第一篇：浙大03-08傳熱學試題答案教案

浙江大學2001年考研試題答案

一、填空

1.（1）逐漸降低（2）熱邊界層厚度沿管長逐漸增大 2.（1）增大（2）產生了二次環流，增加了擾動，從而強化了換熱 3．（1）橫向（2）橫向沖刷熱邊界層較薄且存在由邊界層分離而產生的漩渦，增加了流體擾動，因而換熱強 4.（1）

浙江大學2003年考研試題答案

一、填空

1.（1）表征了物體內部溫度扯平的能力、傳遞溫度變化的能力（2）單位m2/s（3）普朗特數Pr 2.（4）自身輻射（5）反射輻射 3.4.（7）管子直徑（8）5.（9）λ表示管道（10）流體

6.（11）表示內部導熱熱阻??與表面對流換熱熱阻1n的比值（12）表示壁面上無量綱溫度梯度的大小 7.（13）減小（14）不變 8.（15）液膜層導熱（16）

9.（17）方向（18）光譜吸收比 10.（19）傳熱單元數（20）??

二、簡答題

1.見課本第四版P320 2.見課本第四版P61 溫度計套管與其四周環境之間發生著三種方式的熱量傳遞。①從套管頂端向根部的導熱。

②從管道內流體向套管外表面的對流換熱。③從套管外表面向管道壁面的輻射換熱。

穩態時，套管從管道內流體獲得的熱量正好等于套管向管道壁面的導熱及輻射換熱之和。因次套管的壁面溫度必低于管道內流體的溫度。

tH?tf?t0?tfch?mH???H?ch?mH??t'?t“?maxt1'?t2'

?0

式中：tH為套管頂端壁面溫度，tf為管道內流體溫度。

從溫度計套管的一維導熱物理過程來看，可以畫出如圖所示的熱阻定性分析圖（圖略）

圖中t?為管道外的環境溫度，R3代表管道外側與環境間的換熱熱阻，R1、R2分別代表套管頂端與管道內流體的換熱熱阻及頂端與根部間的導熱熱阻。顯然：要減小測溫誤差，應使tH盡量接近tf，即應盡量減小R1而增大R2及R3。另一方面，由上式可看出，要減少?H，應增加ch?mH?，即增加mH，以減小?0的值。可以采用以下方法：

① 選用導熱系數較小的材料作套管（增大R2）； ② 盡量增加套管的高度并減小壁厚（增大R2）； ③ 強化套管與流體間的換熱（減小R1）； ④ 在管道外側包以保溫材料（增加R3）。3.不對，相變換熱，兩者相同。

4.輻射 對流

浙江大學2004年考研試題答案

一、填空題

1.能量守恒定律，傅里葉定律，Pc2.0.1W/?m?K? 65℃ 3.升高

4.A1X1,2?A2X2,1，X1,1?X1,2?X1,3???X1,n??X1,i?1

i?1n?t???t????? ???x??x?5.黑體 波長 6.普朗特數，動量擴散能力與熱量擴散能力的一種量度 7.變大 變小 8.臨界熱流密度qmax 9.??10.11.1059.278s

二、簡答題 1.2.3.入口段的熱邊界層較薄，局部表面傳熱系數比充分發展段的高，且沿著主流方向逐漸降低。4.①保溫瓶夾層抽真空；

②測流體導熱系數時，上部加熱處于高溫下部處于低溫，使測量更加準確； ③雙層保溫玻璃。

浙江大學2005年考研試題答案

一、填空

1.（1）Pr?（2）動量擴散厚度與熱量擴散厚度之比的一種度量 2.（3）叉排（4）順排 3.（5）溫壓小（6）傳熱強 4.（7）湍流（8）特征長度 ?a?t'?t”?maxt1'?t2'，換熱器的實際換熱效果與最大可能的換熱效果之比 5.（9）光譜吸收比與波長無關

6.（10）把表面1發出的輻射能中落到表面2上的百分數稱為表面1對表面2的角系數

7.（11）光譜輻射強度在吸收性氣體中傳播時按指數規律衰減 8.（12）固體內部導熱熱阻與其界面上換熱熱阻（13）固體的導熱系數

9.（14）實際散熱量與假設整個肋表面處于肋基溫度下的散熱量（15）0 10.（16）二維、穩態、無內熱源的邊界層能量（17）熱擴散率 11.（18）?A??B

12.（19）順流（20）R?14.（21）逆流

15.（22）平均溫差法（23）效能——傳熱單元數法

二、簡答題

1.固體壁面附近流體溫度急劇變化的薄層稱為熱邊界層。

對流換熱的熱阻大小主要取決于緊靠壁面附近的流體流動狀況，這一區域中速度和溫度變化最劇烈，是強化對流換熱的主要“突破口”。流動邊界層在壁面上的發展過程顯示出，在邊界層內也會出現層流和湍流兩類流動狀態，湍流邊界層的主體核心雖處于湍流流動狀態，但緊靠壁面處粘滯應力仍占主導地位，致使貼附于壁面的一極薄層內仍保持層流性質，這個極薄層稱為湍流邊界層的層流底

1111????0.025 RR0810層。因此在邊界層中，無論是層流還是湍流，其流動速度都由零變化到主流速度。尤其是緊靠壁面邊界層底部，幾乎是靜止的，完全是靠導熱來換熱，換熱量小，故強化換熱時應破壞邊界層，使邊界層變薄，減小換熱熱阻，增加換熱量。2.3.氣體：導熱是氣體分子不規則熱運動時相互碰撞的結果。氣體的溫度越高，其分子的運動動能越大，不同能量水平的分子相互碰撞的結果，使熱量從高溫處傳到低溫處。

導電固體：導電固體中有相當多的自由電子，它們在晶格之間像氣體分子那樣運動，自由電子的運動在導電固體的導熱中起著主要作用。

非導電固體：非導電固體導熱是通過晶格結構的振動，即原子分子在其平衡位置附近的振動來實現的。液體：液體的導熱認為介于氣體和固體之間。

4.集總參數法：當固體內部的導熱熱阻遠小于其表面的換熱熱阻時，固體內部的溫度趨于一致，以致可以認為整個固體在同一瞬間均處于同一溫度下，這時所要求解的溫度僅是時間?的一元函數而與坐標無關，這種忽略物體內部導熱熱阻的簡化分析方法稱為集總參數法。

條件：物體的導熱系數相當大，或者幾何尺寸很小，或表面換熱系數極低。計算時Bi?0.1。

5.高效隔熱材料要求盡可能的增大熱阻，采用多孔結構或多層隔熱屏結構，其孔中和隔熱屏之間充滿氣體。由于氣體在孔中和屏間是靜止的，僅存在導熱的傳熱方式且氣體的導熱系數小于固體，所以增加了隔熱材料的熱阻。

三、計算題 1.解：

（1）Eb1??T14?5.67?10?8??290?273?4?5696.612W/m2

Eb2??T24?5.67?10?8??450?273??15493.026W/m2

4X2,1?1

A1??d1?3.14?0.4?1.256m2 A2??d2?3.14?0.2?0.628m2

?1,2?Eb2?Eb115493.026?5696.612??2895.128W/m21??11??21?0.811?0.51????0.8?1.2560.628?10.5?0.628?1A1A2X2.1?2A1（2）

浙江大學2006年考研試題答案

一、填空題 1.2.自然對流換熱 3.?、?、?、cp 124.?f?th?mH? mH5.10?3K/W

6.珠狀凝結 膜狀凝結 7.動量擴散能力與熱量擴散能力 流動邊界層和熱量邊界層 8.100K/W

9.氣體輻射對波長有選擇性，氣體的輻射和吸收是在整個容積中進行的

10.不依靠泵或風機等外力推動，由流體自身溫度場的不均勻所引起的流動

11.臨界熱流密度qmax 12.相對性 完整性 可加性

13.當反射表面的不平整尺寸大于投入輻射的波長時，形成漫反射。14.黑體輻射對應于最大光譜輻射力的波長?m與溫度T之間存在著如下的關系：?mT?2.9?10?3m?K 15.流體的導熱系數，特征長度

二、簡答題

1.凝汽器中溫度遠遠低于600℃，輻射傳熱量極少，可以忽略不計。而在爐膛內煙氣溫度高于600℃，輻射能力很強，所以必須考慮輻射換熱。2.3.人體熱量傳遞給水銀過程中存在熱阻，達到平衡狀態即由非穩態到穩態導熱需要一定的時間。

方法：采用熱容小的玻璃并減小玻璃厚度。

4.在陰天，云層阻擋了物體向低溫太空的熱輻射并反射回地面，并且云層反射地面輻射，物體溫度較高，不易結霜；而晴天沒有云層，物體直接向太空輻射能量，且無反射的地面輻射，所以溫度降低，容易結霜。

5.測量過程中熱接點與流道存在輻射換熱，致使測得溫度偏低。采用套管抽氣式可減少熱接點的輻射傳熱量，增大氣流的對流傳熱表面傳熱系數，提高測量精度。

三、計算題 1.解：（1）K?11?1??h1?h2?101.8W/m2?K

??（2）未結垢時，每米管長??KA?t?101.8?0.072??450?50??2931.84W 設外壁溫度t，則 ：

tf1?t1?t?????t1?tf1??79.8℃

11h1Ah1Ah1A結垢后

2．解：

Gr?gav?tl3?2,Pr??a???c ?GrmPrm?g?tl3??1.47?105?(104,109)

0.25則：Nu?0.53?Grm?Prm?hl?0.53?1.47?105??0.25?10.38

Nu?10.38?2.67?10?2??1.39W/m2?K 又知Nu?，h??l0.2????hA?t?h?dl?t?1.39?3.14?0.2?l??45?15??26.19W 3.浙江大學2007年傳熱學試題答案

一、填空 1.2.固體的導熱系數，特征長度，固體內部導熱熱阻與其界面上換熱熱阻 3.R?1 A1X1,2124.光譜吸收比與波長無關的物體稱為灰體

?t?2t5.?a2 ???x6.規定了邊界上任何時刻的溫度值； 規定了邊界上任何時刻的熱流密度值為零； 規定了邊界上物體與周圍流體間的表面傳熱系數h及周圍流體的溫度tf 7.，8.在導熱現象中，單位時間內通過給定截面的熱量正比例于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。物質導熱本領的大小 9.1 1210.入口段效應 11.大

??c1.247?1.005?103?14.16?10?6??0.707 12.Pr??a?0.0251?13.自然對流、核態沸騰、過渡沸騰、穩定膜態沸騰 14.R?1111????0.025m2?K/W RR081015.?tm???tm逆

二、簡答題

1.換熱器中應用肋片主要目的是強化換熱和降低換熱器壁溫，當換熱器一側的熱阻較大時，應對熱阻較大一側進行強化換熱，而加裝肋片是一種較為有效的方法。

當換熱器熱流體一側的傳熱系數較大而熱阻較大時，加裝肋片強化換熱后，可降低壁溫。

換熱器管內單相流時，加裝肋片后，還可以減薄或破壞邊界層，以增加流體的擾動，強化換熱器傳熱。2.3.散熱量為最大值時的直徑 d0?2? 稱為臨界熱絕緣直徑。h0在圓管外加保溫層，既可能使散熱量減少，也可能使散熱量增加。這是因為保溫層的加入一方面使導熱熱阻增加，另一方面可使對流熱阻減少。若外直徑為 di 的圓管外包以絕熱層使直徑為d0（d0?di），圓管外表面溫度為twi，絕緣層表面外側流體溫度和表面

?(twi?tf0)?傳熱系數分別為tf0和h0。則?

1d01lln?2?dih0d0從上式可以看出：保溫層的加厚（即d0增大）一方面使導熱熱阻Rcd?d11減小。可以證明，ln0增加，另一方面使對流熱阻Rcv?2?dih0d0當

hdd(??)?0即Bi?0cr?2時，達到極值點。即以dcr為分界點，如

?dd0圓管外徑小于dcr時，隨著直徑d0的增加，散熱量增加；若圓管外徑大于dcr，則散熱量隨d0增加而減小。直徑dcr即稱為臨界熱絕緣直徑。

?cpvul4.Nu? Pr? Re? a?

?av?hl由管內及管外強迫對流換熱的實驗關聯式：

Nu?cRemPrn 知 h??lcRemPrn

mnc??ul??v????????l?v??a?m ??c??ul??v??????l?v????cpclm?1um?m?nvn?m? ???n??cp?n其中?、v、?、cp為流體的物性參數； 由上式知：

①對流換熱系數h隨流體密度?和比熱cp的增加而減小； ②對流換熱系數h隨流體導熱系數的增加而增加； ③當m>n時，n-m<0，對流換熱系數h隨運動粘度?的增加而減小；當m0，對流換熱系數h隨運動粘度的增加而增加。5.三、計算題 1.解：

'''由熱平衡方程：q1cp1(t1'?t1'')?q2cp2(t2?t2)

其中下角標“1”表示機油溫度，“2”表示水的溫度。

''0.1?2131?(100?60)?0.2?4178?(t2?30)

''524?835.6(t2?30)''t2?40.2℃

換熱量 ??q1cp1(t1'?t1'')?0.1?2131?(100?60)?8524J

'''?tmax??tmin(t1'?t2)?(t1''?t2)對數平均溫差：?tm? ?''?tmaxt1'?t2lnln'''?tmint1?t2(100?40.2)?(60?30)59.8?30 ?100?40.259.8lnln60?303029.8?43.2℃

?0.68981 ?傳熱系數k，機油的換熱系數h1

Nu?h1D0??h1?Nu?5.56?0.138?17.05W/(m2?K)D00.045水的換熱系數：Nu?0.023Re0.8Pr0.4

725?10?6????0.7294?10?6m2/s

?994uq1??Di24?v???v?4q14?0.2??0.41m/s 22?Di?3.14?0.025?994Re?vDi??0.41?0.025?1.406?104 ?60.7294?10Nu?0.023?(1.406?104)0.8?(4.85)0.4?90.02

Nu?h2Di?h2?Nu?90.02?0.625??2250.46W/(m2?K)Di0.025111?h1h2?111?17.052250.46?16.92W/(m2?K)?總傳熱系數：k?由傳熱方程：??kA?tm?A?由A??Dil?l?2.解：

?8524??11.66m2 k?tm16.92?43.2A11.66??148.54m ?Di3.14?0.02520?0.5?10?3??0.00025?0.1 ⑴ 畢渥數Bi??40hD因此系統可以看成集總參數系統。

?cpVhA4?0.5?10?3?8900?2000????3?2??0.5?10?20?4?3.14???2???323⑵ 時間常數：?c???74.167s

⑶ 由式：

?hA?t?t??exp???? t0?t???c?????98?100????exp????exp??? 20?100?74.167???c?得 ??273.6s 需要273.6s。

熱電偶的時間常數是說明熱電偶對流體溫度變動響應快慢的指標。時間常數越小，熱電偶越能迅速反映出流體溫度的變動，即時間常數升溫時間減小。時間常數取決于熱電偶的幾何參數VA，物理性質??,c?，換熱系數?h?。

熱電偶對流體溫度變化的反應快慢取決于其自身的熱容量??cv?及表面換熱條件?hA?。熱容量越小，溫度變化越快，表面換熱條件越好（hA越大），單位時間內傳遞熱量越多，則升溫時間越少。3.解：

⑴ 忽略外界通過窺視孔射入的輻射能時

J2??2Eb2?J2X2,2?1??2?

?? ??2Eb2?J2X2,2?1??2?

X2,2?1?X2,1?1?A1 A2即：J2??2Eb2A?2?1?1??2?A2

由于 J1?J2A2X2,1/A1?J2A2A1?J2 A1A24Eb2??T24?5.67?10?8??427?273??2.401?1011W/m2

J2?J1??2Eb2?2?A1?1??2?A2?0.8?0.8?2.401?1011??2?10?32??2.401?1011

42??0.4?4?1?0.8?J1A1?2.401?1011??4?2?10?3??753909.3W

2⑵小孔的發射率 ?1?J1J?2?2?

AEb1Eb2??11???2?2A2?0.8?0.8??2?10?3?242??0.4?4?0.9999968754142?1?0.8?

??427?273?4?27?273?4????1??T?T??0.999996875?5.67????????

??100??100?????13154.36W

浙江大學2008年傳熱學試題答案

一、填空 1.gar?tl3gar?tl32.Gr? Ra? 2vav3.旺盛湍流

4.固體表面附近流體溫度發生劇烈變化的這一薄層稱為熱邊界層。5.39.8℃ 34.1℃ 6.減小 增大

7.流體流動的起因，流體有無相變，流體的流動狀態，換熱表面幾何因素，流體的物理性質 8.Nu RePr?t?9.q???gradt???n，q指熱流密度，?指導熱系數，gradt是空間?x?某點的溫度梯度，n是通過該點的等溫線上的法向單位矢量，指向溫度升高的方向。10.0 11.實際散熱量與假設整個肋表面處于肋基溫度下的散熱量之比。12.忽略物體內部導熱熱阻的簡化分析方法，應用條件：Bi?0.1 13.單位時間內單位表面積向其上的半球空間的所有方向輻射出去的全部波長范圍內的能量稱為輻射力。從黑體單位可見面積發射出去的落到空間任意方向單位立體角中的能量，稱為定向輻射強度。14.1450K/1177℃

15.表面1發出的輻射能中落到表面2的百分數稱為表面1對表面2的角系數。

相對性、完整性、可加性

二、簡答題 1.圖略

自然對流區：壁面過熱度較小，壁面上沒有氣泡產生，傳熱屬于自然對流工況。

核態沸騰區：當加熱壁面的過熱度?t?4℃，壁面上個別地點開始產生氣泡，汽化核心產生的氣泡彼此互不干擾，隨著?t進一步增加，汽化核心增加，氣泡相互影響，并會合成氣塊及氣柱，氣泡的擾動劇烈，傳熱系數和熱流密度都急劇增大。核態沸騰有溫壓小、傳熱強的特點。

過渡沸騰區：從峰值點進一步提高?t，熱流密度不僅不隨?t的升高而升高，反而會越來越低。膜態沸騰區：從qmin起，傳熱規律再次發生轉折，這時加熱面上已形成穩定的蒸汽膜層，產生的蒸汽有規則地排離膜層，q隨?t的增加而增大。

2.瓶身與環境有輻射散熱，瓶蓋有熱傳導散熱。

采用雙層結構，夾層抽真空并且夾層兩面涂了發射率極低的銀，減少了輻射散熱及熱傳導，瓶蓋采用導熱率較低的木質材料，減少熱傳導散熱。3.順流布置的型式。

若采用逆流型式，冷熱流體的高溫段集中在換熱器一端，會出現較高壁溫，形成較大的溫度應力，不利于安全。

4.Bi?0表示平壁內部熱阻與表面熱阻之比趨向于0，可認為物體內部各部分溫度時刻保持一致，可采用集中參數法求解。

Bi??表示平壁表面對流換熱熱阻幾乎可以忽略，因而過程一開始平板的表面溫度就達到環境溫度。圖略。

5.太陽能熱水器涂層 遮熱板 鍋爐水冷壁涂層

三、計算題 1.解：

umax?ufS1/(S1?d)?8m/s

8?0.025?1.25?104?(103,2?105)?6?16.0?1050又知S1/S2??2，則

38Ref??ulc?0.35(S1/S2)0.2，n?0.6，空氣屬氣體，m取0

0.36則 Nuf?0.35(S1/S2)0.2Re0.6?1 fPrf?0.35?(500.2)?(1.25?104)0.6?0.7010.36 38?93.44 hlNu?93.44?0.0267??99.79 又知 Nu?，h??l0.025A?n?dl?25?12?3.14?0.025?1.5?35.33m2

則 ??hA?t?99.79?35.33?(120?2.解：

Bi?hl20?40)?3.17?105W 2??20.63?0.003?0.006?0.1，可采用集總參數法

10.353d2A??dl??()?1.48?10?4m2

4?d2?V????l?1.06?10?7m3

?4?則 ?hA?t?t??exp????，??120s t0?t???cV? ?t?86.9℃

提高精度采取的措施：進一步減小水銀泡體積，采用遮熱罩抽氣式測溫。3.解：

輻射等效網絡圖如圖所示，墻壁為重輻射面。（圖略）由X1,2?X1,3?1 X2,1?X2,3?1 可知X1,3?0.85 X2,3?0.85

1??11?0.3??0.117m?2 ?1A10.3?2011??0.333m?2 A1X1,220?0.151??21?0.5??0.05m?2 ?2A20.5?20111 ??ReqA1X1,3?A2X2,3A1X1,2Req?(A1X1,3?A2X2,3)A1X1,2A1X1,3?A2X2,3?A1X1,2?102?2.76m?2 37則 ??Eb2?Eb1

1??11??2??Req?1A1?2A244T1??20?273?又 Eb1?c0??5.67????417.88W ???100??100??T??50?273?Eb2?c0?2??5.67????617.15W 100100????44計算可得，??68.08W

則天花板對地面的輻射傳熱量為68.08W。

第二篇：傳熱學教案1

第1章 緒論、重點內容： ① 熱能傳遞的三種方式及熱量傳遞的速率方程；

② 傳熱過程及傳熱方程式； 2、掌握內容：黑體，傳熱系數，傳熱熱阻。3、了解內容：傳熱學的研究內容

第一章介紹傳熱學的研究內容，傳熱學中熱量傳遞的三種基本方式：導熱、對流、熱輻射。以及包含這三個基本方式的傳熱過程。

4、基本概念: 熱傳導、熱對流、熱輻射、黑體、傳熱過程、熱阻、熱流密度。

5、基本定律：傅里葉定律、牛頓冷卻公式、斯蒂凡-波爾茲曼常數。學習目標：

①

能確定物體的傳熱方式。

②

能利用熱量傳遞的速率方程計算熱流密度或熱流量。③ 能利用傳熱方程式計算傳熱過程的傳熱量。④ 掌握如黑體，傳熱系數等基本概念。

§1-1 熱能傳遞的三種基本方式

包括熱傳導、熱對流、熱輻射三種方式 一、熱傳導 1、概念

物體各部分之間不發生相對位移，而依靠分子、原子等微觀粒子的熱運動產生的熱能傳遞。

2、公式

由傅立葉定律知：單位時間通過一定面積的導熱熱流量與溫度變化率和面積有關：

?=—?Adt（1-1）dxλ為材料導熱系數，負號表明熱量傳遞方向與溫度升高方向相反。

通過單位面積的熱流量稱為熱流密度：

?dtq==-?（1-2）Adx二、熱對流

1、概念

由于流體宏觀運動而引起的流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞。工程上主要研究流體流過一物體表面時流體與物體表面間的熱量傳遞過程，稱為對流傳熱。根據流動起因，對流傳熱可分為兩類：強制對流和自然對流。另外，液體相變時也伴有對流傳熱，一般分為沸騰傳熱和凝結換熱。

2、公式

q=h?t（1-3）?=hA?t（1-4）

h為表面傳熱系數，Δt為壁面與流體間溫差，永遠取正值。

三、熱輻射

1、概念

物體會因各種原因發出輻射能，其中因為熱的原因而發出輻射能的現象稱為熱輻射。

物體間通過輻射方式進行熱量傳遞成為輻射換熱。輻射傳熱的兩個特點：

① 能在真空中傳遞，而且在真空中傳遞最有效。② 不僅伴隨能量的轉移，而且有能量形式的轉換。

理想黑體：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能量的物體。

2、公式

斯蒂凡-波爾茲曼定律：黑體在單位時間內發出的熱輻射熱量

?=A?T4（1-5）

實際物體輻射熱流量采用發射率（黑度）修正：

?=?A?T4（1-6）

兩種簡單的情況：兩塊非常接近的互相平行黑體壁面間輻射傳熱、封閉空腔內物體表面輻射換熱。

（1-7）?=?1A1?（T14-T24）

§1-2 傳熱過程和傳熱系數

一、傳熱方程式

1、概念

傳熱過程：熱量由壁面一側流體通過壁面傳遞到另一側流體的過程。包括串聯著的三個環節：

① 熱流體與壁面高溫側的換熱 ② 壁面高溫側倒壁面低溫側的熱量傳遞 ③ 壁面低溫側與冷流體換熱。這三個過程中的熱流量應該是相等的。

?=A（tf1-tf2）（1-8）

1?1++h1?h2也可以表示成：

（1-9）?=Ak（tf1-tf2）K為傳熱系數，數值上等于冷熱流體見溫差為1℃、傳熱表面積1㎡時熱流量的值。

二、傳熱熱阻

由（1-8）和（1-9）式可得

11?1=++（1-10）kh1?h2兩邊同乘以1/A得：

11?1（1-11）=++AkAh1A?Ah2如此可以將（1-9）式寫成溫壓-熱阻形式。熱阻疊加原則與電學中的串聯法則相對應。即為傳熱過程熱阻。傳熱過程Ak 17

第三篇：傳熱學教案1

第1章 緒論

1.1 概 述

1.1.1、傳熱學研究內容

傳熱學是研究熱量傳遞規律的學科，研究熱量傳遞的機理、規律、計算和測試方法。

熱量傳遞過程的推動力：溫差

1)物體內只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分； 2)物體之間存在溫差時，熱量就會自發的從高溫物體傳向低溫物體。1.1.2、傳熱學研究中的連續介質假設

將假定所研究的物體中的溫度、密度、速度、壓力等物理參數都是空間的連續函數。

1.1.3、傳熱學與工程熱力學的關系 相同點：

傳熱學以熱力學第一定律和第二定律為基礎。不同點 a）定義：

工程熱力學：熱能的性質、熱能與機械能及其他形式能量之間相互轉換的規律。

傳熱學：熱量傳遞過程的規律。b)狀態

工程熱力學：研究平衡態； 傳熱學：研究過程和非平衡態 c）時間

工程熱力學：不考慮熱量傳遞過程的時間。傳熱學：時間是重要參數。1.1.4、傳熱學的應用

? 自然界與生產過程到處存在溫差—傳熱很普遍

? 傳熱學在日常生活、生產技術領域中的應用十分廣泛。熱量傳遞中的三類問題 ? 強化傳熱 ? 削弱傳熱 ? 溫度控制 日常生活中的例子

a 人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持22度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？ b 夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？

c 北方寒冷地區，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？

d 冬天，經過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來為什么 感到很暖和？并且經過拍打以后，為什么效果更加明顯？ e 為什么水壺的提把要包上橡膠？

f 不同材質（塑料、金屬）的湯匙放入熱水中，哪個黃油融解更快？ 生產技術領域大量存在傳熱問題 a 航空航天：衛星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器冷卻； b 微電子： 電子芯片冷卻

c 生物醫學：腫瘤高溫熱療；生物芯片；組織與器官的冷凍保存 d 軍 事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存

e 制 冷：跨臨界二氧化碳汽車空調/熱泵；高溫水源熱泵 f 新能源：太陽能；燃料電池 o 很多行業中如何讓熱量有效地傳遞成為解決問題的關鍵 o 大規模集成電路芯片的散熱問題 o 航天飛機的有效冷卻和隔熱 o 材料加工行業的散熱問題 傳熱學的研究方法 ? 實驗測定 ? 理論分析 ? 數值模擬

1.2 熱量傳遞的三種基本方式

熱能傳遞基本方式：導熱（熱傳導）、對流、熱輻射 1.2.1 導熱（熱傳導）概念

定義：物體各部分之間不發生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱導熱。

如：固體與固體之間及固體內部的熱量傳遞。

2、導熱的特點 ? 必須有溫差 ? 物體直接接觸

? 依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量；不發生宏觀的相對位移 ? 沒有能量形式之間的轉化

3、導熱的基本規律 ? 1）傅立葉定律 ? 1822 年，法國物理學家

如圖 1-1 所示的兩個表面分別維持 均勻恒定溫度的平板，是個一維導熱問題。

考察x方向上任意一個厚度為 dx的微元層。

根據傅里葉定律，單位時間內通過該層的導熱熱量與當地的溫度變化率及平板面積A成正比，即

dt????Adx 1-1 式中λ是比例系數，稱為熱導率，又稱導熱系數，負號表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。? 2）熱流量

單位時間內通過某一給定面積的熱量稱為熱流量，記為Φ，單位W。? 3）熱流密度（面積熱流量）單位時間內通過單位面積的熱量稱為熱流密度，記為q，單位 W/㎡。

當物體的溫度僅在 x 方向發生變化時，按傅立葉定律，熱流密度的表達式為:

q?? 4）導熱系數λ

?dt???Adx 1-2 λ表征材料導熱性能優劣的參數，是一種物性參數，單位： W/m·k。

不同材料的導熱系數值不同，即使同一種材料導熱系數值與溫度等因素有關。金屬材料最高，良導電體，也是良導熱體，液體次之，氣體最小。

例題1-1 有三塊分別由純銅（熱導率λ1=398W/(m·K)）、黃銅（熱導率λ2=109W/(m·K)）和碳鋼（熱導率λ3=40W/(m·K)）制成的大平板，厚度都為10mm，兩側表面的溫差都維持為tw1 – tw2 = 50℃不變，試求通過每塊平板的導熱熱流密度。

解：這是通過大平壁的一維穩態導熱問題。

1.2.2 熱對流 1 基本概念

1)熱對流：是指由于流體的宏觀運動，從而使流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。

熱對流僅發生在流體中，流體中有溫差——對流的同時必伴隨有導熱現象。自然界不存在單一的熱對流。

2)對流換熱：流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。、對流換熱的分類

1）根據對流換熱時是否發生相變分 ? 無相變的對流換熱 ? 有相變的對流換熱

沸騰換熱：液體在熱表面上沸騰的對流換熱。

凝結換熱：蒸汽在冷表面上凝結的對流換熱。2）根據引起流動的原因分：自然對流和強制對流。? 自然對流：

由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動。如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動。? 強制對流：

流體的流動是由于水泵、風機或其他壓差作用所造成的。3)根據流動狀態分為：層流和湍流。

3、對流換熱的特點

? 必須有流體的宏觀運動，必須有溫差；

? 對流換熱既有對流，也有導熱；對流換熱不是基本的熱量傳遞方式。

? 流體與壁面必須直接接觸； ? 沒有熱量形式之間的轉化。、對流換熱的基本規律 < 牛頓冷卻公式 > 流體被加熱時： q?h(tw?tf)流體被冷卻時： q?h(tf?tw)如果把溫差（亦稱溫壓）記為Δt，并約定永遠取正值，則牛頓冷卻公式可表示為

q?h?t??Ah?t表面傳熱系數（對流換熱系數）h?Φ(A(tw?t?))W(m2??C)??—— 當流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面面積上、單位時間內所傳遞的熱量

h是表征對流換熱過程強弱的物理量

影響h因素：流動原因、流動狀態、流體物性、有無相變、壁面形狀大小等。

一般地，就介質而言：水的對流換熱比空氣強烈；

就換熱方式而言：有相變的強于無相變的；強制對流強于自然對流。對流換熱研究的基本任務：用理論分析或實驗的方法推出各種場合下表面換熱導數的關系式。

1.2.3、熱輻射

1、基本概念

1）輻射和熱輻射

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因而發出輻射能的現象稱為熱輻射。2）輻射換熱

輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。2.輻射換熱的特點

? 不需要物體直接接觸。可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。

? 在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉換，而且伴隨有能量形式的轉化。

輻射時：輻射體內熱能→輻射能； 吸收時，輻射能→受射體內熱能。? 只要溫度大于零就有能量輻射。

? 物體的輻射能力與其溫度性質有關。這是熱輻射區別于導熱，對流的基本特點。熱輻射的基本規律（斯蒂芬-玻爾茲曼定律）

黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體。或稱絕對黑體。（Black body）

黑體的輻射能力與吸收能力最強，黑體在單位時間內發出的輻射熱量由斯忒潘—玻耳茲曼定律獲得。

??A?T4其中 T ——黑體的熱力學溫度 K ；

1-7

5.67?10-8W/?m2?K4?σ——斯忒潘—玻耳茲曼常數（黑體輻射常數），其值為；

A——輻射表面積 m2。

一切實際物體的輻射能力都小于同溫度下的黑體，實際物體輻射熱流量也可以根據斯忒潘——玻耳茲曼定律求得： ???A?T4其中 Φ ——物體自身向外輻射的熱流量，而不是輻射換熱量； ε ——物體的發射率（黑度），其值總小于1，它與物體的種類及表面狀態有關。

要計算輻射換熱量，必須考慮投到物體上的輻射熱量的吸收過程，即收支平衡量，詳見第9章。

eg：表面積為A1、表面溫度為T1、發射率為ε1的一物體包容在一個很大的表面溫度為T2的空腔內，物體與空腔表面間的輻射換熱量

綜合分析

???1A1?(T14?T24)

1.3 傳熱過程和傳熱系數 1.3.1、傳熱方程式 1、概念

熱量由壁面一側的流體通過壁面傳到 另一側流體中去的過程稱傳熱過程。2、傳熱過程的組成 一般包括串聯的三個環節： ① 熱流體 → 壁面高溫側； ② 壁面高溫側 → 壁面低溫側； ③ 壁面低溫側 → 冷流體。

穩態過程通過串聯環節的熱流量相同。3、傳熱過程的計算

針對穩態的傳熱過程，即 Φ=const 傳熱環節有三種情況，則其熱流量的表達式如下：

??Ah1?tf1?tw1???A?tf1?tw1??Ah1??Ah2?tw2?tf2?

也可以表示成:: ??tw1?tw2??tw1?tw2??A/??tw2?tf2?Ah2A(tf1?tf2)??1?1??h1?h2??Ak(tf1?tf2)?Ak?t式中，k稱為傳熱系數，單位 W/?m2?K?

4、傳熱系數

概念

是指用來表征傳熱過程強烈程度的指標。數值上等于冷熱流體間溫差Δt=1 ℃，傳熱面積A=1m2時熱流量的值。K值越大，則傳熱過程越強，反之，則弱。K的影響因素

①與傳熱過程的兩種流體的種類； ②流速大小、傳熱過程是否有相變。傳熱系數的表達式為: k?

11?1??h125 ?h25、熱阻分析 1）類比方法

? 對各種轉移過程的規律進行分析與比較，充分揭示出相互之間的類同之處，并相互應用各自分析的結論，是研究轉移過程的一種行之有效方法。

? 熱電類比（熱阻分析）是傳熱學常用的研究方法：即將電學中的歐姆定律及電學中電阻的串并聯理論應用于傳熱學熱量傳遞現象的研究。熱路與電路的相似性

2）熱阻

a、熱阻定義：熱轉移過程的阻力稱為熱阻。

b、熱阻分類：不同的熱量轉移有不同的熱阻，其分類較多，如：導熱阻、輻射熱阻、對流熱阻等。對平板導熱而言又分：

面積熱阻RA：單位面積的導熱熱阻。熱阻R：整個平板導熱熱阻。c、熱阻的特點

串聯熱阻疊加原則：在一個串聯的熱量傳遞過程中，若通過各串聯環節的熱流量相同，則串聯過程的總熱阻等于各串聯環節的分熱阻之和。3）導熱熱阻

??t?tq??t?????R?單位面積平壁的導熱熱阻 面積為Ａ的平壁，導熱熱阻 4）對流換熱熱阻

R????m2?KW?(??A)KW?t?t

q??1hRh?t?t

q???1?11Rk1??K h1?1h2tf1-tf2

單位面積的傳熱熱阻：

Rk?1?1??h1?h2k越大，傳熱越好；熱阻越小，傳熱越好

例題1-

3、一房屋的混凝土外墻的厚度為?=200mm，混凝土的熱導率為?=1.5W/(m·K)，冬季室外空氣溫度為tf2=-10℃, 有風天和墻壁之間的表面傳熱系數為h2=20W/(m2·K)，室內空氣溫度為tf1= 25℃,和墻壁之間的表面傳熱系數為h1=5 W/(m2·K)。假設墻壁及兩側的空氣溫度及表面傳熱系數都不隨時間而變化，求單位面積墻壁的散熱損失及內外墻壁面的溫度。

解：由給定條件可知，這是一個穩態傳熱過程。通過墻壁的熱流密度，即單位面積墻壁的散熱損失為

1.4 傳熱學發展簡史

18世紀30年代工業化革命促進了傳熱學的發展 ? 導熱（Heat conduction）

– 鉆炮筒大量發熱的實驗（B.T.Rumford, 1798年）– 兩塊冰摩擦生熱化為水的實驗（H.Davy, 1799年）– 導熱熱量和溫差及壁厚的關系（J.B.Biot, 1804年）– Fourier 導熱定律(J.B.J.Fourier , 1822 年）– G.F.B.Riemann/ H.S.Carslaw/ J.C.Jaeger/ M.Jakob ? 對流換熱（Convection heat transfer）

– 不可壓縮流動方程（M.Navier,1823年)– 流體流動Navier-Stokes基本方程(G.G.Stokes,1845年）

– 雷諾數(O.Reynolds,1880年）– 自然對流的理論解（L.Lorentz, 1881年）

– 管內換熱的理論解（L.Graetz, 1885年；W.Nusselt,1916年）

– 凝結換熱理論解（W.Nusselt, 1916年）

– 強制對流與自然對流無量綱數的原則關系（W.Nusselt,1909年/1915年）

– 流體邊界層概念（L.Prandtl, 1904年）– 熱邊界層概念（E.Pohlhausen, 1921年）

– 湍流計算模型（L.Prandtl,1925年； Th.Von Karman, 1939年；R.C.Martinelli, 1947年）

本章小結：(1)導熱

Fourier 定律：(2)對流換熱

Newton 冷卻公式：(3)熱輻射

Stenfan-Boltzmann 定律：(4)傳熱過程