传热学教学课件

传热学教学课件第一章传热学基础概念传热定义传热方式能量在不同温度物体间的传递过程热传导、对流传热、热辐射研究意义工程设计、能源利用、环境控制什么是传热？传热是由于温度差引起的能量传递过程热能总是自发地从高温区域流向低温区域，直到系统达到热平衡状态传热的三种基本方式热传导对流传热通过物质分子、原子或电子的振动和流体宏观运动携带热量进行传递，伴碰撞传递热量，无宏观物质移动随物质移动热辐射温度与热量的区别温度热量温度是物体冷热程度的度量，反映了物质分子热运动的平均动能热量是能量的一种形式，能从高温物体传递到低温物体•单位摄氏度℃、开尔文K、华氏度℉•单位焦耳J、卡路里cal是状态量，与物体大小无关是过程量，与物体质量有关•分子运动越剧烈，温度越高•传递方向从高温向低温物体热传递的驱动力与阻力驱动力温度差（）阻力介质的热阻（）ΔT R温度差越大，热量传递速率越快热阻与材料性质、厚度直接相关传热过程将持续到温度差消失热阻越大，热量传递速率越慢传热过程可类比为电流传导温度差相当于电压，热流相当于电流，热阻相当于电阻热流量计算公式热传导的微观本质分子尺度的能量传递不同材料的微观差异在固体中，热传导主要通过以下微观机导热性能差异源于微观结构制实现金属自由电子充当热能搬运工原子或分子振动能量的传递非金属固体主要依靠晶格振动传热自由电子的运动携带热能（金属）分子间的碰撞传递动能第二章热传导基础理论本章将介绍热传导的基本理论，包括傅立叶定律、温度场概念以及导热系数的特性这些理论构成了分析各类热传导问题的基础温度场理论傅立叶定律热传导方程傅立叶定律傅立叶定律是热传导理论的基础，描述了热流密度与温度梯度的关系其中q-热流密度，单位W/m²λ-导热系数，单位W/m·KdT/dx-温度梯度，单位K/m负号表示热量从高温流向低温温度场与等温面温度场等温面温度场描述物体内部各点温度的空间分布，可表示为坐标和时间的函等温面是温度相同点组成的曲面，具有以下特性数•热量不在等温面内传递热流方向垂直于等温面•等温面之间的距离反映温度梯度大小温度场分类定常温度场温度不随时间变化非定常温度场温度随时间变化导热系数的影响因素材料种类影响温度影响结构状态影响导热系数大小排序随温度变化规律同种材料不同状态•金属10-400W/m·K纯金属温度升高，λ下降•纯金属合金•非金属固体

0.1-3W/m·K•合金温度影响较小•单晶多晶•液体

0.1-

0.7W/m·K非金属温度升高，λ上升•固体液体气体•气体

0.01-

0.03W/m·K•气体温度升高，λ略有上升•致密材料多孔材料不同材料导热系数对比第三章定态热传导分析定态热传导是指温度分布不随时间变化的传热过程本章将介绍定态条件下平壁和圆筒壁的热传导分析方法，这是工程热分析的重要基础单层平壁导热最基础的一维定态导热模型多层平壁导热复合材料墙体的热阻分析圆筒壁导热管道和圆柱体的热传导多层圆筒壁导热单层平壁的定态导热单层平壁定态导热的特点温度不随时间变化•热流稳定，各截面热流量相等温度沿厚度线性分布热流计算公式单层平壁热阻为其中•Q-热流量，单位W•λ-导热系数，单位W/m·K热流量也可表示为•A-传热面积，单位m²•δ-壁厚，单位m•T₁,T₂-两侧表面温度，单位K或℃多层平壁热传导实际工程中，墙体、保温层等通常由多种材料组成，形成多层复合结构多层平壁热传导特点•各层内温度分布均为线性•层间界面温度连续但温度梯度不连续•稳态条件下各层热流量相等总热阻计算热流量计算圆筒壁定态导热圆筒壁（如管道）的导热与平壁不同，其特点传热面积随半径变化温度分布呈对数关系，非线性•热流密度沿径向递减热流量计算公式圆筒壁热阻为其中•L-圆筒长度，单位m•r₁,r₂-内外半径，单位m•T₁,T₂-内外表面温度，单位K或℃多层圆筒壁导热多层圆筒壁（如保温管道）的导热特点•各层内温度分布均为对数关系•层间界面温度连续•稳态条件下各层径向热流相等总热阻计算热流量计算应用实例钢管保温层热损失计算圆筒壁温度分布曲线温度分布特点实际应用分析圆筒壁中温度沿径向的分布呈对数曲圆筒壁温度分布的对数特性导致线，而非平壁中的线性分布这是由于传热面积随半径增加而增大导致的•内侧附近温度梯度较大•外侧附近温度梯度较小对于圆筒壁，任意半径r处的温度可表示•保温层越靠外，单位厚度的保温效果为越低第四章非定态热传导与热阻非定态热传导是指温度随时间变化的传热过程本章将探讨非定态热传导的基本概念、接触热阻问题以及热阻在工程中的实际应用非定态热传导接触热阻温度随时间变化的传热过程分析界面接触导致的温度跳变现象热阻工程应用非定态热传导简介非定态热传导的特点典型非定态热传导问题温度随时间变化，热量在物体内积累或释放加热过程如金属锭加热、食品烹饪需考虑物体的热容量和密度冷却过程如热处理淬火、冷藏降温•数学描述更复杂，通常需要求解偏微分方程周期性温度变化如建筑物日温度波动非定态热传导方程（一维）其中，a为热扩散系数λ为导热系数，ρ为密度，c为比热容接触热阻实际工程中，两固体表面接触时，由于表面粗接触热阻现象糙度存在微小空隙，导致接触面处产生额外热阻，称为接触热阻接触界面处会出现温度跳变现象，热流通过时产生额外温降影响接触热阻的因素表面粗糙度越粗糙，接触热阻越大接触压力压力越大，接触热阻越小填充介质空气间隙导热差，导热膏可减小工程应用中的解决方案热阻材料硬度较软材料可提高接触面积使用导热硅脂填充空隙温度高温可能导致表面变形，改变接触状增加接触压力提高接触面积态热阻的工程意义保温设计高热阻材料用于隔热保温，减少热损失，如建筑外墙保温、工业设备保温散热设计低热阻路径用于散热，提高热效率，如电子散热器、热交换器设计界面优化导热界面材料用于减小接触热阻，如CPU散热硅脂、热管接触面热阻优化是工程热设计的核心合理设计热阻可以实现节能保温、高效散热和温度控制工程师需要通过热阻分析确定关键热路径，并采取相应措施优化系统热性能第五章传热计算与工程应用本章将介绍传热计算的方法步骤以及传热学在各工程领域的实际应用通过案例分析，帮助理解传热理论如何指导工程实践计算方法案例分析工程应用传热计算步骤123确定边界条件和假设选择合适的传热模型计算热流量和温度分布•几何形状平壁、圆筒壁或其他形状•一维或多维热传导•计算总热阻•边界温度或热流条件•单层或多层结构•计算热流量•稳态或非稳态条件•是否考虑热对流、热辐射•计算各点温度•材料性质导热系数、密度、比热容•是否考虑内热源•计算热损失或保温效率典型案例分析钢管保温层热损失计算已知条件•钢管内径r₁=50mm，外径r₂=60mm•保温层外径r₃=110mm•钢材导热系数λ₁=45W/m·K•保温材料导热系数λ₂=

0.05W/m·K•钢管内表面温度T₁=200℃•环境温度T₃=20℃•管道长度L=10m计算过程

1.钢管热阻R₁=lnr₂/r₁/2πλ₁L=ln60/50/2π×45×10=

1.66×10⁻⁵K/W工程应用领域热交换器设计建筑节能保温优化换热器结构和参数，提高换热效率，降低能耗降低建筑能耗，提高居住舒适度•板式换热器设计•外墙保温系统•管壳式换热器优化•门窗隔热设计•紧凑式换热器开发•屋顶隔热措施电子设备散热冶金与化工过程防止元器件过热，延长使用寿命控制工艺温度，保证产品质量•散热器设计•热处理工艺优化•热管冷却系统•反应器温度控制•微通道散热技术•结晶过程热分析传热学实验演示建议热导率测定实验温度场测量与可视化保温材料性能测试通过测量稳态条件下样品两端温度差和热流量，计算材料导热系数比较不同保温材料的热阻和隔热效果，选择最佳保温方案利用红外热像仪观察复杂几何体的温度分布，验证理论计算结果课堂思考题为什么保温层应穿在衣服的外层？保温层越厚，保温效果是否总是越好？思考在寒冷环境中，保温服（如羽绒服）应该穿在内层还是外层？思考在圆筒壁热传导中，随着保温层厚度增加，热阻增加的规律这与多层壁热传导有何关系？是否存在临界厚度？思考题提示问题一思路保温层内外表面温差很大，如果保温层穿在内层，则人体与保温层外表面接触，这个表面温度较低；如果保温层穿在外层，则人体与保温层内表面接触，这个表面温度较高传热学前沿与发展纳米材料导热性能研究纳米尺度下传热机制与宏观尺度不同，可实现热导率的精确调控•碳纳米管导热应用•纳米流体换热增强•相变纳米复合材料热电材料与能量回收利用温差直接发电，实现废热回收利用•高效热电转换材料•工业废热发电技术•可穿戴热电设备微尺度传热技术微电子与MEMS设备的散热问题与解决方案•微通道散热器•相变微结构散热•微型热管技术课程总结传热学的重要性传热学是能源利用与节能的基础学科，为工程师提供了分析和优化热系统的理论工具通过本课程学习，我们掌握了传热的基本概念温度场、热流、导热系数等三种传热方式热传导、对流传热、热辐射热传导的基本规律傅立叶定律及其应用平壁与圆筒壁的传热计算单层与多层结构持续学习方向非定态传热与热阻分析工程优化方法理论与实践结合，提升工程设计能力是传热学教学的核心目标•跟踪新材料与新技术发展•关注计算流体力学CFD应用•探索多物理场耦合问题•研究可再生能源传热优化谢谢聆听！欢迎提问与讨论传热学理论与应用联系方式课程资源电子邮箱professor@university.edu课件下载办公室工程楼A304实验指导书答疑时间周

二、周四下午2-4点习题解答。