学与热力学的关系

热力学研究各种能量之间相互转换的规律，指出了热量传递的方向和传递过程的热平衡关系，而不涉及热量传递的具体方法、机理和速率。

图1-1钢棒-水换热过程温度变化曲线

试以灼热钢棒在水桶内冷却为例，其温度变化过程如图1-1所示，热力学可以算出钢棒与水这一体系最终的平衡温度Tp，但不能算出要用多少时间达到平衡状态或者达到平衡状态前某一时刻钢棒的温度是多少，而传热学就可算出钢棒和水的温度随时间变化的关系。

二.热量传递的普遍性

温差传热

温差普遍存在（自然界、日常生活中、工农业生产中），所以传热普遍存在。

三.传热学在工程技术上的应用

由于各种工程技术的应用条件无不与温度有关，控制温度的主要手段就是控制传热，所以传热学在动力、能源、冶金、化工、石油、建筑、气象、航空、制冷、电子等工程技术领域有着十分重要的地位。

其应用目的主要有三个方面：

（1）强化传热：

目的在于降低设备的体积、重量以及生产成本；

（2）削弱传热：

目的在于降低能源消耗，改善和保障生产环境；（3）控制温度变化速率：

目的在于实现热处理工艺，控制材料应变（如无变形焊接），保障设备安全（如设备的启动与停机过程控制）。

四.学科的历史与发展

热学（18～19世纪）传热学（20世纪）

求解方法：

实验求解（主流）

计算求解计算传热学（近年来发展很快）

1.2.2热量传递的基本方式

问题：

转移什么？

（热量的微观本质）

如何转移？

（热量的传递机理）

例子：

燃气热水器中的热量传递过程如图1-2所示，燃气通过辐射和对流方式将热量传给壁面左侧，通过导热传到壁面右侧，再通过对流传给水。

图1-2热水器中的热量传递

学习中要弄清下列概念的联系与区别：

温度：

物质分子平均运动动能的宏观量度。

（强度量）（热迁移势）一般用T表示绝对温度（热力学温度），单位为K，用t表示摄氏温度，单位为℃。

热能：

物质所具有的内动能。

（广延量）（物质的微观运动属性）

热量Q（J）：

系统与外界依靠温差传递的能量。

（过程量）

热流（量）（W）：

单位时间所传递的热量。

热流密度q（W/m2）：

通过单位横截面上的热流量。

一.热传导（导热）

1.定义：

物体各部分之间不发生相对位移，依靠微观粒子（分子、原子、自由电子等）的热运动产生的热量传递现象叫做热传导。

2.机理：

物质主要作用粒子

气体分子

导电固体自由电子

非导电固体原子、分子

晶格振动（弹性波）（声子）

液体（两种观点）类似气体

类似非导电固体（近年来倾向于此观点）

物质导热能力的大小主要取决于两个方面的因素：

物质的微观结构和作用粒子。

微观结构主要有：

晶体（单晶，多晶）；非晶体（无定型固体）；液体（有序性次于固体）；气体（有序性次于液体）。

作用粒子主要有：

分子；原子；电子；声子；光子；磁子等。

一般情况下，微观结构的有序性越好，作用粒子的种类和数量越多，导热能力越强。

纯粹的导热只存在于不透明的固体之中。

3.平壁导热公式（Fourier公式）（对于导热具有普遍意义的简单例子）：

单位时间通过平壁的热量与传热面积、传热温差成正比，与平壁厚度成反比。

（1882年法国物理学家Fourier提出）

（1-1）

图1-3通过平壁的导热

式中：

——传热量（热流量）（W）

（tw1-tw2）——平壁两侧温差（℃）

δ——壁厚（m）

A——面积（m2）

λ——导热系数（热导率）（W/m·K）

常温下部分物质导热系数（W/m·K）：

银：

427纯铜：

398纯铝：

236普通钢：

30~50水：

0.599

空气：

0.0259保温材料：

<0.14水垢：

1~3烟垢0.1~0.3

热流密度：

（1-2）

二.热对流

1.定义：

由于流体各部分之间发生相对位移而产生的热量传递现象叫做热对流。

热对流只发生在流体中，并伴随有导热现象。

根据对流形成的原因可分为：

自然对流——由于密度差引起的相对运动

强制（强迫）对流——由于机械作用（风机、泵等）或其它压差作用引起的相对运动。

2.对流换热（对流放热）（具有实用意义）

定义：

流体流过固体表面时，对流和导热的联合作用，使流体与固体壁面之间产生热量传递的过程叫做对流换热。

3.对流换热的基本计算公式（牛顿冷却公式1701年）

（1-3）

图1-4对流换热

式中：

Δt——流体与壁面传热温差（℃）

A——传热面积（m2）

h——表面传热（对流换热、放热、给热）系数（W/m2·K）

对流换热量与换热面积和传热温差成正比。

热流密度：

（1-4）

研究对流换热的任务（研究表面传热系数）：

h=f（流体物性、流动状态、换热面形状、……）

三.热辐射（如太阳辐射、炉火取暖）

1.定义：

辐射——物体通过电磁波传递能量的方式。

热辐射——由于热的原因，物体的内能转变成电磁波的能量而进行的辐射过程。

2.辐射换热（具有实用意义）

不直接接触的物体之间，由于各自辐射与吸收的综合结果所产生的热量传递现象。

特点：

（1）不直接接触

（2）伴随能量形式的转变发射时：

热能辐射能

吸收时：

辐射能热能

物体的辐射能力=f（绝对温度、表面特性）

绝对黑体（黑体）——同温度下辐射和吸收能力最强的物体

3.物体的辐射热流量公式

黑体辐射（斯蒂芬——玻尔兹曼定律）四次方定律

（1-5）

式中：

T——黑体绝对温度（K）

σ——黑体辐射常数5.67×10－8（W/m2·K4）

A——辐射表面积（m2）

实际物体辐射

（1-6）

物体的黑度（发射率）

计算表明：

几十摄氏度表面散热问题中，对流换热与辐射换热数量级相当。

1.2.3传热过程

（工程实际中的传热过程往往是几种方式联合作用的复合传热过程）

定义：

热量由固体壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程叫做传热过程。

传热过程中热量的迁移一般由三个串联环节组成：

热流体

壁面高温侧

壁面高温侧

壁面低温侧

.壁面低温侧

冷流体

各自的传热量方程：

联列消去tw1、tw2，整理得：

（1-7）

式中：

传热系数（k）：

表征传热过程强烈程度的标尺，数值上等于冷热流体温差1℃时，单位面积上的热流量（W/m2·K）。

（1-8）

分析：

（热电类比）

图1-5传热过程热阻分析

对比热阻大小，就可以找到强化传热的主要环节

1.2.4单位制

一.定义：

单位：

物理量的度量标尺

法定计量单位：

计量法所规定计量单位（国际单位制SI、工程单位制）。

基本单位：

基本物理量的单位（独立地选定）。

如：

时间S、长度m

导出单位：

由物理含义导出的以基本单位组成的单位。

如：

速度m/s

单位制：

基本单位与导出单位的总和

二.基本物理量及单位

长度m；质量kg；时间s；电流A；热力学温度K；物质的量mol；发光强度cd。

三.几个常用换算系数

1atm=101325Pa；1kgf=9.80665N；

1kcal=4.1868kJ；1kcal/h=1.163W。

1.3概念汇总

1.传热学：

研究热量传递规律的科学。

2.热量传递的基本方式：

导热、对流、辐射。

3.热传导（导热）：

物体的各部分之间不发生相对位移，依靠微观粒子的热运动产生的热量传递现象。

4.纯粹的导热只能发生在不透明的固体之中。

5.热流密度：

通过单位面积的热流量（W/m2）。

6.热对流：

由于流体各部分之间发生相对位移而产生的热量传递现象。

7.热对流只发生在流体之中，并伴随有导热现象。

8.自然对流：

由于流体密度差引起的相对运动。

9.强制对流：

由于机械作用或其它压差作用引起的相对运动。

10.对流换热：

流体流过固体壁面时，由于对流和导热的联合作用，使流体与固体壁面间产生热量传递的过程。

11.辐射：

物体通过电磁波传播能量的方式。

12.热辐射：

由于热的原因，物体的内能转变成电磁波的能量而进行的辐射过程。

13.辐射换热：

不直接接触的物体之间，由于各自辐射与吸收的综合结果所产生的热量传递现象。

14.传热过程：

热流体通过固体壁面将热量传给另一侧冷流体的过程。

15.传热系数：

表征传热过程强烈程度的标尺，数值上等于冷热流体温差1℃时所产生的热流密度（W/m2·K）。

16.

单位面积上的传热热阻：

17.

单位面积上的导热热阻：

18.

单位面积上的对流换热热阻：

19.对比串联热阻大小就可以找到强化传热的主要环节。

20.单位：

物理量的度量标尺。

21.基本单位：

基本物理量的单位。

22.导出单位：

由物理含义导出，以基本单位组成的单位。

23.单位制：

基本单位与导出单位的总和。

1.4思考题分析

1-1试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种传递方式之间的联系与区别。

答：

导热、对流换热及辐射换热是热量传递的三种方式，导热主要依靠微观粒子运动而传递热量，对流换热是流体与固体壁面之间的换热，依靠流体对流和导热的联合作用而产生热量传递，辐射换热是通过电磁波传播能量，是物体之间辐射和吸收的综合结果。

一个传热现象往往是几种传热方式同时作用。

1-2以热流密度表示的傅里叶公式、牛顿冷却公式及斯蒂芬—玻尔兹曼定律是应当熟记的传热学基本公式，试写出这三个公式并熟记各符号的物理意义。

Fourier：

Newton：

S——B：

1-3导热系数、表面传热系数及传热系数的单位是什么？

哪些是物性参数？

哪些与过程有关？

导热系数λ：

W/m·K物性参数

表面传热系数h：

W/m2·K与过程有关

传热系数k：

W/m2·K与过程有关

1-4当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷热流体之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”。

试分析引入传热方程式的工程使用意义。

答：

传热方程式

，式中Δt为冷热流体之间的温差，计算热流量时无须知道中间壁面温度，各环节对传热的影响反映在传热系数k中。

1-5用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍安然无恙。

但一旦壶内的水烧干后，水壶很快就被烧坏。

试从传热学的观点分析这一现象。

答：

壶内有水时，水对壶壁起冷却作用，不致烧坏壶壁，水干后，壶壁得不到充分冷却，使壁温接近火焰温度，水壶就会被烧坏。

1-6用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手会显著地感到热。

试分析其原因。

答：

杯中水由于被搅动而强化了与杯壁的传热，使杯壁温度接近水温，所以手会感到杯子变热。

1-7什么是串联热阻叠加原则，它在什么前提下成立？

以固体中的导热为例，试讨论有哪些情况可能使热量传递方向上不同截面的热流量不相等。

答：

在一个串联的热传递过程中，如果通过各环节的热流量都相等，则总热阻等于各环节热阻之和，这就是串联热阻叠加原则。

其前提是通过各环节的热流量必须相等。

当存在内热源或热汇时，就会使热量传递方向上不同截面的热流量不相等。

1-8一水平夹层内充满流体，试分析上下表面冷热状态颠倒时热量交换的方式有何不同？

如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种布置？

答：

热面在上，冷面在下时，夹层中流体不易对流，热量通过夹层时以导热为主，而冷面在上，热面在下时，热量通过夹层时以对流为主。

要测定夹层中流体的导热系数，应采用热面在上的布置形式。

1-9试分析用热电偶测量管道中气流（热透明气体）温度时，热电偶结点的换热方式。

答：

结点与气流间进行对流换热，与管壁有辐射换热，与电偶臂有导热。

1-10在工程传热学问题的分析中定性地估计换热壁面的温度工况是很有用的。

对于一个稳态的传热过程，试概括出通过热阻以估计壁面温度工况的简明法则。

答：

壁面与流体换热热阻越大，则壁面与流体的温差越大。

1.5典型习题分析

1-1一炉墙厚24cm，总面积为20m2，平均导热系数为1.04W/（m·K），内外壁温分别为750℃及50℃。

试计算通过炉墙的热损失。

如果所燃用的煤的发热值为2.09×104kJ/kg，问每天的热损失相当于烧掉多少千克煤?

解：

分析与思考：

1）由所给参数可知，这可能是一个用耐火材料砌制的小型燃煤热处理炉或热风炉，由于它对环境的污染较大，在城市不提倡使用，一般以燃油、燃气或电炉为多。

2）所计算的散热量只能说相当于250.8千克煤的热值，并非每天多消耗的煤量，这类炉子的热效率一般只有50%左右，你想由于散热多消耗的煤量大约是多少呢？

按每吨煤300元计算，每年要多花多少钱呢？

3）为了减少散热，应采取哪些措施？

1-2用热流计测得一厚为40mm木门的热流密度为15W/m2。

同时测得室内侧表面温度为25℃，室外侧表面温度为35℃。

试估算此木门在厚度方向上的导热系数。

解：

分析与思考：

这是傅里叶公式的反向应用，你能据此设计出一套测量固体导热系数的装置吗？

1-3一根电热管的加热功率为100W，管壁平均温度tw=150℃，空气温度tf=20℃，管子外径d=14mm，加热段长300mm。

如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热系数为多大?

解:

对流换热表面传热系数为：

=100/（3.14×0.014×0.3×（150-20））

=58.3W/m2·K

分析与思考：

1）这是牛顿冷却公式的反向应用。

2）如果全部热量只是通过对流换热传给空气，表面传热系数为58.3W/m2·K的对流换热应是自然对流还是强制对流？

3）本题中电热管表面温度已达150℃，上一假设可靠吗？

若不可靠，计算出的表面传热系数应是什么概念呢？

4）一般电热管表面的工作温度最高不能超过400℃，为什么？

1-4对置于水中的不锈钢管采用电加热的方法进行压力为1.013×105Pa的饱和水沸腾换热试验。

测得加热功率为50W，不锈钢管外径为4mm，加热段长10cm，表面平均温度为109℃。

试计算此时沸腾换热的表面传热系数。

解：

分析与思考：

题中所给饱和压力是间接给出水的沸腾温度，与上题计算结果对比可知，水沸腾换热的表面传热系数远大于空气对流的表面传热系数。

1-5一航天器在太空中飞行，其外表面平均温度为250K，表面发射率为0.4，试计算航天器单位表面上的换热量。

（宇宙空间可近似地看成为0K的真空空间。

）

解：

分析与思考：

为减少航天器的能源消耗，其表面应采用发射率较低的材料。

1-6有一水冷器，空气侧表面传热系数h1=45W/m2·K，传热壁面厚=1.5mm，=387W/m·K，水侧表面传热系数h2=5000W/m2·K。

设传热壁可以看着平壁，试计算各个环节单位面积的热阻及从油到水的总传热系数。

你能否指出，为了强化这一传热过程应首先从哪个环节着手?

解：

各环节单位面积的热阻：

r1=1/h1

=1/45=2222×10-5m2·K/W

r2=/

=0.0015/387=0.388×10-5m2·K/W

r3=1/h2

=1/5000=20×10-5m2·K/W

总传热系数：

r1是主要热阻，要强化这一传热过程应从强化空气侧换热着手。

分析与思考：

水冷器是工程中常见的换热器，如汽车水箱，为强化换热，在空气侧安装翅片。

1-7有一台冷水机组的蒸发器，传热面积为15m2，制冷剂的蒸发温度为0℃，冷冻水的进口温度为13℃，出口温度为9℃，蒸发器中的传热量为100kW，试计算总传热系数。

解：

分析与思考：

冷水机组是制取冷水的机器，常用于空调系统或工艺冷却系统。

本题中冷冻水温度用进出口温度的算术平均值表示是不准确的，将在传热过程与换热器一章中做进一步阐述。

1-8火车玻璃窗的尺寸为100×80cm，厚为5mm。

冬天车内外温度分别为20℃及-20℃，内表面的自然对流换热表面传热系数为10W/（m2.K），外表面的强制对流换热表面传热系数为50W/（m2.K），玻璃的导热系数=0.78W/（m.K）。

试确定通过玻璃窗的热损失。

解：

通过玻璃窗的热损失：

分析与思考：

这里要注意车内外温度与玻璃内外表面温度的区别。

计算结果告诉我们，单层玻璃窗的散热量是很大的，所以车窗一般用多层玻璃结构。

1-9对于水在大容器内的饱和沸腾试验，有人得出了下列经验公式：

式中各量的单位为：

试将此式改用工程单位制写出。

解：

用下列单位换算关系：

1kg/cm2=98066.5N/m2

1kcal/h=1.163W

代入原公式可得：

改写后公式中各单位为：

P—kg/cm2;q—kcal/（m2·h）

分析与思考：

单位换算是计算和工程设计中经常会遇到的，所以应牢记相关换算常数。