传热学基本知识课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,2,传热学基本知识,2.1,稳定传热的基本概念,2.2,对流换热,2.3,辐射换热的基本概念,2.4,传热,2.1,稳定传热的基本概念,?,温度,?,宏观定义：表示物体冷热程度的物理量。,?,微观定义：表示物体内部大量粒子热运动的剧烈程度，反,映了物体内粒子热运动平均动能的大小。,?,温标：温度的标尺,?,绝对温标：国际单位制规定热力学温度温标，符号为,T,，,单位为,K,（开尔文），中文代号为开。热力学温标规定纯水,三相点温度（即水的汽、液、固三相平衡共存时的温度）,为基本定点，并指定为,273.16K,。,?,摄氏温标：实用温标，又称百分温标。它是把在标准大,气压下，纯水开始结冰的温度（冰点）定为零度，把纯水,?,沸腾时的温度（沸点）定为,100,度，将,0,与,100,之间的尺面分,为,100,等份，每一等份就是,1,度。用符号,t,表示，单位为摄氏,度，代号为。,?,两者关系：,1,=1K,且,T=t+273.16,t+273 K,2.1.1,温度场,?,导热与物体内的温度场密切相关。温度场是某一时,刻空间中各点温度分布的总称。一般来说，温度场,是空间坐标和时间的函数，即,t,?,f,?,x,y,z,?,?,?,上式表示物体内部温度在,x,、,y,、,z,三个方向和在时,间上均发生变化的三维非稳态温度场。如果温度场,不随时间变化，则上式变为,?,t,?,f,?,x,y,z,?,?,如果在上式的基础上温度场内的温度变化仅,与两个或一个坐标有关，则称为二维或一维,稳态温度场，即,?,t,?,f,?,x,y,?,或,t,?,f,?,y,z,?,或,t,?,f,x,z,?,t,?,f,?,x,?,或,t,?,f,?,y,?,或,t,?,f,?,z,?,?,可以看出在直角坐标中将温度场分为不随时,间变化的和随时间变化的两种，即稳态温度,场和非稳态温度场。,?,?,2.1.2,等温面与等温线,?,等温面是同一时刻在温度场中所有温度相同的点连,接构成的面。,?,不同的等温面与同一平面相交所得到的一簇曲线为,等温线。,?,同时刻两个不同等温线不会彼此相交。同时刻两个,不同等温线不会彼此相交。,?,2.1.3,温度梯度,?,热传递的基本条件,：在温差的作用下，才有热量传递，而,在等温面（线）上不可能有热量传递，所以热量传递只能,发生在不同的等温线之间。,?,温度梯度：两个等温线之间的变化以垂直于法线方向上温,度的变化率最大，这一温度最大变化率为温度梯度，用表,示。即,?,t,?,t,grad,t,?,n,lim,?,n,?,0,?,温度梯度在直角坐标系中可表示为,?,n,?,n,?,n,?,温度梯度的负值称为温度降度。,?,t,?,t,?,t,grad,t,?,i,?,j,?,k,?,x,?,y,?,z,例题,2.1,在稳态情况下，有一厚度为,50mm,的平壁，其材料的导,热系数为定值，平壁两侧的温度为400和600。如图,2.2,所,示的温度梯度是多少？,?,解,由于在稳态情况下，再根据给出的条件。,?,情况,(a),的温度梯度为,?,?,t,600,?,400,?,?,4000,/,m,?,x,0,.,5,?,情况,(b),的温度梯度为,?,t,600,?,400,?,?,?,?,4000,/,m,?,x,0,.,5,2.1.4,导热定律,?,单位时间内通过单位给定截面的导热量，称为热流量，记,作,q,，单位是,W/m,2,。,?,傅里叶定律：,q,?,?,?,grad,t,?,表明热流量是一个向量,(,热流向量,),，它与温度梯度位于等,温面同一法线上，但指向温度降低的方向，式中的负号表,示热流量和温度梯度的方向相反，永远顺着温度降低的方,向。,2.1.5,导热系数,2.1.5.1,导热系数的定义,?,?,?,q,grad,t,?,导热系数在数值上等于温度降度为1/m时单位时间内单位,导热面积的导热量，单位是w/(m)。导热系数是材料固,有的热物理性质，其数值表示物质带热能力的大小。,?,表,2.1,列出了0时物质的导热系数。,2.1.5.2,导热系数的影响因素,(1),温度,?,许多工程材料，在一定温度范围内，导热系数可以认为是温度的,线性函数，它们的关系可以用下式表达,(2),密度,?,?,?,0,1,?,bt,?,习惯上把导热系数小于0.2W/(m)的材料定义为保温隔热材料。,如岩棉、矿渣棉、玻璃棉、微孔硅酸钙、膨胀珍珠岩、泡沫塑料,和发泡石棉等。,?,结论：密度越小，这些材料中所含的导热系数小的介质越多，材,料的导热系数越小。,?,?,(3),湿度,?,保温隔热性的多孔材料很容易吸收水分，吸水后，由于孔隙中充,满了水，水导热系数大于空气导热系数，加之在温度梯度的推动,下引起水分迁移而传递热量。,?,结论：物质湿度越大，它的导热系数较大；反之，导热系数较小,。,所以，在寒冷地区保温隔热时要特别注意防潮。,?,传热的基本方式,：,传热存在的条件：有温度差存在。（热量的转移总是由高,温物体向低温物体传送。,热量传递的三种方式：导热、热对流、热辐射。,a.,导热：温度不同的物体直接接触，温度较高的物体把热能,传给温度较低的物体，或在同一物体内部，热能从温度较,高的部分传给温度较低的部分的传热现象。,?,导热的特点：在传热过程中没有物质的迁移。,?,导热存在条件：单纯导热只发生在密实的固体中。,?,?,?,导热的计算,:,或,2,Q,?,?,t,1,?,t,2,?,FW,q,?,?,t,1,?,t,2,?,W,m,?,?,?,b.,热对流：依靠流体的运动，热量由一处传递到另一处的,现象。,?,对流换热：流体与固体壁间的换热，它是热对流与导热的,综合作用，所以，它已不再是基本的传热方式。,?,热对流的特点：传热过程中，流体质点发生了相对位移。,C.,热辐射及其特点在第三节介绍。,?,稳态传热的基本概念：,a.,稳态传热：温差保持定值，不随时间变化。,b.,非稳态传热：温差不能保持定值，温差随时间发生变化。,c.,根据热传递的方向性，传热可分为：一维传热、二维传热、,三维传热。,2.2,对流换热,2.2.1,对流换热过程的特点,?,对流换热是一种复杂的热交换过程，它已不是导热的基本方,式，这种过程既包括流体分子之间的导热作用，同时也包括,流体位移所产生的对流作用。,?,对流时热量转移，则是依靠流体产生的位移。,?,一切支配流体导热和热对流作用的因素诸如流动起因、流,动状态、流体的种类和物性、壁面几何参数等因素都会影响,对流换热。,2.2.2,影响对流换热的因素,(1),流动的起因,?,一种是自然对流，即由于流体各部分温度不同所引起的密度,差异产生的流动；,?,一种是受迫运动，即受外力影响，例如受风力、风机、水泵的作,用所发生的流体运动。,?,在一般情况下，流体发生受迫对流时，也会发生自然对流。,(2),流体流动状态,?,层流：流动速度较小时，流体各部分均沿流道壁面做平行运动，,互不干扰，这种流动称为层流。（导热）,?,紊流：当流动速度较大时，流体各部分的运动呈不规则的混乱状,态，并有旋涡产生，这种流动称为紊流。（导热、对流换热）,(3),流体的物理性质,?,影响换热过程的物理参数有：导热系数、热容,C,、密度、动,力粘度等。,(4),换热表面的几何尺寸、形状与大小,?,壁面的几何因素影响流体在壁面上的流态、速度分布、温度,分布。,2.2.3,表面换热系数,?,一般情况下，计算流体和固体壁面问的对流换热量,q,是以牛顿,公式,(,牛顿,1701,年提出,),为基础，其公式如下,q,?,?,?,t,w,?,t,f,?,?,表面传热系数将是众多因素的函数，即,?,?,f,?,?,C,?,?,?,t,w,t,f,l,?,?,2.3,辐射换热的基本概念,?,2.3.1,基本概念,?,辐射（宏观定义,),：,是波或大量微观粒子从发射体,向四周传播的过程。,?,辐射（微观定义,),：,电磁波理论解释说，物质是由,分子、原子、电子等基本粒子组成的，当原子内部,的电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，,发出电磁波向空间传播，这就是辐射。,?,2.3.1.2,热射线,?,波长,?,?,0,.,1,100,?,m,之间的电磁波称为热射线，它,们投射到物体上能产生热效应。热射线包括部分紫,外线、可见光和红外线。,?,紫外线连同伦琴射线、射线，是波长,?,?,0,.,38,?,m,范围的电磁波；,?,可见光是波长,?,?,?,0,.,38,0,.,76,?,?,m,范围的电磁波；,?,?,m,范围的电磁波。,?,红外线是,?,?,?,0,.,76,1000,?,2.3.1.3,热辐射,?,热辐射是物体因自身具有温度而向外发射能量的现象。,或者说，如果是由于自身温度或热运动的原因而激发,产生的电磁波传播，就称为热辐射。,2.3.1.4,辐射换热的特点,?,第一，辐射换热不依靠物质的接触就可以进行热量传递，,这是因为电磁波可以在真空中进行；,?,第二，辐射换热伴随着能量形式的转化，,?,物体内能,电磁波,物体内能,；,?,第三，物体间的辐射换热无时无刻不在进行，只要物体温,度大于,0K,，就会有热辐射发生。,2.3.1.5,辐射强度,?,辐射强度是指物体表面朝向某给定方向，对垂直于该方向,的单位面积，在单位时间、单位立体角内所发射的全波长,总能量，用符号,I,表示，单位为,W,(m,2,sr),。,?,sr,为球面度，是立体角的单位。所谓立体角又称球,面角或空间角，是指在以，,r,为半径的球面上，某,割切的面积,F,所对应的球心角度，用符号表示，,单位为,sr,。立体角大小用下式计算,F,?,?,2,r,2.3.1.6,单色辐射强度,?,若辐射强度仅指某波长,?,下波长间隔,d,?,范围内所发射的能量，,即称单色辐射强度。用符号表示，单位为,。,2,W,/,m,?,?,m,?,sr,2.3.1.7,辐射力,?,辐射力是指发射物体每单位表面积在单位时间内向半球空间所发,射的全波长能量，用符号,E,表示，单位为,。,2,2.3.1.8,单色辐射力,W,/,m,?,单色辐射力是指在某波长,下,波长间隔,范围内所发射的能量，,?,用符号表示，单位为,。,d,?,?,?,?,?,W,/,m,?,?,m,?,2,?,2.3.1.9,定向辐射力,?,定向辐射力指在某方向上单位立体角内所发射的能量，用,符号,E,0,表示，单位为,W,/,m,2,?,sr,。,2.3.1.10,吸收、反射和透射,?,假设投射到物体上的总能量为,G,，被吸收,G,?,、反射,G,?,，,透射,G,?,，根据能量守恒原理：,G,?,?,G,?,?,G,?,?,G,?,?,?,?,?,?,?,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,?,?,?,?,1,?,?,?,?,1,2.3.1.11,黑体、白体和透明体,?,如果物体能完全吸收外来的投射能量，即,?,?,1,，这样的物体,称为绝对黑体，简称黑体。,?,如果物体能完全反射外来的投射能量即,?,?,1,，这样的物体,称为绝对白体，简称白体。,?,如果物体能完全透射外来的投射能量，即,?,?,1,，这样的物体,称为透明体，或称透热体。,2.3.2,热辐射的基本定律,?,热辐射的基本定律主要有普朗克定律、维恩,(,位移,),定律、斯蒂芬,玻耳兹曼定律和基尔霍夫定律。,2.3.2.1,普朗克定律,?,普朗克定律表达了黑体单色辐射力与波长、热力学温度之间的函数,关系，这种函数关系可以表示为,E,b,?,?,c,1,c,2,?,?,5,?,T,?,?,?,e,?,1,?,?,?,?,?,2.3.2.2,维恩（位移）定律,?,维恩（位移）定律表达了这种波长极值与热力学温度之间的函数关,系：,?,?,T,?,2897,.,6,?,m,?,K,max,2.3.2.3,斯蒂芬,-,玻尔兹曼定律,斯蒂芬,-,玻尔兹曼定律表达了黑体辐射力和绝对温度之间的关,4,系：,E,b,?,?,b,T,?,b,黑体辐射常数，,?,b,?,5,.,67,?,10,W,?,m,?,K,8,2,4,?,?,T,?,E,b,?,C,b,?,?,?,100,?,4,C,b,黑体辐射系数，,C,b,?,5,.,67,W,m,?,K,?,2,4,?,?,2.3.2.4,基尔霍夫定律,?,基尔霍夫定律表达了实际物体的辐射能力和吸收能力之间的关,系：,E,?,?,E,b,?,根据发射率的定义，基尔霍夫还有以下形式,:,?,（适用于漫,-,灰表面）,?,2.3.3,辐射隔热,?,推论：当加入,n,块与板面发射率相同的遮热板后，两平行平板间,1,的辐射换热量将减少到原来的,。,n,?,1,?,?,?,2.4,传热,2,4,1,通过平壁及圆筒壁的传热,2.4.1.1,通过平壁的传热,?,传热：这种热流体通过固体壁将热量传给冷流体的过程叫传热。,?,设有一单层平壁如图,2,23,所示，在稳定状态,?,下，热流体将热量传给壁面，通过平壁的导热传,?,到另一侧壁面，然后由另一侧壁面传给冷流,?,体。忽略热量损失，有,Q,?,?,1,F,?,t,f,1,?,t,w,1,?,?,Q,?,F,?,t,w,1,?,t,w,2,?,?,Q,?,?,2,F,?,t,w,2,?,t,f,2,?,?,将上面公式整理得,Q,?,1,?,1,?,?,?,1,?,?,2,1,F,?,t,f,1,?,t,f,2,?,令,K,?,1,?,1,?,?,?,1,?,?,2,1,称为传热系数，单位,是,W,m,?,为,?,2,Q,?,K,F,?,t,f,1,?,t,f,2,?,?,，所以通过单层平壁的传热量可以表示,W,?,我们把单位面积平壁的传热量称为热流通量，于是根据上式，热,流通量可以表示为,1,?,因为传热系数的倒数是热阻,R,，即,R,?,K,?,多层平壁的热流通量为：,Q,q,?,?,K,F,?,t,f,1,?,t,f,2,?,F,W,m,2,q,?,t,f,1,?,t,f,2,?,i,1,?,?,?,?,1,i,?,1,?,i,?,2,1,n,W,m,2,?,例题,2.6P34,2.4.2,传热的增强和削弱,2.4.2.1,增强传热的基本途径,?,由传热的基本公式可以看出，传热与传热系数、传热面积、传,热温差有关系，因此增强传热的基本途径有：提高传热系数、,增大传热面积、加大传热温差、增加传质。,(1),提高传热系数,(2),增大传热面积,(3),增大传热温差,(4),增加传质,2.4.2.2,增强传热的方法,(1),改变流体的流动情况,(2),改变流体的物性,(3),改变换热表面情况,2.4.2.3,削弱传热的方法,(1),热绝缘,?,真空热绝缘,?,多层热绝缘,?,粉末热绝缘,?,泡沫热绝缘,(2),改变表面状况,