《传热学1-热工》ppt课件

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1、1传热学2传热学在生产技术领域中的应用十分广泛。在能源动力、化工制药、材料冶金、机械制造、电气电信、建筑工程、交通运输、航空航天、纺织印染、农业林业、生物工程、环境保护和气象预报等部门中存在大量的热量传递问题，而且常常还起着关键作用。例如:随着大规模集成电路集成密度的不断提高，电子器件的冷却问题越来越突出。20世纪70年代每平方厘米集成电路芯片的功率最高约为10w；320世纪80年代增加到20~30w/cm2，而进入20世纪90年代后这一数字则上升到102w的数量级。芯片产生的这些热量如果不及时散出，

2、将使芯片温度升高而影响到电子器件的寿命及工作的可靠性，因而电子器件的有效散热方式已成为获得新一代产品的关键问题之一。又如，航天飞行器在重返地球时以当地音速的15~20倍的较高速度进入大气层，在航天器表面附近发生剧烈的摩擦加热现象．致使气流局部温度高达5000~15000K。4为保证航天器安全飞行，有效的冷却及隔热方法的研究就成为其关键问题。实际上．近20年来，现代科学技术的进步，特别是高参数大容量发电机组的发展，原子能、太阳能、地热能等新能源的开发利用．航天技术的飞速发展，超导、大规模集成电路、微型机

3、械和生物工程等一系列现代科学技术的巨大进步推动了传热学学科的迅速发展，它的理论体系日趋完善，内容不断充实．已经成为现代技术科学中充满活力的主要基础学科之一。51-1热量传递的三种基本方式热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射。1．导热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为导热(或称热传导)。例如，固体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分，以及温度较高的固体把热量传递给与之接触的温度较低的另一固体都是导热现象。6从微观角度来看，气体、液

4、体、导电固体和非导电固体的导热机理是有所不同的。气体中，导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。众所周知，气体的温度越高、其分子的运动动能越大。不同能量水平的分子相互碰撞的结果，使热量从高温处传到低温处。导电固体中有相当多的自由电子，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着主要作用。在非导电固体中，导热是通过晶格结构的振动，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。7晶格结构振动的传递在文献中常称为弹性波。至于液体中的导热机理，还存在着不同的观点。有一种观点认为定性

5、上类似于气体，只是情况更复杂，因为液体分子间的距离比较近．分子间的作用力对碰撞过程的影响远比气体为大。另一种观点则认为液体的导热机理类似于非导电固体，主要靠弹性波的作用。导热微观机理的进一步论述已超出本书的范围，有兴趣的同学可参阅热物性学专著文献。本书以后的论述仅限于导热现象的宏观规律。8傅立叶定律考察如图1-1所示的两个表面均维持均匀温度的平板的导热。这是个一维导热问题。对于x方向上任意一个厚度为dx的微元层来说，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9

6、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同温度升高的方向相反。单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为Φ，单位为W。单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度(或称面积热流量)，记为q，单位为W／m2。当物体的温度仅在x方向发生变化时，按照傅里叶定律，热流密度的表示式为：10傅里叶定律又称导热基本定律。式(1-1)和(1-2)是一维稳态导热时傅里叶定律的数学表达式。由式(1-2)可见，当温度t沿x方向增加时dt/dx＞0,而q＜0，说明此时热量沿x减小的方向传递；反之

7、，当dt/dx＜0时q＞0，此时热星则沿x增加的方向传递。11导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，即是一种物性参数，其单位为：W／(m·K)。不同材料的导热系数值不同，即使是同一种材料，导热系数值还与温度等因素有关，在后章中将作进一步讨论。这里仅指出：金属材料的导热系数最高，良导电体，如银和铜，也是良导热体；液体次之；气体最小。122.对流换热对流是指由于流体的宏观运动，从而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。对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则

8、的热运动，因而对流必然伴随有导热现象。工程上特别感兴翅的是流体流过一个物体表面时的热量传递过程．并称之为对流换热．以区别于一般意义上的对流。本书只讨论对流换热。13就引起流动的原因而论，对流换热可区分为自然对流与强制对流两大类。自然对流：是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的，暖气片表面附近受热控气的向上流动就是一个例子。强制对流:如果流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的．则称为强制对流。冷油器、冷凝器等管内冷却水的流动都由水泵驱动，它们都