第八章冶金传输原理热量传输

热量传输的基本概念南昌大学机电工程学院王文琴参考书《材料加工冶金传输原理》的“热量传输部分”吴树森编著《冶金传输原理》的“热量传输部分”沈颐身等编著《传热学》杨世铭陶文铨编著《HEATTRANSFER》YanhuiFeng等编著《TransportPhenomena》R.ByronBird编著在下列技术领域大量存在传热问题制冷、建筑、环境、采矿、机械制造、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…§1-1热量传输概述§1-2热量传输的基本方式§1-3传热过程与热阻第一章绪论第一章绪论§1-1热量传输概述一、热量传输研究内容：研究热量传递规律的科学。热量传递过程的推动力：温差(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。有温差就会有传热)（TheSecondLawofhermodynamics）研究目的：一定条件下热量传递的速率。降低传热速率：提高热效率，减少热损失，节能提高传热速率：提高生产率第一章绪论传热学与工程热力学的异同水，M220oC铁块，M1300oC热力学：tm,Q传热学：过程的速率传热方式5.1热量传输的基本方式

传导传热（导热）对流传热（对流）辐射传热（辐射）（1）导热定义：在一连续介质内若有温度差存在，或者两温度不同的物体直接接触时，在物体内没有可见的宏观物体流动时所发生的传热现象。条件：温度差。取决于物体本身的物性。微观机制：物体内部微观粒子的热运动导热物质：固体，液体，气体5.1热量传输的基本概念

导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、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2.导热机理气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。导电固体：自由电子运动。非导电固体：晶格结构的振动。液体：很复杂。3傅里叶定律:1822年，法国数学家Fourierq：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量[W/m2]；平壁的厚度[m]；

：平壁两侧壁温之差热导率(导热系数)Thermalconductivity一维稳态导热傅里叶定律的数学表达式xttw1tw2QQ图1－1通过无限大平板的导热让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅立叶(JeanBaptisteJosephFourier，1768–1830)，法国著名数学家、物理学家，1817年当选为科学院院士，1822年任该院终身秘书，后又任法兰西学院终身秘书和理工科大学校务委员会主席，主要贡献是在研究热的传播时创立了一套数学理论。热导率（导热系数）(Thermalconductivity)λ——具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体(1m)，在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定例题1-1有三块分别由纯铜(热导率λ1=398W/(m·K))、木材(热导率λ2=0.12W/(m·K))和铸铁(热导率λ3=40W/(m·K))制成的大平板，厚度都为10mm，两侧表面的温差都维持为tw1–tw2=50℃不变，试求通过每块平板的导热热流密度。解：根据傅立叶导热公式，对于纯铜板，

对于木板对于铸铁板高炉——铜冷却壁和铸铁冷却壁炒勺——木质手柄二、热对流(convection)与对流换热Heatedairrises,cools,then

falls.

Airnearheateris

replacedbycoolerair,and

thecyclerepeats.

Whatifcoilswereat

thebottom?1.定义与特征热对流：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传递到另一处的现象。

流体中有温差—热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流

对流换热：流体流过与之温度不同的固体壁面时的热量交换。

Convectionheattransfer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.分类对流换热按照不同的原因可分为多种类型

是否相变，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热流动原因，分为：强迫对流换热和自然对流换热。流动状态，分为：层流和紊流。3.牛顿冷却公式（1701）uttwA—热流量[W]，单位时间传递的热量q—热流密度h—表面传热系数A—与流体接触的壁面面积—固体壁表面温度—流体温度Convectionheattransfercoefficient表面传热系数（对流换热系数）（Convectionheattransfercoefficient）——当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量h是表征对流换热过程强弱的物理量影响h因素：流动原因、流动状态、流体物性、有无相变、壁面形状大小等例题1-2

一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为tw=50℃，和温度为20℃的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h=4W/(m2·K)。试问该暖气片相当于多大功率的电暖气?解：暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，Q=Ah(tw–tf)=3m2×4W/(m2·K)×(50-20)K=360W=0.36kW即相当于功率为0.36kW的电暖气。三、热辐射（Thermalradiation）1.定义——物体通过电磁波来传递热量的方式。电磁波：在真空中可以传输30km/s

物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种

类不同、表面状况不同，其辐射能力不同辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递Radiationheattransfer短波辐射长波辐射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物体热力学能电磁波能物体热力学能——无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温3.斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）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。（Blackbody）黑体的辐射能力与吸收能力最强LudwigBoltzmann(1844-1906)committedsuicidebecausehethoughthislife'sworkwasinvain.

黑体向外发射的辐射能：—绝对黑体辐射力—黑体表面的绝对温度（热力学温度）—斯蒂芬-玻尔兹曼常数，

实际物体辐射能力：低于同温度黑体—实际物体表面的发射率（黑度），0~1；与物体的种类、表面状况和温度有关

（Emissivity）对于两个相距很近的黑体表面，由于一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上，那么它们之间的辐射换热量为：T1T2QA三种换热方式机理不同，但在实际过程中通常是两三种热量传输方式同时出现的。热流量Φ：单位时间传递的热量。热通量（热流密度）q：单位时间通过单位面积传递的热量。传热系数K：单位时间、单位面积、温度差为1℃时传递的热量，即单位传热量。传热方程：实践证明，各种传热过程的传热量都和温度差、传热面积A、传热时间成正比。

℃/W

总传热面积上的热阻。