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Heat TransferHeat Transfer 传传 热热 学学 任课教师: 党惊知 1/65 考核方法 闭卷考试 专业:材料成形及控制工程 联系方式 nE-mail: wxdjz11 nOffice:3559661 nHome: 6386397 n手机: 13503511405 2/65 参考书 n传热学杨世铭 编著 n传热学许肇钧 编著 3/65 第一章 绪论 n1-1热量传递的研究对象及其在热加 工艺中的应用 n1-2热量传递的三种基本方式 n1-3 传热过程与热阻 4/65 1-1热量传递的研究对象及其在热加工工艺 中的应用 一、什么是传热学 n研究热量传递规律的科学。 n热量传递的机理、规律、计算和测试方法 n热量传递过程的推动力:温差 n热力学第二定律:热量可以自发地由高温 热源传给低温热源。有温差就会有传热。 (The Second Law of Thermodynamics) 5/65 二、传热学的重要性 自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍 日常生活中的例子 n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度,那么在冬天与夏天、人在房 间里所穿的衣服能否一样? n夏天人在同样温度(如:25度)的空气和水中 的感觉不一样。为什么? 6/65 在下列技术领域大量存在传热问题 动力、化工、制冷、建筑、环境、机械 制造、新能源、微电子、核能、航空航 天、微机电系统(MEMS)、新材料、 军事科学与技术、生命科学与生物技术 7/65 在机械制造热加工类专业中,由于工件在制 造工艺中的加热、冷却、熔化和凝固都与热量 传递息息相关,传热学有它特殊的重要性。 n 工件温度场的测量和控制,不同工作条件, 不同材料性质及几何形状对工件温度场变化的影 响,工艺中缺陷的分析和防止,无不受到热量传 递规律的制约,传热学在保证工艺实施、提高产 品质量和产量等方面起着关键作用。 三 热量传递在热加工工艺中的应用 8/65 9/65 n.3流动场动画3.avi 10/65 n.3凝固过程动画.avi 11/65 12/65 13/65 n.312xt流场动画1.avi 14/65 n.312xt凝固进程动画.avi 15/65 16/65 .3铸造-气泡1.avi 17/65 .3Flow3.avi 为为了说说明传热传热 学与各专业专业 主要课课程间间的关系 ,以铸铸造专业专业 的铸铸件形成理论论这门专业这门专业 主 要课课程为为例,作一番考察 n 这门课程的任务是要运用基础课、技术基础 课的理论知识来分析铸件形成过程的基本规律 及有关因素的内在联系。 n 其中相当多的内容是:分析金属与铸型在不 同条件下热量传递的特点,铸件温度场的确定 及其影响因素,讨论金属包括液态金属及砂型 的热物理性质,研究温度分布在金属收缩规律 中的作用以及热裂、热应力、变形、冷裂等缺 陷的成因及防止途迳等等,这些内容都建筑在 传热学的基础之上。 18/65 换句话说,扎实的传热学基础,既是学好本 专业主干学科的前提,也为消化、吸收和创造新 技术准备了必要的条件,它是一个合格的热加工 工程师必须具备的理论素养的重要组成部分。 本课程的任务是结合热加工工艺领域中热量 传递过程的特点,系统地阐述传热学的基本理论 、基本知识,培养一定的分析和计算技能,为学 习有关专业课程打好理论基础,同时也为认识、 专业发展中的新理论、新工艺创造条件。 四 学习本课程的目的 19/65 五 传热过程分类 n凡是物体中各点温度不随时间改变的热量传递 过程均称为稳态热传递过程,反之则称为非稳 态热传递过程。 n各种物体在持续不变的运行工况下经历的热传 递过程属于稳态过程,而物体在加热、冷却、 熔化和凝固情况下经历的热传递过程则为非稳 态过程。 传热过程 稳态过程 非稳态过程 20/65 采用高等数学方法分析热传递过程, 总要假定所研究的对象是一个连续体, 即认为所研究对象内各点上的温度、密 度、速度等都是空间坐标的连续函数。 实际上,只要被研究对象的几何尺寸 远大于分子的平均自由行程,连续体的 假定即可成立。就本书涉及的内容而言 ,连续体的假定都是成立的。 21/65 12热量传递的三种基本方式 n热量传递基本方式:热传导、热对流、 热辐射 热对流 热传导 热辐射 22/65 23/65 一、热传导(导热)heat conduction 1.定义和特征 定义:指温度不同的物体各部分或温度不 同的两物体间直接接触时,依靠分子、 原子及自由电子等微观粒子热运动而进 行的热量传递现象。 物质的属性: 可以在固体、液体、气体中发生。 24/65 导热的特点 n必须有温差 n物体直接接触 n依靠分子、原子及自由电子等微观粒子 热运动而传递热量 n不发生宏观的相对位移 25/65 26/65 2.导热机理 n气体:气体分子不规则热运动时相互碰 撞的结果。 n导电固体:自由电子运动。 n非导电固体:晶格结构的振动。 n液体:很复杂。 27/65 3 傅里叶公式: Fourier: 1822年,法国数学家 :热流量,单位时间传递的热量W q:热流密度,单位时间通过单位面 积传递的热量 A:垂直于导热方向的截面积m2 :平壁两侧壁温之差 热导率(导热系数) Thermal conductivity 28/65 为温度梯度,负号表示热流密度的方向与温 度梯度的方向相反。即热量传递的方向与温度升 高的方向相反。 当温度t沿x方向增加时,dt/dx0,q0,说明 热量沿x减小的方向传递;反之,dt/dx0,说明热量沿x增加的方向传递。 29/65 热导率(导热系数)(Thermal conductivity) 具有单位温度差(1K)的单位厚度的物体 (1m),在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s) 的导热量(J) 热导率表示材料导热能力大小;物性参数;实验确定 30/65 31/65 法国数学家Fourier: 法国 拿破仑时代的高级官员。 曾于1798-1801追随拿破 仑去埃及。后期致力于传 热理论,1807年提交了 234页的论文,但直到 1822年才出版。 32/65 例题1-1 有三块分别由纯铜(热导率1=398W/(mK) )、黄铜(热导率2=109W/(mK))和碳钢(热导率 3=40W/(mK))制成的大平板,厚度都为10mm,两 侧表面的温差都维持为tw1 tw2 = 50不变,试求通过 每块平板的导热热流密度。 解: 这是通过大平壁的一维稳态导热问题,对于纯铜板 , 33/65 对于黄铜板 对于碳钢板 34/65 二、热对流(convection)与对流换热 Heated air rises, cools, then falls. Air near heater is replaced by cooler air, and the cycle repeats. 35/65 nWhat if coils were at the bottom? 36/65 1. 定义与特征 n定义:流体中(气体或液体)温度不同 的各部分之间,由于发生相对的宏观运 动而把热量由一处传递到另一处的现象 。 流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传 导,自然界不存在单一的热对流自然界不存在单一的热对流 对流换热: (Convection heat transfer)流体与 温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程 37/65 对流换热的特点 n对流换热与热对流不同,既有热对流,也 有导热;不是基本传热方式 n导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 n必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运 动;也必须有温差。 38/65 39/65 2.分类 对流换热按照不同的原因可分为多种类型 是否相变,分为:有相变的对流换热和无 相变的对流换热 流动原因,分为:强迫对流换热和自然对 流换热。 流动状态,分为:层流和紊流。 40/65 3.牛顿冷却公式(1701) 热流量W,单位时间传递的热量 q 热流密度 A 与流体接触的壁面面积 固体壁表面温度 流体温度 表面传热系数 Convection heat transfer coefficient h u tw A 41/65 n表面传热系数(对流换热系数) ( Convection heat transfer coefficient) 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量 h是表征对流换热过程强弱的物理量 n影响h因素:流动原因、速度、状态,流体物性 、有无相变,壁面形状、大小、位置等。 42/65 例题1-2 一室内暖气片的散热面积为3m2,表面温度 为tw = 50,和温度为20的室内空气之间自然对流 换热的表面传热系数为h = 4 W/(m2K)。试问该暖气 片相当于多大功率的电暖气? 解: 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热, = Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相当于功率为0.36kW的电暖气。 43/65 三、热辐射(Thermal radiation) 1.定义 物体通过电磁波来传递热量的方式。 物体的温度越高、辐射能力越 强;若物体的种 类不同、表面 状况不同,其辐射能力不同 辐射换热:物体间靠热辐射进行的热量 传递 Radiation heat transfer 44/65 45/65 2.辐射换热的特点 不需要冷热物体的直接接触;即:不需要介 质的存在,在真空中就可以传递能量 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能 无论温度高低,物体都在不停地相互发射电 磁波能、相互辐射能量;高温物体辐射给低温物 体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总 的结果是热由高温传到低温 46/65 47/65 3.斯蒂芬-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law) 黑体:能全部吸收投射到其表面辐射能的物 体。 或称绝对黑体。(Black body) 黑体的辐射能力与吸收能 力最强 Ludwig Boltzmann (1844-1906) committed suicide because he thought his lifes work was in vain. 48/65 n黑体向外发射的辐射能: 绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度(热力学温度) 斯蒂芬-玻尔兹曼常数, 49/65 n实际物体辐射能力:低于同温度黑体 实际物体表面的发射率(黑度),01; 与物体的种类、表面状况和温度有关 (Emissivity) 50/65 n对于两个相距很近的黑体表面,由于一 个表面发射出来的能量几乎完全落到另 一个表面上,那么它们之间的辐射换热 量为 : T1 T2 F 51/65 52/65 三种基本热量传递方式由于机理不同, 各自遵循不同的规律,依次分开论述比较相 宜。不过应该注意到,在工程问题中,有时 也存在两种热量传递基本方式同时出现的场 合。 例如一块高温钢板在厂房中的冷却散热 ,既有辐射换热方式,也同时有对流换热方 式。两种方式以并联的形式出现,两种方式 散热热流量的叠
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