1、第四章第四章 热量传递的基本理论热量传递的基本理论 三种基本方式三种基本方式陕西科技大学机电学院陕西科技大学机电学院热工基础热工基础研究由研究由温差引起温差引起的热量传递规律的科学。的热量传递规律的科学。热量传递的热量传递的机理、规律、计算机理、规律、计算和和测试测试方法方法热量传递过程的推动力：热量传递过程的推动力：温差温差传热学定义l 传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系 1.相同点：传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即：热量传递始终是从高温物体向低温物体传递；在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒。2.不同点：a）从定义上来看：工程热力学：热能的性质、热
2、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）从时间这个要素来分析：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。c)热力学：研究平衡态；传热学：研究温度分布和非平衡态所以，传热学与工程热力学研究的问题不同。4-1 热量传递的三种基本方式()导热Heat Conduction；对流Convection；热辐射Thermal Radiation。一、热传导(导热)1、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过程；导热是物质固有的本质，无论气体、液体、固体都有导热的本领。必须有温差物体直接接触依靠
3、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导热的特点：热传导(导热)示意图：热流量，单位时间传递的热量Wq：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量W/m2A：垂直于导热方向的截面积m22、基本定律(傅立叶定律)1822年，法国数学家Fourier：度；：沿热流方向的温度梯dxdt；：导热率或导热系数，W/(m.K)dxdtA dxdtAq 热导率（导热系数）：具有单位温度差（具有单位温度差（1 1K K）的单位厚度的物体的单位厚度的物体(1(1m)m)，在它的单位面积上在它的单位面积上(1(1mm2 2)、每单位时间每单位时间(1(1s)s)的导热量的导热量(J)J)
4、热导率热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定。表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定。)/(1dxdtA 二、热对流1.热对流定义定义：由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。流体中有温差流体中有温差 热对流必然同时伴随着热热对流必然同时伴随着热传导，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：对流换热：流体流体与温度不同的与温度不同的固体壁间固体壁间接接触时的热量交换过程。触时的热量交换过程。对流换热的特点：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！导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；必须有
5、直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差。2.分类对流换热对流换热按照不同的原因可分为多种类型：按照不同的原因可分为多种类型：是否相变是否相变，分为：有分为：有相变的对流换热相变的对流换热和和无无相变的对流相变的对流换热换热 流动原因，流动原因，分为：分为：强迫对流换热强迫对流换热和和自然对自然对流换热流换热。流动状态，流动状态，分为：层流分为：层流换热换热和紊流和紊流换热换热。表面液体状态，表面液体状态，分为：沸腾分为：沸腾换热换热和凝结和凝结换热换热。自然对流强制对流3.牛顿冷却公式W )(fwtthAuttwA2mW )(fwtthAq 热流量W，单位时间传递的热量2mWq 热流密
6、度K)(mW2 h 表面传热系数表面传热系数2mA 与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积Cwt 固体壁表面温度固体壁表面温度C流体温度流体温度ft表面传热系数（对流换热系数）:当流体与壁面温度当流体与壁面温度相差相差1 1度度时、每时、每单位壁面单位壁面面积面积上、上、单位时间内单位时间内所传递的热量所传递的热量;h h是是表征对流换热过程强弱表征对流换热过程强弱的物理量的物理量.影响影响h因素：因素：流动原因、流动状态、流体物性、有流动原因、流动状态、流体物性、有无相变、壁面形状大小等。无相变、壁面形状大小等。)(/(fwttAh 对流换热系数的数值范围对流换热系数的数值范围5000-2
7、50005000-25000蒸汽凝结蒸汽凝结2500-350002500-35000沸沸 腾腾水的相变换热水的相变换热1000-150001000-15000水水500-3500500-3500高压水蒸汽高压水蒸汽20-10020-100气气 体体强制对流强制对流200-1000200-1000水水1-1001-100空空 气气自然对流自然对流过过 程程2/()hWmK三、热辐射（Thermal radiation）辐射物体通过电磁波来传递能量的方式。热辐射因热的原因而发出辐射能的现象。物体的物体的温度越高温度越高、辐射能力越强辐射能力越强；若物体的；若物体的种种 类不同、表面状况不同，其辐射
8、能力不同；类不同、表面状况不同，其辐射能力不同；辐射换热：辐射换热：以辐射方式进行的以辐射方式进行的物体间的物体间的热量传递。热量传递。1.定义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在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学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磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给
9、低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总总的结果是热由高温传到低温物体。的结果是热由高温传到低温物体。(热能)(辐射能)(热能)3.斯忒藩-玻尔兹曼定律黑体：黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。体。或称绝对黑体。黑体的辐射能力与吸收或称绝对黑体。黑体的辐射能力与吸收能力最强。能力最强。黑体在单位时间内发出的热辐射热量：黑体在单位时间内发出的热辐射热量：4TA 绝对黑体辐射力绝对黑体辐射力 )K(mW105.6742-8 斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼常数，黑体辐射玻尔兹曼常数，黑体辐射常数常数:黑体表面的绝对温度（
10、热力学温度）黑体表面的绝对温度（热力学温度）KK 辐射表面积，辐射表面积，mm2 2 AT实际物体辐射能力：实际物体辐射能力：低于同温度黑体：低于同温度黑体：4TA 实际物体表面的实际物体表面的发射率（黑度）发射率（黑度）0 01 1；与物体的种类、表面状况和温度有关；与物体的种类、表面状况和温度有关两不同温度间两不同温度间平行平行黑体黑体的辐射的辐射换热量：换热量：4412()ATT 在工程实际问题中在工程实际问题中,物体表面常常是即物体表面常常是即有有对流换热对流换热又有又有辐射换热辐射换热,这种情形称为这种情形称为复合复合换热换热。工程上为了计算方便，这时常将工程上为了计算方便，这时常将
11、辐射辐射换热量折合成对流换热量，即：换热量折合成对流换热量，即：rrh At于是，复合换热的总换热量：于是，复合换热的总换热量：()crcrhA t hA th h A t hA t h hr r 为辐射换热系数。为辐射换热系数。四四.传热过程传热过程传热过程通常由传热过程通常由导热、热对流、导热、热对流、热辐射热辐射组合形成。组合形成。导热导热对流对流辐射辐射对流对流辐射辐射墙壁的散热墙壁的散热 定义：定义：热量热量由壁面一侧的流体由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的通过壁面传到另一侧流体中去的过程。过程。一个实际的传热过程通常由一个实际的传热过程通常由许多环节许多环节组合形成。组合形成。如下图：如下图：还有还有保温瓶、暖气片等的散热保温瓶、暖气片等的散热。本节小结：本节小结：(1)(1)导热导热 Fourier Fourier 定律：定律：(2)(2)对流换热对流换热 Newton Newton 冷却公式：冷却公式：(3)(3)热辐射热辐射 Stenfan-Boltzmann Stenfan-Boltzmann 定律：定律：(4)(4)传热过程传热过程ddtAx Ah t4A T作业：作业：P185 无！无！思考题思考题:P183 2，3，4 完
