传热学第一章

  本文关键词：传热学，由笔耕文化传播整理发布。

传热学
Heat Transfer
刘存良 2014-2015学年第二学期

动力与能源学院

1

传热学
刘存良副教授：
Tel：18710766751, 18691637975 E-mail：50565384@qq.com

讨论组群？
教学进度：3～13周 （44学时，含4学时实验） 考核方式： ? 平时成绩 10％ （包括出勤、作业及实验） ? 教改项目成绩 30％ （小论文、答辩） ? 考试成绩 60％

动力与能源学院

2

传热学
教材及参考书
? 杨世铭、陶文铨，传热学 （第四版），高等教育出版社，2006 . ? Adrian Bejan, Allan D. Kraus, Heat Transfer Handbook, John Wiley & Sons, 2003. ? John. H. Lienhard, A Heat Transfer Textbook. Phlogiston press, 2005. ? W. M. Kays, M. E. Crawford, B. Weigand （著）, 赵镇南（译）, 对 流传热与传质（第四版，中文版），高等教育出版社，2005. ? 赵镇南，传热学，，高等教育出版社，2002 . ? 朱谷君，工程传热传质学，航空工业出版社，1989. ? 陶文铨，数值传热学，西安交通大学出版社，2001.

动力与能源学院

3

传热学

第一章 绪论
§1.1 传热学的研究内容及其应用 §1.2 热能传递的三种基本方式 §1.3 传热过程和传热系数

§1.4 传热学的发展简史和研究方法

动力与能源学院

4

传热学

第一章 绪论
§1.1 传热学的研究内容及其应用
§1.2 热能传递的三种基本方式 §1.3 传热过程和传热系数

§1.4 传热学的发展简史和研究方法

动力与能源学院

5

§1.1 传热学的研究内容及其应用
1.1.1 传热学研究内容：
热力学第二定律指出，凡是有温差存在的地方，就有热能自发地从高温物体
向低温物体传递（传递过程中的热能常称为热量）。 自然界和各种生产技术领域中到处存在着温差，因此热能的传递就成为自然 界和生产技术领域中一种极为普遍的物理现象。

传热学：研究由温差引起的热能传递规律及其机理的科学。
Heat transfer is the thermal energy in transit due to a spatial temperature difference.

热能传递规律，主要是指单位时间内所传递的热量（热能的多少）与物体中
相应的温度差之间的关系。第一层次的关系式称为热量传递的速率方程；更 深层次的研究是要找出不同条件下物体中各点的温度分布。

动力与能源学院

6

§1.1 传热学的研究内容及其应用
为什么要学习传热学？
凡是存在温差的地方，就存在热量的传递，均属于传热学研究范畴。
日常生活： A. 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20℃，那么在冬天与夏天、人

在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？
B. 夏天人在同样温度（如：25 ℃ ）的空气和水中的感觉不一样。为什么？ C. 将一碗热稀饭置于一盆冷水中冷却，为了使稀饭冷的快些，应该搅拌碗中的稀饭还是盆 中的水？

D.

室内暖气片为何在空气侧加肋片？
工业技术研究领域： 传热学是能源、动力、机械、化工、电子、土木等行业的主要技术基础课程。

航天飞行器重返大气层、航空发动机涡轮叶片的冷却、重型发电机组、制冷空调设备、电
子芯片冷却、燃料电池 … … 热量如何有效传递？

动力与能源学院

7

§1.1 传热学的研究内容及其应用
1.1.2 传热学与工程热力学的关系：
联系：传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即热量始终从高温热源向
低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则热量始终是守恒的。

区别：工程热力学研究处于平衡状态的系统，主要物理量不包含时间；
传热学研究有温差时的热量传递规律，主要物理量以时间做分母。 热科学 Thermal Science

＝

传热学 Heat Transfer

﹢

工程热力学 Thermodynamics

铁块, M1 300oC

水，M2 20oC

关心需要多长时 间才能达到平衡 状态，即热传播 的速率；达到平 衡状态前某一时 刻钢棒的温度。

?

系统从一个平衡态到另 一个平衡态的过程中传 递热能的多少，以及系 统最终的平衡温度。

?

动力与能源学院

8

§1.1 传热学的研究内容及其应用
1.1.3 传热学研究中的连续介质假设：
假定研究对象的几何尺度远大于分子平均自由行程（一个大气压、室温下的空气分 子的平均自由程约为0.07 μm ），研究对象的温度、密度、速度和压力等物理参数 为空间坐标的连续函数。常规尺度的物体均满足连续介质假设。 不满足连续介质假设：微米级别尺度（MEMS, 1μm～1mm），高空稀薄气体等。 热对流研究中的最小单元为流体微团：宏观无限小、微观无限大，热力学平衡体。

稳态（定常）与非稳态（非定常）传热：
基于温度与时间的依变关系。 稳态（定常） 非稳态（非定常）

t ? f ( x, y, z)
t ? f ( x, y, z,? )
动力与能源学院
9

§1.1 传热学的研究内容及其应用
1.1.4 传热学在科学技术各个领域中的应用：
可归纳为三种类型的问题：
（1）强化传热：在一定条件下增加所传递的热量。

例如：室内暖气片的散热，电器设备，电子元件的散热等。
（2）削弱传热：在一定温差下使热量传递减到最小。

例如：建筑物的隔热保温，暖水瓶的保温等。
（3）温度控制：保证设备安全经济运行等。

例如：工件加热、冷却、熔化、凝固过程中温度场的控制等。

暖气片散热

散热风扇 纳米玻璃隔热涂料

暖水瓶保温

返回舱防热外壳

动力与能源学院

10

§1.1 传热学的研究内容及其应用
1.1.4 传热学在科学技术各个领域中的应用：
（1）能源与动力：

（2）石油化工：

换热设备占化工厂设备投 资的40%左右

动力与能源学院

11



§1.1 传热学的研究内容及其应用
1.1.4 传热学在科学技术各个领域中的应用：
（3）制冷空调：

（4）电子：

空气 冷却 流动 换热 示意 图 主板 CPU芯片

动力与能源学院

12

§1.1 传热学的研究内容及其应用
1.1.4 传热学在科学技术各个领域中的应用：
（5）生物医学：

温度分布

制药厂

（6）军事：

动力与能源学院

13

§1.1 传热学的研究内容及其应用
1.1.4 传热学在科学技术各个领域中的应用：
（7）节能环保：

建筑物室外环境

（8）航空航天：

动力与能源学院

14

§1.1 传热学的研究内容及其应用
1.1.4 传热学在科学技术各个领域中的应用：

? 燃烧室出口的燃气温度是决定发动机性能的主要参数之一； ? 第四代机燃烧室出口温度：1850-1950K。
高温引起的问题： ? 燃烧室的热负荷增大； ? 涡轮部件（导向器）被高速、高温燃气冲刷； ? 涡轮部件（转子叶片）以承受的机械负荷和热负荷增大； ? 涡轮盘冷却问题变的更为突出。 动力与能源学院

15

§1.1 传热学的研究内容及其应用
1.1.4 传热学在科学技术各个领域中的应用：

动力与能源学院

16

传热学

第一章 绪论
§1.1 传热学的研究内容及其应用

§1.2 热能传递的三种基本方式
§1.3 传热过程和传热系数

§1.4 传热学的发展简史和研究方法

动力与能源学院

17

§1.2 热能传递的三种基本方式

热量传递的三种基本方式：

? 热传导（conduction） ? 热对流（convection） ? 热辐射（radiation）

加热炉炉墙的导热

暖气片周围气体的对流

太阳辐射

动力与能源学院

18

§1.2 热能传递的三种基本方式
1.2.1 热传导（导热，conduction）：
物体各部分不发生宏观相对位移，依靠微观粒子（分子、原子、电子等）的无规

则热运动相互碰撞而产生的热量传递。 导热是物质的固有属性。
气体 微观导热机理 固体 液体 说明 ? 无论固体，液体和气体，只要有温度差，在接触时就会发生导热现象。 ? 单纯的导热，只能发生在密实的固体中。 气体分子无规则的热运动 导电固体：自由电子的运动 非导电固体：晶格振动 兼有气体和固体导热的机理

动力与能源学院

19

§1.2 热能传递的三种基本方式
导热基本定律（傅立叶定律）：
一维稳态导热

Heat transfer rate

Φ ? ??A

dt dx

Heat flux

Φ dt q ? ? ?? A dx
Joseph Fourier (1768-1830)

?：热流量，单位时间传递的热量 [W]； A：垂直于导热方向的截面积[m2]； λ：导热系数（热导率）[W/(m· K)]。

q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量 [W/m2]；

动力与能源学院

20

§1.2 热能传递的三种基本方式
导热基本定律（傅立叶定律）：
t

一维稳态导热

Heat transfer rate

dt Φ ? ??A dx
Φ dt q ? ? ?? A dx

t

w1

t (x)

t w2 0

Φ
δ x

Heat flux

大平壁的稳态导热
20℃时，
纯铜 λ＝399 [W/(m· K)] 碳钢 λ＝35～40 [W/(m· K)] 水 λ＝0.599 [W/(m· K)]

负号：表示热量传递的方向与温度梯度方向相反。

导热系数?： 表征材料导热能力的大小， 是一种物性参数，与材料种类和温度有关。

?金属 ? ?非金属固体 ? ?液体 ? ?气体

空气 λ＝0.0259 [W/(m· K)]

动力与能源学院

21

上节课内容回顾

1. 传热学：研究由温差引起的热能传递规律及其机理的科学。 2. 传热学与工程热力学的关系；连续介质假设。

3. 传热学的应用；三类传热问题。
4. 热传导：特点；机理；导热热量传递的速率方程。

动力与能源学院

22

§1.2 热能传递的三种基本方式
1.2.2 热对流（对流，heat convection）：
对流：由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体 相互掺混所引起的热量传递过程。 注意：对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随有导热现象。 对流换热(convective heat transfer)：流体流过固体壁面时，由于流体与壁 面间温差而引起的热量传递。

动力与能源学院

23

§1.2 热能传递的三种基本方式
对流换热的基本计算公式（牛顿冷却公式）：

?? Ah?t q ? h?t
式中：
?t — 壁面及流体间的总温差。

A — 换热表面积。 h — 对流换热的表面传热系数 （convective heat transfer coefficient） h：表面传热系数 [W/m2· K]，不是物性参数，其大小不仅取决于物体的物性、还
与流动成因、流动形态、换热表面形状和布置、流体有无相变等因素有关。 研究对流换热的基本任务在于确定各种情况下的表面传热系数。

动力与能源学院

24

§1.2 热能传递的三种基本方式
对流换热的分类：
无相变：自然对流换热，强迫对流换热

室内暖气片周围气体的自然对流

地面热气体的上升

汽车发动机冷却

有相变：沸腾对流换热，凝结对流换热

加热热水沸腾

冷凝器内过热蒸汽的冷凝

动力与能源学院

25

§1.2 热能传递的三种基本方式
对流换热的分类： 传热过程 自然对流 强迫对流 介质种类 空气 水 气体 高压水蒸气 水 水的相变换热 沸腾 蒸汽凝结
说明

表面传热系数 h [ W/m2K ] 1-10 200-1000 20-100 500-35000 1000-1500 2500-35000 5000-25000

? 就介质而言，水的对流传热比空气强烈；

? 就对流传热方式而言， ? 有相变的传热比无相变传热强烈， ? 强迫对流比自然对流强烈。

动力与能源学院

26

§1.2 热能传递的三种基本方式
1.2.3 热辐射（Thermal radiation）：
热辐射的有关概念：
受热，电子碰撞，光照，化学反应等。

辐射：指物体受到某种因素的激发而向

外发出电磁波来传递能量的方式称为辐射。 热辐射：物体由于受热向外发射辐射能的现象。

辐射传热的特点：

辐射传热(radiative heat transfer)：物体间以辐射方式进行的包含辐射与吸收过程综 综合结果的热量传递过程。 T1 q1
,net

? 温度高于0K的物体均具备热辐射的能力；

q2

,net

? 无需介质，可在真空传递；
? 伴随热能和辐射能的能量形式转换； ? 具有强烈的方向性； ? 辐射换热过程是一种动态的平衡过程。

T2

动力与能源学院

27

§1.2 热能传递的三种基本方式
热辐射的基本计算公式：
（1）黑体辐射的斯忒藩 - 波耳兹曼定律（1-7）：

? ? A? T 4
? 式中:

? 黑体辐射常数，? ? 5.67 ?10?8 W/(m2 ? K4 ) 。
? ? ? A? T 4

（2）实际物体辐射热流量（1-8）：

? 式中:

? – 物体的发射率（黑度）。

上两式中的Φ是物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射传热量。计算辐射传热 量还需考虑吸收过程，算收支总账。这将在第九章详细讨论。 例如小物体与大空间表面间的辐射换热量：

? ? ?1 A1? ( T1 ? T24 )
4

A1

A2

? 式中:

?1 , A1 , T1

– 小物体的发射率，表面积和表面温度。

动力与能源学院

28

§1.2 热能传递的三种基本方式
热量传递三种基本方式的类比：
Water is analogous to heat, and people is analogous to the heat transfer medium (atoms, molecules or electrons)

Lienhard, 2005

动力与能源学院

29

§1.2 热能传递的三种基本方式
实际热量传递过程： 常常表现为三种基本方式的相互串联/并联作用。 ? 暖气片的散热过程：

热 水

对流换热

内 壁

导热

外 壁

对流换热 辐射换热

周围环 境

? 蒸汽动力装置中冷凝器的放热过程： 蒸 汽 凝结换热 管子 外壁 导热 管子 内壁 对流换热 冷却 水

动力与能源学院

30

传热学

第一章 绪论
§1.1 传热学的研究内容及其应用

§1.2 热能传递的三种基本方式

§1.3 传热过程和传热系数
§1.4 传热学的发展简史和研究方法

动力与能源学院

31

§1.3 传热过程与传热系数
? 传热过程（overall heat transfer process）
热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递到另一侧流体中的过程。
t

A

λ

λ
t f2 h2 Φ

tw1 tw2

t f1 h1 δ

ф r1 r r2 dr r

? 传热过程的三个环节：
? 热量以对流换热的方式从高温流体传给高温壁面，有时还有辐射换热； ? 热量以导热方式由高温流体壁面传给低温流体壁面； ? 热量以对流换热方式从低温流体壁面传给低温流体，有时还有与周围 环境的辐射换热。 动力与能源学院 32

§1.3 传热过程与传热系数
1.3.1 传热方程式：
考察 冷热流体通过大平壁的热量传递过程

已知：一块大平壁，导热系数?=常数，

厚度?； 平壁左侧流体温度 tf1， 表面传热系数 h1； 平壁右侧流体温度 tf2 ，表面传热系数 h2, 且tf1 > tf2； 设平壁两侧流体温度和表面传热系数不随时间变化。 分析
t f1 t λ h2 Φ 0 δ t w2 t f2 x

（1）传热过程的组成； （2）通过平壁传递的热量。

t w1 h1

动力与能源学院

33

§1.3 传热过程与传热系数
? 从热流体到高温壁面侧的热量传递：

t f 1 ?tw1 ?? Ah 1 (t f 1 ?tw1 )? 1 Ah 1
? 从高温壁面侧到低温壁面侧的热量传递：

t f1

t λ h2 Φ 0 δ t w2 t f2 x

t w1 h1

tw1 ?tw 2 tw1 ?tw 2 ?? A? ?

?

? A?

? 从低温壁面侧到冷流体的热量传递：

一维稳态导热

tw 2 ?t f 2 ?? Ah 2 (tw 2 ?t f 2 )? 1 Ah 2
动力与能源学院
34

§1.3 传热过程与传热系数
稳态传热过程：

A(t f 1 ?t f 2 ) Φ? ? 1 ? 1 1 ? 1 ? ? ? ? Ah 1 A? Ah 2 h 1 ? h2
或传热方程式：

t f 1 ?t f 2

t f1

t λ h2 Φ 0 δ t w2 t f2 x

t w1 h1

Φ? A k (t f 1 ?t f 2 )
传热系数（overall heat transfer coefficient） ：

1 ? 1 k ? 1/ ( ? ? ) W/(m2 ? K) h1 ? h2

一维稳态导热

说明

传热系数是表征传热过程强烈程度的标尺。
动力与能源学院
35

§1.3 传热过程与传热系数
1.3.2 传热热阻（overall thermal resistance）：
t λ h2 Φ 0 δ t w2 t f2 x

t f 1 ?t f 2 Φ? ? 1 ? 1 1 ? ? Ah 1 A? Ah 2 Ak
传热热阻：

t f 1 ?t f 2

U1 ?U 2 I? R

t f1

t w1 h1

Rk ? 1/ ( Ak ) ? Rh1 ? R? ? Rh 2
模拟热路：
Φ

对流传热热阻:

Rh ? 1 /( Ah) 导热热阻: R? ? ? / ( A? ) 面积热阻: ? / ? , 1/ h

注意：

t f1

Rh1

tw1

Rλ

t w2

Rh2

t f2 1、热阻分析只适于一维情况；
2、稳态传热，无内热源。

动力与能源学院

36

传热学

第一章 绪论
§1.1 传热学的研究内容及其应用

§1.2 热能传递的三种基本方式
§1.3 传热过程和传热系数

§1.4 传热学的发展简史和研究方法

动力与能源学院

37

§1.4 传热学的发展简史和研究方法
1.4.1 发展简史：
传热学是在18世纪30年代英国工业革命促进生产力发展的大背景下成 长起来的。导热和对流两种基本热量传递方式早为人们所认识，但辐射作 为一种热量传递方式直到1803年发现红外线以后才被确认。

导热（Heat conduction）
? 钻炮筒大量发热的实验（B.T.Rumford, 1798年） ? 两块冰摩擦生热化为水的实验（H.Davy, 1799年） ? 导热热量和温差及壁厚的关系（J.B.Biot, 1804年） ? Fourier 导热定律 (J.B.J.Fourier, 热的解析理论, 1822年）

动力与能源学院

38

§1.4 传热学的发展简史和研究方法

对流换热 （Convective heat transfer）
? 不可压缩流动方程 （C-L.Navier, 1823年) ? 流体流动Navier-Stokes基本方程 (G.G.Stokes, 1845年） ? 雷诺数(O.Reynolds, 1880年） ? 自然对流的

理论解（L.Lorentz, 1881年） ? 管内换热的理论解（L.Graetz, 1885年；W.Nusselt, 1910年） ? 凝结换热理论解 （W.Nusselt, 1916年）

动力与能源学院

39

§1.4 传热学的发展简史和研究方法

对流换热 （Convective heat transfer）
? 强制对流与自然对流无量纲数的准则关系 （W.Nusselt, 1909年/1915年） ? 流体边界层概念 （L.Prandtl, 1904年） ? 热边界层概念 （E.Pohlhausen, 1921年） ? 湍流计算模型 （L.Prandtl, 1925年; Th.von Karman, 1939年; R.C. Martinelli, 1947年）

动力与能源学院

40

§1.4 传热学的发展简史和研究方法

热辐射（Heat radiation）
? 物体发射率和吸收率之间的关系。（G.Kirchoff, 1859,1860） ? 黑体辐射力正比于其热力学温度的四次方，即后来的斯蒂芬-玻耳兹曼定律。 （J.Stefan, L.Boltzmann, 19世纪末） ? 确定黑体辐射光谱能量分布的普朗克定律。（M.Planck, 1900年） ? 物体间辐射换热的计算方法。（H.C.Hottel, 1954年）

动力与能源学院

41

§1.4 传热学的发展简史和研究方法
1.4.2 研究方法：
1. 理论分析： 应用数学分析理论，求解在给定条件下的微分方程，确定物体中各点的 速度、温度等函数。 2. 实验测定： 在相似原理指导下的实验研究方法。

3. 数值模拟： 应用数值求解方法，借助计算机求出近似解。

动力与能源学院

42

小结
? 热量传递的三种基本方式及其传热量的计算公式

? 传热过程及热阻的概念
? 工程实际中简单传热问题的分析 ? 导热（第2～4章）

? 对流（第5 ~ 7章）
? 热辐射（第8 ~ 9章） P23页思考3、5、7；习题1-2、7、10、14、18、21、27。

动力与能源学院

43



  本文关键词：传热学，由笔耕文化传播整理发布。