第八章 热量传输的基本概念

1、王连1. 1. 传热学（传热学（Heat TransferHeat Transfer）w (1)(1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法量传递的机理、规律、计算和测试方法w (2) 热量传递过程的推动力：温差热量传递过程的推动力：温差w 热力学第二定律：热量可以自发地由高热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源温热源传给低温热源 有温差就会有传热有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力温差是热量传递的推动力2 传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存

2、在温差 传热很普遍传热很普遍 b b 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：2525度）的空气和水中的感度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？觉不一样。为什么？c c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？温。如何解释其道理？越厚越好？(1) (1) 日常生活中的例子：日常生活中的例子：a a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持冬天都保持2020度，那么在冬天与夏天、人在房间里所度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？穿的衣服能否一

3、样？为什么？(2) (2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题特别是在下列技术领域大量存在传热问题(3) (3) 几个特殊领域中的具体应用几个特殊领域中的具体应用a a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞

4、机动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（核能、航空航天、微机电系统（MEMSMEMS）、新材料、军事）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术科学与技术、生命科学与生物技术b b 微电子：微电子： 电子芯片冷却电子芯片冷却c c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器 官的冷冻保存官的冷冻保存d d 军军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e e 制制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调冷：跨临界二氧化碳汽车空调/ /热泵；高温热

5、泵；高温 水源热泵水源热泵f f 新新 能能 源：太阳能；燃料电池源：太阳能；燃料电池3 3 传热过程的分类传热过程的分类按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类。按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类。第一节 热量传递方式与傅里叶导热定律1 1 导热（热传导）导热（热传导）(Conduction)(Conduction)热量传递的三种基本方式：导热热量传递的三种基本方式：导热( (热传导热传导) )、对流、对流( (热对流热对流) )和和热辐射热辐射。(1)(1)定义：定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分

6、子、原子及自由电子等微观粒间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象子热运动而进行的热量传递现象(3)(3)导热的特点：导热的特点：a a 必须有温差；必须有温差；b b 物体直接接触；物体直接接触；c c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；热量；d d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。中。(4)(4)导热的基本定律：导热的基本定律： 1822年，法国数学家Fourier: W ddxtA2mW ddxtAq上式称为上式称为FourierFourier定律

7、，号称导定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：导热。其中： ：热流量，单位时间传递的热量：热流量，单位时间传递的热量WW；q q：热流密度，单：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；位时间通过单位面积传递的热量；A A：垂直于导热方向的：垂直于导热方向的截面积截面积mm2 2 ； ：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）W/( m K)W/( m K)。图图1-2 1-2 一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热t0 x dxdtQ(6) (6) 一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 如图如图1-31-3所示，稳态所示，稳态 q = const

8、 q = const，于是积分，于是积分FourierFourier定律有：定律有：210 dd21wwttttqtxqww复习：1 传热学的研究内容 (1) 定义 2 传热学与工程热力学的关系 (2) 物质的属性： 3 传热学应用实例 (3) 导热的特点 4 传热过程的分类 (4) 导热的基本定律导热 (5) 导热系数(5) (5) 导热系数导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。类和温度关。气体液体非金属固体金属Q1wt2wtA图图1-3 1-3 导热热阻的图示导热热阻的图示 1wt2wtt0 x dxdtQrt

9、ttqww21RtAttww21rAR 导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻w(7)热扩散率yTcaycTcq)()(ca )/()/()/(022CkgJcsmamkg物体的比热容热扩散率物体的密度例例 题题 1-11-1例题例题 1-1 1-1 一块厚度一块厚度=50 =50 mm mm 的平板，的平板， 两侧表面分别维两侧表面分别维持在持在.100,30021CtCtowow试求下列条件下的热流密度。试求下列条件下的热流密度。(1)(1)材料为铜，材料为铜，=375 =375 w/(mKw/(mK ); );(2)(2)材料为钢，材料为钢， =36=36.4.4 w/(mKw/(mK

10、 ); );(3)(3)材料为铬砖，材料为铬砖， =2.=2.3232 w/(mKw/(mK ) )；(4)(4)材料为铬藻土砖，材料为铬藻土砖， =0.=0.242242 w/(mKw/(mK ) )。解：参见解：参见图图1-31-3。 及一维稳态导热公式有：及一维稳态导热公式有：2321mW1028. 905. 010030032. 2wwttq铬砖：铬砖： 2221mW1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土砖：硅藻土砖：讨论：讨论：由计算可见，由计算可见， 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，别， 导致在相同的条件下通过铜板的导热

11、量比通过硅藻土导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。砖的导热量大三个数量级。 因而，铜是热的良导体，因而，铜是热的良导体， 而而硅藻土砖则起到一定的隔热作用硅藻土砖则起到一定的隔热作用2621mW105 . 105. 0100300375wwttq铜：铜：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq钢：钢：(1)(1)定义定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之流体中（气体或液体）温度不同的各部分之 间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处 传递到另一处的现象。传递到另一处的现象。2 2 对流（

12、热对流）对流（热对流）(Convection)(Convection)(2(2) ) 对流换热对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点： a a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差必须有温差 c c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)(3)对流换热的分类对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流无相

13、变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热有相变：沸腾换热和凝结换热图图1-4 1-4 对流换热中边界层的示意图对流换热中边界层的示意图W )(tthAw2mW )( fwtthAqConvection heattransfer coefficient(4) (4) 对流换热的基本计算公式对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式h 表面传热系数 热流量W，单位时间传递的热量q2mW 热流密度K)(mW2A2m 与流体接触的壁面面积wt C 固体壁表面温度t 流体温度 C 当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1 1度时、每单位壁面面积度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热

14、量上、单位时间内所传递的热量)( ttAhwK)(mW2影响影响h h因素：因素：流速、流体物性、壁面形状大小等流速、流体物性、壁面形状大小等hhrthtqRthAt 1 )(1（Convection heat transfer coefficientConvection heat transfer coefficient）(5) (5) 对流换热系数对流换热系数( (表面传热系数表面传热系数) )hhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrhThermal resistance for convectionThermal resistance for convec

15、tion(6) (6) 对流换热热阻：对流换热热阻： 图图1 16 6辐射换热、辐射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导图图1 18 8 墙壁的散热墙壁的散热(6) (6) 辐射换热的研究方法：辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律而获得真实物体的热辐射规律(7) (7) 黑体的定义：黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的能吸收投入到其

16、表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强黑体的吸收能力最强 (8)(8)黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann Stefan-Boltzmann 定律定律 4TA4Tq，4TA真实物体则为：真实物体则为： （9 9） 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 ( (参见图参见图1 17)7)：)(4241TTA)(424121TTq42T1T2T图图1 17 7 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热41T例例 题题 1-21-2 一根水平放置的蒸汽管道，

17、其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为 ，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式； （2）计算每米长度管道的总散热量。解：解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为lqCtCtfw23,489 . 0)(,fwclttdhthdq)/( 5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW近似地取管道的表面温度为室内空气温度， 于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：)(4241,TTdqrl)/(7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几上几十摄氏度的一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热第二节 温度场、等温面和温度梯度w基本概念 w1. 温度场 物体温度随空间坐标的分布和随时间而变化的规律。 T=f（x，y，z，） w同时，在研究热量传输时，也将研究的对象看成连续介质，认为温度场是连续的，是连续函数。 2、等温面 方向导数： 温度梯度：（取最大值的方向导数） 等温面的