传热学教案.doc
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传热学教案
学习目的及学时分配
1、教学目的
通过学习能熟练掌握传热过程的基本规律、实验测试技术及分析计算方法，从而达到认识、控制、优化传热过程的目的。
2、学时分配
课内学时58学时，实验环节6学时
第一章绪论
本章要求:
1掌握内容:
?
热量传递的三种基本方式的概念、特点及基本定律;
?
传热过程、传热系数及热阻的概念。
2了解内容:
了解传热学的发展史、现状及发展动态。
?
1—1概述
一、基本概念
1、传热学:
传热学是研究热量传递规律的学科。
1）物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传向低温部分;
2）物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体传向低温物体。
由于自然界和生产技术中几乎均有温差存在，所以热量传递已成为自然界和生产技
术中一种普遍现象。
2、热量传递过程:
根据物体温度与时间的关系，热量传递过程可分为两类:
（1）稳态传热过程;
（2）非稳态传热过程。
1）稳态传热过程（定常过程）:
凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程。
2）非稳态传热过程（非定常过程）:
凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程均称非稳态传热过程。
各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程;而在启动、停机、工况改变时的传热过程则属非稳态传热过程。
二、讲授传热学的重要性及必要性
1、传热学是热工系列课程教学的主要内容之一，是热能动力专业必修的专业基础课。
是否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到后续专业课的学习效果。
2、传热学在生产技术领域中的应用十分广泛。
如:
热能动力学、环境技术、材料学、微电子技术、航空航天技术存在着大量的传热学问题，而且起关键性作用。
随着大规模集成电路集成温度的不断提高，电子器件的冷却问题越显突出。
例如:
20世纪70,90年代，集成电路芯片的功率从10w/c?
100w/c?
，产生的热量增大，若热量不能及时的散发出去（冷却），会使芯片温度升高，而影响电子器件的寿命及工作可靠性。
因此，电子器件有效散热是获得新产品的关键。
例如:
航天飞机在重返地球时以当地音速的15,20倍的极高速度进入大气层，由于飞行器与空气的相对运动，在表面产生剧烈的摩擦加热现象，使气流局部温度达5000,15000k，为保证飞行器安全飞行，有效的冷却和隔热方法的研究是其关键的问题。
3、传热学的发展和生产技术的进步具有相互依赖和相互促进的作用。
传热学在生产技术发展中已成为一门理论体系初具完善、内容不断充实、充满活力的主要基础科学。
高参数大容量发电机组的发展，原子、太阳、地热能的利用，航天技术、微电子技术、生物工程的发展，推动传热学的发展，而传热学的发展又促进生产技术的进步发展。
同时，随着生产技术及新兴科学技术的发展，又向传热学提出了新的挑战和新的研究课题。
三、传热学的特点、研究对象及研究方法
1、特点
1）理论性、应用性强
传热学是热工系列课程内容和课程体系设置的主要内容之一。
是一门理论性、应用性极强的专业基础课，在热量传递的理论分析中涉及到很深的数学理论和方法。
在生产技术领域应用十分广泛，在生产技术发展中已成为一门理论体系初具，内容不断完善、充实，充满活力的主要基础科学。
传热学的发展促进了生产技术的进步，而新兴科学技术的发展向传热学提出了新的课题和新的挑战。
2）有利于创造性思维能力的培养
传热学是热能动力的专业课之一，在教学中重视学生在学习过程中的主体地位，启迪学生学习的积极性，在时间上给学生留有一定的思维空间。
从而进一步培养创新的思维能力。
对综合性、应用性强的传热问题都有详细地分析讨论。
同时介绍了传热学的发展动态和前景。
从而给学生开辟了广阔且纵深的思考空间。
3）教育思想发生了本质性的变化
传热学课程教学内容的组织和表达方面从以往单纯的为后续专业课学习服务转变到重点培养学生综合素质和能力方面，这是传热学课程理论联系实际的核心。
从实际工程问题中、科学研究中提炼出综合分析题，对培养学生解决分析综合问题的能力起到积极的作用。
2、研究对象
传热学研究的对象是热量传递规律。
3、研究方法
研究的是由微观粒子热运动所决定的宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻求热量传递的规律，认为研究对象是个连续体，即各点的温度、密度、速度是坐标的连续函数，即将微观粒子的微观物理过程作为宏观现象处理。
由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方程），但不能确定物体内温度分布。
?
1—2热量传递的三种基本方式
一、导热（热传导）
1、定义:
物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。
如:
固体与固体之间及固体内部的热量传递。
从微观角度分析气体、液体、导电固体与非金属固体的导热机理。
（1）气体中:
导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能从高温传到低温处。
（2）导电固体:
其中有许多自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。
自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。
（3）非导电固体:
导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
（4）液体的导热机理:
存在两种不同的观点:
第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大;第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。
说明:
只研究导热现象的宏观规律。
2、导热现象的基本规律
1）傅立叶定律（1822年，法国物理学家）
如图1-1所示，一维导热问题，两个表面均维持均匀温度的平板导热。
根据傅立叶定律，对于x方向上任意一个厚度为dx的微元层，单位时间内通过该层的导热量与当地的温度变化率及平板面积A成正比，即
（1—1）
其中λ——比例常数，导热率（导热系数）;
负号表示热量传递的方向同温度升高的方向相反。
2）热流量:
单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为，单位w。
3）热流密度（面积热流量）:
单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为q，单位w/?
。
当物体的温度仅在x方向放生变化时，按傅立叶定律，热流密度的表达式为
（1—2）
说明:
傅立叶定律又称导热基本定律，式（1-1）、（1-2）是一维稳态导热时傅立叶定律的数学表达式。
通过分析可知:
dt
（1）当温度t沿x方向增加时，而q,,，说明此时热量沿x减小的方,0dx
向传递;
dt
（2）反之，当时，q>0，说明热量沿x增加的方向传递。
0dx
（3）导热系数λ表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位:
w/mk。
不同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。
金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。
二、对流
1、基本概念
1）对流:
是指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。
对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随有导热现象。
2）对流换热:
流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。
2、对流换热的分类
根据对流换热时是否发生相变来分:
有相变的对流换热和无相变的对流换热。
根据引起流动的原因分:
自然对流和强制对流。
1）自然对流:
由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动。
如:
暖气片表面附近受热空气的向上流动。
2）强制对流:
流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的。
3）沸腾换热及凝结换热:
液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对流沸腾）。
3、对流换热的基本规律<牛顿冷却公式>
流体被加热时，（1—3）
流体被冷却时，（1—4）
其中及分别为壁面温度和流体温度;
用表示温差（温压），并取为正，则牛顿冷却公式表示为
（1—5）
（1—6）
其中h—比例系数（表面传热系数）单位。
h的物理意义:
单位温差作用下通过单位面积的热流量。
表面传热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。
它不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小相对位置，而且与流体的流速有关。
一般地，就介质而言:
水的对流换热比空气强烈;
就换热方式而言:
有相变的强于无相变的;强制对流强于自然对流。
对流换热研究的基本任务:
用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面换热导数的关系式。
三、热辐射
1、基本概念
1）辐射和热辐射
物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。
因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。
2）辐射换热
辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。
自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的辐射热。
说明:
辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。
3）导热、对流、辐射的评述
?
导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。
?
在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。
在辐射时，辐射体内热能?
辐射能;在吸收时，辐射能?
受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。
?
辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能，
?
辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，而且在真空中辐射能的传递最有效。
因此，又称其为非接触性传热。
?
热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。
?
物体的辐射能力与其温度性质有关。
这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。
2、热辐射的基本规律:
所谓绝对黑体:
把吸收率等于1的物体称黑体，是一种假想的理想物体。
黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的而且辐射热量服从于斯忒藩——玻耳兹曼定律。
黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于斯忒藩——玻耳兹曼定律，即
（1—7）
其中T——黑体的热力学温度K;
——斯忒潘—玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），;
A——辐射表面积m*m。
实际物体辐射热流量根据斯忒潘——玻耳兹曼定律求得:
（1—8）
其中Φ——物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射换热量;
——物体的发射率（黑度），其大小与物体的种类及表面状态有关。
要计算辐射换热量，必须考虑投到物体上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，详见第八章。
物体包容在一个很大的表面温度为的空腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量
（1—9）
四、传热过程
传递热量的基本方式:
导热、对流、热辐射，由这三个基本方式组成不同的传热过程。
如:
暖气:
热水管子内壁管子外壁
室内环境
冷凝器:
蒸汽管子外壁管子内壁水
分析一个实际传热过程的目的，就是分析该过程由哪些串联环节组成。
以及每一环节中有哪些传热方式起主要作用，它是解决实际传热的核心基础。
上述分析导热、对流、热辐射的基本定律，即傅里叶定律、牛顿冷却公式、斯忒藩—玻耳兹曼定律，适用于稳态和非稳态热传递过程，若是非稳态时（1-1）、（1-6）、（1-7）中的温度是瞬时温度，t不仅仅是坐标的函数，而且与时间有关。
?
1—3传热过程和传热系数
一、传热过程
1、概念:
热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。
2、传热过程的组成:
传热过程一般包括串联着的三个环节组成，即:
?
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。
若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。
3、传热过程的计算
针对稳态的传热过程，即Q=const
如图1—3，其传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下:
变形
整理
（1-10）
可写成
（1-11）
此式称为传热方程式。
其中K——传热系数，。
二、传热系数
1、概念:
是指用来表征传热过程强烈程度的指标。
数值上，它等于冷热流体间温差
?
C，传热面积时热流量的值。
K值越大，则传热过程越强，反之，则弱。
其大小受较多的因素的影响:
?
参与传热过程的两种流体的种类;
?
传热过程是否有相变
说明:
若流体与壁面间有辐射换热现象，上述计算未考虑之。
要计算辐射换热，则:
表面传热系数应取复合换热表面传热系数，包含由辐射换热折算出来的表面传热系数在内。
其方法见8—4节。
•传热系数K的表达式
（1-12）
表示K的构成:
是由组成传热过程诸环节的之和的倒数组成。
或写成
或
（1-13）
传热方程式可变为以下形式:
（1-14）
此式与欧姆定律:
比较，具有电阻之功能。
由此可见:
传热过程热阻是由各构成环节的热阻组成。
串联热阻叠加原则:
在一个串联的热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环节热阻之和。
?
1—4传热学发展史
传热学这一门学科是在18世纪30年代英国开始的工业革命使生产力空前发展的条件下发展起来的。
传热学的发展史实际就是:
导热、对流、热辐射三种传方式的发展史。
导热、对流早为人们所认识，而热辐射是在1803年才确认的。
一、导热
确认热是一种运动的过程中，科学史上有两个著名的实验起着关键作用，其一是:
1798年伦福特钻炮筒大量发热实验;其二是:
1799年戴维两块冰块摩擦生热化成水的实验。
19世纪初，兰贝特、毕渥、傅里叶等都从固体一维导热的试验入手研究，1804年毕渥根据试验提出:
单位时间通过单位面积的导热量正比于两侧表面温差，反比于壁厚，比例系数是材料的物理性质。
作用:
这一规律提高对导热规律的认识，只是粗糙些。
1807年傅里叶:
特别重视数学工具的运用，把实验与理论结合起来，提出求解微分方程的分离变量法和可以将解表示成一系列任意函数的概念，得到学述界的重视。
特别是:
1822年论著《热的解析理论》完成了导热理论的任务，提出的导热基本定律“傅里叶定律”，导热微分方程，傅里叶级数正确地概括了导热实验的结果。
使他成为导热理论的奠基人。
二、对流
流体流动理论是对流体换热理论必要的前提。
1823年纳维:
提出不可压缩流体流动方程。
1845年，英国斯托克斯，将其修改为纳维—斯托克斯方程，形成流体流动基本方程。
其特点:
复杂，适用范围小，只适于简单流动，发展困难。
1880年，雷诺提出一个对流动有决定性影响的无量纲物理量雷诺数。
通过实验发现:
管内层流?
湍流转变时，雷诺数在1800~2000之间。
在雷诺的基础上，1881年洛仑兹自然对流解。
1885年格雷茨和1910年努塞尔获得管内换热的理论解。
1916年努塞尔凝结换热理论解又获得。
分别对其对应的理论有所贡献，但进展不大。
特别是1909年和1915年努塞尔的论文对强制对流和自然对流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析获得了有关无量纲数之间的准则关系。
促进行了对流换热研究的发展，他的成果具有独创性，于是，他
成为发展对流换热理论的杰出先驱。
在微分方程的理论求解上，以下两方面发挥了作用
其一:
普朗特于1904年提出的边界层概念。
观点:
低粘性流体只有在横向速度梯度很大的区域内才显示粘性的影响。
该范围主要处在与流体接触的壁面附近，而其它区域则可以当作无粘性流体处理。
在流动边界层概念的启发下，1921年波尔豪森又引进了热边界层的概念。
1930年波尔豪森与数学家施密特，贝克曼合作，成功地求解了坚壁附近空气的自然对流换热。
其二:
湍流计算模型的发展，有力地推动了传热学理论求解向纵深方向发展。
近代发展中，麦克亚当、贝尔特和埃克特先后作出了重要贡献。
三、热辐射
在其早期研究中，认识黑体辐射的重要性并用人工黑体进行实验研究对于建立热辐射理论具有重要作用。
19世纪斯忒藩通过实验确立了黑体的辐射能力正比于它的绝对温度的四次方的规律。
后来该定律在理论上被波耳兹曼证实，从而形成斯忒藩-—波耳兹曼定律。
后在物体之间辐射热量交换方面有两个重要的理论问题:
一是:
物体的发射率与吸收比之间的关系问题。
1859年，1860年基尔霍夫的两篇论文作了解答。
二是:
物体间辐射换热的计算方法。
由于物体间辐射换热是一个无穷反射逐次减弱的复杂物理过程，计算方法的研究有其特殊性，先后出现了以下几种:
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1935年波略克的净辐射法
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1954年，1967年霍尔特的交换因子法;
?
1956年奥本亥姆的模拟网络法。
这三种方法对完善热辐射换热的复杂计算作出了贡献。
随着科学技术的发展，测量新技术、计算机、激光技术对传热学的发展起了重要作用，特别是计算机的发展用数值方法解决传热问题取得重大突破。
20世纪70年代形成一个新兴分支——数值传热学。
热辐射基础理论研究中的难点是如何确定黑体辐射的光谱能量分布，在该问题中普朗克、维恩做出了一定的贡献。
?
1896年维恩:
半理论半经验方法?
公式，计算结果是短波与实验符合，但长波段与实验不符;
?
瑞利从理论上推出一个公式，经金斯改进形成瑞利—金斯公式;计算结果是长波与实验相符，但短波与实验不符，而且随着频率的升高，辐射能无穷大，显然不合理。
?
1900年普朗克提出一个公式，在整个光谱段计算结果与实验符合。
其观点:
提出与经典物理学的连续性概念根本不同的新假说:
能量子假说。
认为物体在发出辐射和吸收辐射时，能量不是连续的，而是跳跃地变化的，即能量是一份一份地发射和一份一份地吸收，每一份能量都有一定数值，这些能量单元称为量子，按照
量子理论确立的普朗克定律，正确地揭示了黑体辐射能量按光谱分布的规律——从而奠定了热辐射理论的基础。
第二章导热基本定律及稳态导热
本章内容要求:
1、重点内容:
?
傅立叶定律及其应用;
?
导热系数及其影响因素;
?
导热问题的数学模型。
2、掌握内容:
一维稳态导热问题的分析解法
3、了解内容:
多维导热问题
第一章介绍传热学中热量传递的三种基本方式:
导热、对流、热辐射。
根据这三个基本方式，以后各章节深入讨论其热量传递的规律，理解研究其物理过程机理，从而达到以下工程应用上目的:
1（基本概念、基本定律:
傅立叶定律,牛顿冷却定律,斯忒藩—玻耳兹曼定律。
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能准确的计算研究传热问题中传递的热流量
?
能准确的预测研究系统中的温度分布
2（导热是一种比较简单的热量传递方式,对传热学的深入学习必须从导热开始，着重讨论稳态导热。
首先，引出导热的基本定律，导热问题的数学模型，导热微分方程;
其次，介绍工程中常见的三种典型（所有导热物体温度变化均满足）几何形状物体的热流量及物体内温度分布的计算方法。
最后，对多维导热及有内热源的导热进行讨论。
?
2—1导热基本定律
一、温度场
1、概念:
温度场是指在各个时刻物体内各点温度分布的总称。
由傅立叶定律知:
物体导热热流量与温度变化率有关，所以研究物体导热必涉及到物体的温度分布。
一般地，物体的温度分布是坐标和时间的函数。
即:
其中为空间坐标，为时间坐标。
2、温度场分类
1）稳态温度场（定常温度场）:
是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随时间的改
变而变化的温度场称稳态温度场，其表达式。
2）稳态温度场（非定常温度场）:
是指在变动工作条件下，物体中各点的温度分布随时间而变化的温度场称非稳态温度场，其表达式。
若物体温度仅一个方向有变化，这种情况下的温度场称一维温度场。
3、等温面及等温线
1）等温面:
对于三维温度场中同一瞬间同温度各点连成的面称为等温面。
2）等温线
（1）定义:
在任何一个二维的截面上等温面表现为等温线。
一般情况下，温度场用等温面图和等温线图表示。
（2）等温线的特点:
物体中的任何一条等温线要么形成一个
封闭的曲线，要么终止在物体表面上，它不会与另一条等温线相交。
（3）等温线图的物理意义:
若每条等温线间的温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。
若相等，且等温线越疏，则该区域热流密度越小;反之，越大。
二、导热基本定律
傅立叶定律表达式（第一章中给出的）
dtA,,,,dx
（1—1）
dt,q,,,Adx（1—2）
适用条件:
（1）一维导热
（2）一块平板两侧表面温度分别维持各自均匀的温度。
这有一定的局限性。
1、导热基本定律（傅立叶定律）
1）定义:
在导热现象中，单位时间内通过给定截面所传递的热量，正比例于垂直于
,t该截面方向上的温度变化率，而热量传递的方向与温度升高的方向相反，即,。
A,x
t2）数学表达式:
（负号表示热量传递方向与温度,,,A,,x
升高方向相反）
t（负号表示热量传递方向与温度q,,,,x
升高方向相反）
其中——热流密度（单位时间内通过单位面积的热流量）
t——物体温度沿x轴方向的变化率
x
若物体温度分布满足:
时，则三个方向上单位矢量与该方向上的热流密度分量乘积合成一个热流密度矢量。
则傅立叶定律的一般数学表达式是对热流密度矢量写出的，其形式为
,,tq,,,gradt,,,n,n
其中—空间某点的温度梯度;
—通过该点的等温线上的法向单位矢量，并指向温度升高的方向;
—为该点的热量密度矢量
2、温度梯度与热流密度矢量的关系
如图2-2（a）所示，表示了微元面积dA附
近的温度分布及垂直于该微元面积的热流密度
矢量的关系。
1）热流线
定义:
热流线是一组与等温线处处垂直的曲线，
通过平面上任一点的热流线与该点的热流密度
矢量相切。
2）热流密度矢量与热流线的关系:
在整个物体中，热流密度矢量的走向可用热流线表示。
如图2-2（b）所示，其特点是相邻两个热流线之间所传递的热流密度矢量处处相等，构成一热流通道。
三、导热系数（导热率、比例系数）
1、导热系数的含义:
导热系数数值上等于在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度矢量的模。
,,t,,,q/n,n
2、特点:
其大小取决于:
（1）物质种类（金>液>气）;
（2）物质的与t的关系，如图教材2-3所示。
说明:
工程实用计算中可用线性近似关系表达:
,,
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