第6章传热机理与热流速率方程

1、1 第第 章章 6.1 引言引言6.2 热传导热传导6.3 对流与对流换热对流与对流换热6.4 热辐射热辐射2 传热学传热学是研究热量传递的普遍规律及其工程应用是研究热量传递的普遍规律及其工程应用的一门科学。的一门科学。 只要存在只要存在温度差温度差，热量将自发地从高温物体传向，热量将自发地从高温物体传向低温物体，这是典型的不可逆过程。低温物体，这是典型的不可逆过程。 由于温度差在自然界、工业生产以及日常生活中由于温度差在自然界、工业生产以及日常生活中普遍存在，所以普遍存在，所以热量传递热量传递无疑是世界上存在最普无疑是世界上存在最普遍遍、发生最频繁的物理现象。发生最频繁的物理现象。3我国的经

2、济已经连续我国的经济已经连续 20 20 多年保持高速发展，总量多年保持高速发展，总量已经跻身世界前列。但是我们也为此付出了非常高已经跻身世界前列。但是我们也为此付出了非常高昂的昂的能源、资源和环境能源、资源和环境代价。在各工业产业领域，代价。在各工业产业领域，如能源、冶金、化工、建筑、建材、交通，乃至机如能源、冶金、化工、建筑、建材、交通，乃至机械、轻工等行业中，我国的单位产值能耗比发达国械、轻工等行业中，我国的单位产值能耗比发达国家高得多。家高得多。 为了经济的可持续发展，必须把为了经济的可持续发展，必须把节能节能和和减排减排放在放在首要地位。首要地位。 4传热原理在传统工业领传热原理在传

3、统工业领域中的应用举例：域中的应用举例： 正在吊装的电站锅炉的正在吊装的电站锅炉的尾部换热管束尾部换热管束5 浙江华能玉环电厂浙江华能玉环电厂 我国自制我国自制 的首台超超临界的首台超超临界 1 000 MW 发电机组发电机组6炼钢与轧钢炼钢与轧钢 焦炉出焦焦炉出焦在冶金工业中在冶金工业中7传热原理在高传热原理在高新技术领域中新技术领域中的应用举例：的应用举例：8长征火箭长征火箭 矗立在发射台架上矗立在发射台架上神州号隔热瓦细部神州号隔热瓦细部9航天飞机腹部的隔热瓦航天飞机腹部的隔热瓦10红外技术用于乳腺肿瘤的诊断红外技术用于乳腺肿瘤的诊断11用钻石加工出来的微尺度换热铜板：用钻石加工出来的微

4、尺度换热铜板：厚厚125 m，整体尺寸为，整体尺寸为 25mm25mm电子设备冷却用的小型热管电子设备冷却用的小型热管12 三种基本传热方式三种基本传热方式导热、对流和辐射，有不同的导热、对流和辐射，有不同的传递机理和热流速率方程传递机理和热流速率方程。求解各种传热问题时，必。求解各种传热问题时，必须遵循这些机理和热流方程。须遵循这些机理和热流方程。 能量（热量）守恒定律能量（热量）守恒定律也不可或缺。也不可或缺。 一切传热问题都必须在这两类基本规律的指导下求解。一切传热问题都必须在这两类基本规律的指导下求解。能量守恒定律是贯穿传热学始终的基本规律能量守恒定律是贯穿传热学始终的基本规律。 13

5、 分析物体的传热现象时，必须注意区分所取的研分析物体的传热现象时，必须注意区分所取的研究对象是一个究对象是一个控制容积控制容积还是一个还是一个控制表面控制表面，这两，这两者的能量守恒关系存在原则性的差别。者的能量守恒关系存在原则性的差别。 控制容积的瞬时能量守恒原则是控制容积的瞬时能量守恒原则是 ：进入进入控制容积的热流量控制容积的热流量流出流出控制容积的热控制容积的热流量控制容积中流量控制容积中内热源内热源的瞬时热功率的瞬时热功率 控制容积中控制容积中储热量的增加速率储热量的增加速率 表面不具备蓄热能力表面不具备蓄热能力，针对控制表面的能量守恒，针对控制表面的能量守恒关系中体积蓄热项将不存在

6、（面热源项仍可以存关系中体积蓄热项将不存在（面热源项仍可以存在），即：在），即：如果没有内热源的话，进出热流量将如果没有内热源的话，进出热流量将随时保持相等随时保持相等。14 注意掌握注意掌握正确的学习方法正确的学习方法和和解题思路解题思路。 注重对基本物理概念的理解，学会注重对基本物理概念的理解，学会正确运用正确运用这些这些概念，而不能仅满足于背诵概念的内容。概念，而不能仅满足于背诵概念的内容。 正确的解题步骤正确的解题步骤包括：细致地审题包括：细致地审题；判断问题所判断问题所属的类型属的类型；应该做出哪些合理的假设应该做出哪些合理的假设，以便使问以便使问题得到简化题得到简化，但又不歪曲问题

7、的本质但又不歪曲问题的本质；选用恰当选用恰当的计算公式求解的计算公式求解，并对相关问题进行深入的分析并对相关问题进行深入的分析讨论。讨论。156.2.1 傅里叶定律：导热的热流速率方程傅里叶定律：导热的热流速率方程16 导热导热，也称为，也称为热传导热传导，是指具有较高能级的粒子，是指具有较高能级的粒子向较低能级的粒子传递能量的过程，它是一种建向较低能级的粒子传递能量的过程，它是一种建立在物质微观粒子随机运动基础上的扩散行为。立在物质微观粒子随机运动基础上的扩散行为。 常用术语、概念常用术语、概念 温度场温度场，温度梯度温度梯度，稳态温度场稳态温度场 ，非稳态温度场非稳态温度场 或或 瞬态温度

8、场瞬态温度场 ，一维温度场一维温度场 ，等温面等温面 ，等温线等温线 等等。 等温线（面）的基本性质等温线（面）的基本性质。17 物体内任意点物体内任意点P温度变化率最大的方向位于等温线的法线温度变化率最大的方向位于等温线的法线方向上。称该最大温度变化率为方向上。称该最大温度变化率为温度梯度温度梯度，记做，记做 grad t kjinztytxtnttgrad18 通过大平壁的通过大平壁的热流量热流量（传热速率传热速率）与两侧表面的温度差和传热面积成与两侧表面的温度差和传热面积成正比，而与平壁的厚度成反比正比，而与平壁的厚度成反比 12ttqAAA txtAddxtAqdd 该式称为该式称为

9、傅里叶定律傅里叶定律 。 式中式中：q 为导热的为导热的热流密度热流密度，表示通过单位导热面积的导热热流，表示通过单位导热面积的导热热流量，量，W/m2； 是壁面的是壁面的导热系数导热系数，表明材料导热能力的大小表明材料导热能力的大小，W/(m K)。 式中负号仅用来表示式中负号仅用来表示热量传递的方向永远和温度梯度热量传递的方向永远和温度梯度 dt /dx 的正的正方向相反方向相反。 传热面积传热面积 A 必须与传热方向垂直必须与传热方向垂直，或是传热方向上的投影面积。，或是传热方向上的投影面积。 19Baron Jean Baptiste Joseph Fourier （1768 1830

10、） 20 材料的材料的热物性热物性分分成两大类成两大类：一类一类是是热力学性质热力学性质，指系统所处的平指系统所处的平衡状态参数，如衡状态参数，如密度、比热容等密度、比热容等；另一类是另一类是输运性输运性质质，像导热系数，像导热系数以及动量扩散率以及动量扩散率等。在传热学中等。在传热学中这两类性质均会这两类性质均会用到，后者尤其用到，后者尤其显得重要。显得重要。 21 不同材料的导热系数差别很大，而且物质的纯净程度以及物不同材料的导热系数差别很大，而且物质的纯净程度以及物理状态的变化（密度、温度、压力、含湿量等）有所不同。理状态的变化（密度、温度、压力、含湿量等）有所不同。 保温材料保温材料，

11、或称，或称隔热材料隔热材料 受到特别关注。国家标准规定，平受到特别关注。国家标准规定，平均温度在均温度在350以下时，导热系数不超过以下时，导热系数不超过 0.12 W/(m K) 的才的才称为保温材料。实际应用中一般经常选用导热系数在称为保温材料。实际应用中一般经常选用导热系数在 0.070.03 W/(m K) 。 注意导热系数随温度是变化的，而且必须在允许的温度范围注意导热系数随温度是变化的，而且必须在允许的温度范围内使用。内使用。 航天工程与超低温中的航天工程与超低温中的超级绝热材料表观导热系数超级绝热材料表观导热系数 只有只有（0.10.5）10 4 W/(m K)，且一般具有各向异

12、性的特，且一般具有各向异性的特点。点。 材料导热系数随温度的变化可表示为以下的线性函数材料导热系数随温度的变化可表示为以下的线性函数 ：= 0 （1+bt） 0 代表代表0时材料导热系数的理论值，时材料导热系数的理论值，b 表示导热系数的温表示导热系数的温度变化率。度变化率。22 热扩散率热扩散率，也称为，也称为导温系数导温系数。表示在加热或冷却过程中物。表示在加热或冷却过程中物体内温度趋于均匀一致的能力，单位是体内温度趋于均匀一致的能力，单位是 m2 /s： 在稳态导热问题中在稳态导热问题中 a 不会出现，但在非稳态导热问题中它不会出现，但在非稳态导热问题中它非常重要。非常重要。 ac23

13、热对流热对流 指存在温度差的条件下，伴随流体的宏观移动发生指存在温度差的条件下，伴随流体的宏观移动发生的因冷流体与热流体互相掺混而导致的热量迁移。的因冷流体与热流体互相掺混而导致的热量迁移。 工程上最感兴趣的问题是发生在具有不同温度的运动流体和工程上最感兴趣的问题是发生在具有不同温度的运动流体和与之相接触的各类表面之间的热量传递，称为与之相接触的各类表面之间的热量传递，称为 对流换热对流换热。 对流换热是导热和热对流两种传热方式联合作用的结果对流换热是导热和热对流两种传热方式联合作用的结果。 强迫对流强迫对流 自然对流自然对流 对流换热的对流换热的热流速率方程热流速率方程是是 称为牛顿冷却公式

14、称为牛顿冷却公式. 其中：其中：A是对流换热的表面积；是对流换热的表面积；h 是对流换是对流换热的热的 表面传热系数表面传热系数 (以前称为对流换热系数以前称为对流换热系数) ，W/(m2 K) 。fwtthA24 热辐射热辐射指物质内部因微观粒子的热运动而激发出来的电磁指物质内部因微观粒子的热运动而激发出来的电磁波（或光量子）能量波（或光量子）能量 。 热辐射的波长范围一般在热辐射的波长范围一般在0.1 100 m。 黑体黑体的理想化模型的理想化模型 黑体不仅具有最高发射能力，同时也具有最高的吸收能力，黑体不仅具有最高发射能力，同时也具有最高的吸收能力，它吸收全部外来的它吸收全部外来的投射辐射投射辐射能量。能量。4bbTq 实际物体表面发射热辐射的能力均低于相同温度的黑体。一实际物体表面发射热辐射的能力均低于相同温度的黑体。一般用般用发射率发射率 （亦可称为亦可称为黑度黑度）描述实际物体与黑体热辐射能描述实际物体与黑体热辐射能力的差别。力的差别。 实际物体表面只能吸收外来投射辐射中的一部分实际物体表面只能吸收外来投射辐射中的