传热学20160410

1、传热学传热学化学与材料工程系能源化学工程小组成员：韩骐聪、丁波、陆紫嫣、张婕、蒋昱2022-3-232热量传递基本方式：热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射热传导、热对流、热辐射2022-3-233热量传递基本方式：热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射热传导、热对流、热辐射2022-3-2341 热传导（导热）热传导的定义物质的属性：可以在固体、液体、气体中物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生发生温度不同的物体各部分之间或温度不同的各温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子及自物体之间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传

2、递由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象的现象2022-3-235导热的特点导热的特点必须有温差必须有温差物体直接接触物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量热运动而传递热量不发生宏观的相对位移不发生宏观的相对位移2022-3-2362022-3-237导热机理导热机理气体：气体分子不规则运动时相互碰撞气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果的结果导电固体：自由电子运动导电固体：自由电子运动非导电固体：晶格结构振动非导电固体：晶格结构振动液体：兼有气体和固体导热的机理液体：兼有气体和固体导热的机理2022-3-238导热基本定律傅立

3、叶定律 ：热流量，单位时间传递的热量：热流量，单位时间传递的热量W；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；量；A：垂直于导热方向的截面积：垂直于导热方向的截面积m2； ：导热系数（热导率）导热系数（热导率）W/( m K)。1822年，法国数学家年，法国数学家Fourier：tqAx t1t2 2022-3-239xtq2m/W当温度当温度t沿沿x方向增加时，方向增加时，dt/dx0，q0，说，说明热量沿明热量沿x减小的方向传递；反之，减小的方向传递；反之，dt/dx0，q0，说明热量沿，说明热量沿x增加的方向传递。增加的方向传递。 负号表示热量传

4、递的方向与温度升高的方向负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。相反。2022-3-2310热导率（导热系数）(Thermal conductivity)表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。与材料种类和温度有关。气体液体非金属固体金属;)(398CmW纯铜; )(6.0CmW水）（空气CCmW20 )(026.0tqAx 2022-3-2311 t1t2 大平板稳态导热，由于是一维问题，大平板稳态导热，由于是一维问题，且且 和和q为常量，积分傅立叶定律：为常量，积分傅立叶定律： 210 dd21ttqtxqtttqAx rt

5、ttq21RtAtt212022-3-2312rtttq21RtAtt21温 压热 流 量热 阻这里有必要引入这里有必要引入热阻热阻的概念。热量传递是自的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移过程有一然界中的一种转移过程。各种转移过程有一个共同规律，就是：个共同规律，就是：过程的动力过程中的转移量过程的阻力AR 导热热阻导热热阻r单位导热热阻单位导热热阻2022-3-2313t1t2 Q1t2tA2022-3-23142 热对流若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互

6、掺混而产生的热量传递现象称为体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对热对流。流。若热对流过程使具有质量流量若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度的流体由温度t1处流至温度处流至温度t2处，则此过程传递的热流量为：处，则此过程传递的热流量为： 热对流与对流换热热对流与对流换热 WttGcp )(122022-3-2315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在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的是流体流过一个温度不同的物体表面时引起是流体流过一个温度不同的物体表面时引

7、起的热量传递，这种情况称为的热量传递，这种情况称为对流换热对流换热。ut tw A2022-3-2316当实际流体流过物体表面时，由于当实际流体流过物体表面时，由于粘性作用粘性作用，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只能依能依导热导热的方式进行；离开物体表面，流体的方式进行；离开物体表面，流体有宏观运动，有宏观运动，热对流热对流方式将发生作用。所以，方式将发生作用。所以，对流换热是热对流和导热两种基本传热方式对流换热是热对流和导热两种基本传热方式共同作用的结果共同作用的结果。对流换热的特点对流换热的特点对流换热与热对流不同，既有热对流，也有对流换热与热对

8、流不同，既有热对流，也有导热，导热，2022-3-2317不是基本传热方式，导热与热对流同时存在不是基本传热方式，导热与热对流同时存在的复杂热传递过程的复杂热传递过程必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差也必须有温差对流换热的分类对流换热的分类a)根据流动原因，分为：强制对流换热和自然根据流动原因，分为：强制对流换热和自然对流换热。对流换热。b)是否相变，分为：有相变的对流换热和无相是否相变，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热变的对流换热2022-3-23182022-3-2319 对流换热公式对流换热公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式ut

9、 tw A 热流量热流量WW，单位时间传递的热量，单位时间传递的热量2mWq 热流密度热流密度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Ct 流体温度流体温度W )(tthAw2mW )( fwtthAqC)(mW2 Convection heattransfer coefficient2022-3-2320)( ttAhwK)(mW2 当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1 1度时、每单位度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量壁面面积上、单位时间内所传递的热量h h是表征对流换热过程强弱的物理量是表征对流换热过

10、程强弱的物理量影响影响h因素：因素：流体的物性流体的物性（导热系数、粘度、（导热系数、粘度、密度、比热容等）、密度、比热容等）、流动的形态流动的形态（层流、紊（层流、紊流）、流）、流动的成因流动的成因（自然对流或强制对流）、（自然对流或强制对流）、物体表面的形状、尺寸，换热时有无相变物体表面的形状、尺寸，换热时有无相变（沸腾或凝结）等。（沸腾或凝结）等。2022-3-2321研究对流换热研究对流换热的基本任务就的基本任务就是用理论分析是用理论分析或实验方法得或实验方法得出不同情况下出不同情况下表面传热系数表面传热系数的计算关系式。的计算关系式。Typical values of h2022-3

11、-2322对流热阻对流热阻Thermal resistance for convectionhhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrh2022-3-23233 热辐射热辐射(Thermal radiation)热辐射的定义与特点热辐射的定义与特点定义：定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象能量的现象特点：特点：a)任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0K，就会不停地，就会不停地向周围空间发出热辐射；向周围空间发出热辐射；b)可以在真空中传播；可以在真空中传播；c)伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d)辐射能

12、与温度和波长均有关辐射能与温度和波长均有关2022-3-2324辐射换热的定义与特点辐射换热的定义与特点定义：物体间靠热辐射进行的热量传递定义：物体间靠热辐射进行的热量传递特点：特点：a)不需要介质的存在，在真空中就可以传递不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量；能量；b)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c)无论温度高低，物体都在不停地相互发射无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量电磁波能、相互辐射能量2022-3-23252022-3-2326 斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹

13、曼定律玻尔兹曼定律黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。 或称绝对黑体。或称绝对黑体。（Black bodyBlack body）黑体的辐射能力与吸收能力最强。黑体的辐射能力与吸收能力最强。黑体向外发射的辐射能：黑体向外发射的辐射能：24mW TEb 绝对黑体辐射力绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度）黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数， bET )K(mW105.6742-8 K2022-3-2327实际物体辐射能力：低于同温度黑体实际物体辐射能力：低于同温度黑体24mW TE 实际物体表面的发射

14、率（黑度），实际物体表面的发射率（黑度），01；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。 特殊情况下的两表面辐射换热特殊情况下的两表面辐射换热 41411TTA2022-3-2328T1T2QA)(4241TTA2022-3-23291 传热过程传热过程热量由热流体通过间壁传给冷热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程流体的过程。导热导热对流对流辐射辐射对流对流tkA传热过程通常由导热、热对流、传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成热辐射组合形成k k 为传热系数为传热系数，W/(W/( m m2o2oC)C)。在数值上，传热系。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差数等于冷、热流体间温差=1=1 o oC C、传热面积、传热面积A A1 m1 m2 2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。程度的物理量。2022-3-23302 传热系数的计算传热系数的计算热流体热流体tf1到到tw1：)(111wfttAh111Ahttwftw1到到tw2：1211/ )(wwttA1121Attwwtw2到冷流体：到冷流体：)(222fwttAh222Ahttfw2022-3-233121211111hhrrrhhk单位热阻或面积热阻单位热阻