传热学教案【DOC精选】.docVIP

第1章 绪论 1.1 概 述 1.1.1、传热学研究内容 传热学是研究热量传递规律的学科，研究热量传递的机理、规律、计算和测试方法。 热量传递过程的推动力：温差 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。 1.1.2、传热学研究中的连续介质假设 将假定所研究的物体中的温度、密度、速度、压力等物理参数都是空间的连续函数。 1.1.3、传热学与工程热力学的关系 相同点： 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础。 a）定义： 工程热力学：热能的性质、热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律。 传热学：热量传递过程的规律。 b) 状态 工程热力学：研究平衡态； 传热学：研究过程和非平衡态 c）时间 工程热力学：不考虑热量传递过程的时间。 传热学：时间是重要参数。 1.1.4、传热学的应用 自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍 传热学在日常生活、生产技术领域中的应用十分广泛。 热量传递中的三类问题 强化传热 削弱传热 温度控制 日常生活中的例子 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22度，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度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？ c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？ d 冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来为什么 感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果更加明显？ e 为什么水壶的提把要包上橡胶？ f 不同材质（塑料、金属）的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？ 生产技术领域大量存在传热问题 a 航空航天：卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器冷却； b 微电子： 电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存 d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵 f 新能源：太阳能；燃料电池 很多行业中如何让热量有效地传递成为解决问题的关键 大规模集成电路芯片的散热问题 航天飞机的有效冷却和隔热 材料加工行业的散热问题 传热学的研究方法 实验测定 理论分析 数值模拟 热量传递的三种基本方式 热能传递基本方式：导热（热传导）、对流、热辐射 1.2.1 导热（热传导） 1 概念 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。 2、导热的特点 必须有温差 物体直接接触 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；不发生宏观的相对位移 没有能量形式之间的转化 3、导热的基本规律 1 ）傅立叶定律 1822 年，法国物理学家 如图 1-1 所示的两个表面分别维持 均匀恒定温度的平板，是个一维导热问题。 考察x方向上任意一个厚度为 dx的微元层。 根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热热量与当地的温度变化率及平板面积A成正比，即 1-1 式中λ是比例系数，称为热导率，又称导热系数，负号表示热量传递的方向与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Φ，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 方向发生变化时，按傅立叶定律，热流密度的表达式为: 1-2 4 ）导热系数λ λ表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位： W/m·k 。 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。 例题1-1 有三块分别由纯铜（热导率λ1=398W/(m·K)）、黄铜（热导率λ2=109W/(m·K)）和碳钢（热导率λ3=40W/(m·K)）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。 1.2.2 热对流 1 基本概念 1) 热对流：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。 热对流仅发生在流体中，流体中有温差——对流的同时必伴随有导热现象。自然界不存在单一的热对流。 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 1）根据对流换热时是否发生相变分 无相变的对流换热