中科大熱工基礎(chǔ)課件第8章熱量傳遞方式

傳熱學

HeatTransfer6/24/202511-1傳熱學的研究內(nèi)容與方法傳熱學研究對象：由于溫度差所引起的能量傳遞過程，包括有相變和組分混合時伴隨有物質(zhì)遷移（傳質(zhì)）的能量傳遞過程。主要研究內(nèi)容：（1）溫度分布（對流換熱問題還必須涉及速度分布）；（2）熱量傳遞的速率；（3）傳熱的強化與弱化。分析方法：宏觀分析方法（分析對象足夠大）。限于學時，本課程不涉及傳質(zhì)內(nèi)容。6/24/20252高溫熱源吸熱Q1熱機Wnet放熱Q2低溫熱源熱能利用率和傳熱過程密切相關(guān)。

6/24/20253

提高能源利用率，必須掌握熱量傳遞的規(guī)律以及控制和優(yōu)化熱量傳遞過程的方法。

傳熱學的應用非常廣泛，傳熱學知識不僅在能源、電力、冶金、動力機械、石油化工、低溫工程、環(huán)境與建筑等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用，在許多高科技領(lǐng)域都發(fā)揮著極其重要的作用。如：航空航天、電子信息工程、醫(yī)學和生命科學等。傳熱學是現(xiàn)代工程技術(shù)人才必備的技術(shù)基礎(chǔ)知識，是面向21世紀工科各類專業(yè)人才工程素質(zhì)的重要組成部分。6/24/20254第八章

熱量傳遞的基本方式

BasicModesofHeatTransfer6/24/20255

學習傳熱學課程的主要目的

掌握傳熱學的基本概念、基本理論與基本分析計算和實驗研究方法，為后續(xù)專業(yè)課程及研究生課程的學習，為今后研究、處理、解決實際的傳熱工程問題奠定必要的技術(shù)理論基礎(chǔ)。

傳熱學的主要研究方法理論分析數(shù)值模擬實驗研究比擬（類比）法6/24/202568-1

熱量傳遞的基本方式基本方式：熱傳導；對流；熱輻射

熱傳導（導熱）對流換熱輻射換熱6/24/202571.熱傳導（heatconduction）

熱傳導的定義

物體內(nèi)部分之間不發(fā)生宏觀相對位移，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，簡稱導熱。6/24/20258熱傳導的特點

(1)t微觀粒子能量

依靠熱傳導，熱量由高溫傳向低溫；(2)可以發(fā)生在固體和靜止流體中，在運動流體中同樣存在；(3)參與導熱的各部分（或不同物體）應直接接觸。

6/24/20259導熱基本定律：Fourier-Biot定律

Biot(1804)根據(jù)實驗結(jié)果得出；Fourier(1807)在實驗基礎(chǔ)上，加以理論概括；一般稱之為Fourier定律。對如圖所示的大平壁，Biot提出：熱流量

0xt

tw2

tw1

6/24/202510Biot定律指出：

對一位穩(wěn)態(tài)導熱，熱流量

(單位時間傳遞的熱量,W)與平壁表面面積A及兩側(cè)表面的溫差tw1－tw2成正比；與平壁厚度

成反比；與平壁材料的導熱性能

有關(guān)。熱導率

(thermalconductivity)，或稱導熱系數(shù)，W/(m

K)：反映材料的導熱能力,熱導率愈大，材料導熱能力愈強，是物性參數(shù)。6/24/202511

熱流密度q

單位時間通過單位面積的熱量，或單位面積的熱流量，W/m2

以微分形式表示：稱為一維導熱的Fourier定律，其物理意義為：q指向溫度降低方向，與

、dt/dx成正比。注意：這里q的意義與熱力學中不同。6/24/2025122、熱對流與對流換熱熱對流(thermalconvection)

簡稱對流，指由于流體的宏觀運動，致使不同溫度的流體相對位移而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象—流體團塊摻混。只發(fā)生在流體中，伴隨有微觀粒子熱運動產(chǎn)生的導熱。對流換熱(convectiveheattransfer)

流體與固體表面間的換熱，是導熱與熱對流的綜合作用。不屬于基本傳遞方式。6/24/202513對流換熱的特點(1)流體流過固體表面時，粘滯力作用使緊貼物體表面的流體靜止，熱量傳遞只以導熱方式進行；(2)離開固體表面，流體有宏觀運動，熱對流方式將發(fā)生作用；(3)流體與固體表面間的熱量傳遞是導熱和熱對流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。機理：壁面處流體的導熱。6/24/202514對流換熱的分類強迫對流換熱自由對流換熱沸騰換熱凝結(jié)換熱6/24/202515對流換熱的Newton冷卻定律

F=Ah(tw–tf)； q=h(tw–tf)tw

為壁面溫度；

tf

為流體溫度；h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對流換熱系數(shù)，convectiveheattransfercoefficient）

單位:W/(m2

K)orW/(m2

oC)h

影響因素很多，對流換熱的主要研究內(nèi)容之一即確定h。牛頓冷卻定律只構(gòu)造出h的定義式，并未從根本上解決對流換熱的計算。6/24/202516表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素

h的大小反映對流換熱的強弱，與以下因素有關(guān)：

（1）流體的物性（熱導率、粘度、密度、比熱容等）；（2）流體流動的形態(tài)（層流、紊流）；（3）流動的成因（自然對流或受迫對流）；（4）物體表面的形狀、尺寸；（5）換熱時流體有無相變（沸騰或凝結(jié)）。6/24/202517

表1-1一些表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍

對流換熱類型表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

hW/(m2

K)

空氣自然對流換熱1～10

水自然對流換熱50～1000

氣體強迫對流換熱20～100

水強迫對流換熱1000～15000

水沸騰2500～35000

蒸汽凝結(jié)5000～350006/24/2025183.

熱輻射（thermalradiation）

輻射：指物體受某種因素的激發(fā)而向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象輻射現(xiàn)象的兩種理論：電磁理論與量子理論電磁波的數(shù)學描述：

c

—

某介質(zhì)中的光速,

m/s

為真空中的光速;

n為介質(zhì)的折射率。

—

波長,常用

m為單位,1

m=10-6m。

—

頻率,單位

1/s。6/24/202519電磁波的波譜g射線、X射線、紫外線、紅外線：

0.76<

<103

m無線電波：

>103

m

微波：

103<

<106

m可見光：

0.38<

<0.76

m6/24/202520

微波爐就是利用微波加熱食物，因微波可穿透塑料、玻璃和陶瓷制品，但會被食物中水分子吸收，產(chǎn)生內(nèi)熱源，使食品均勻加熱。熱輻射

由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。

理論上熱輻射的波長范圍從零到無窮大，但在日常生活和工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi)，熱輻射的波長主要在0.1

m至100

m之間,包括部分紫外線、可見光和部分紅外線三個波段。

6/24/202521熱輻射的主要特點

（1）所有溫度大于0K的物體都具有發(fā)射熱輻射的能力，溫度愈高，發(fā)射熱輻射的能力愈強。發(fā)射熱輻射時：內(nèi)能輻射能；

（2）所有實際物體都具有吸收熱輻射的能力。吸收熱輻射時：輻射能內(nèi)能；

（3）熱輻射不依靠中間媒介，可以在真空中傳播。

6/24/202522熱輻射的主要特點（4）物體間以熱輻射的方式進行的熱量傳遞是雙向的。（5）在紅外范圍內(nèi)，絕大多數(shù)固體和液體的發(fā)射和吸收均只發(fā)生在表面以下很淺的距離內(nèi)，即僅取決于材料表面的性質(zhì)、特征和溫度，與其內(nèi)部狀況無關(guān)。高溫物體低溫物體熱輻射是熱量傳遞的基本方式之一。6/24/202523黑體輻射的Stefen-Boltzmann定律黑體：亦稱絕對黑體，是具有最大輻射能力和吸收能力的理想物體。注意這里的blackbody一般并不意味著顏色是黑的，只有對可見光，顏色才是重要的。Stefen-Boltzmann定律：A：物體參與輻射的表面積，m2；：

Stefen-Boltzmann常數(shù)，5.6710-8W/m2.K46/24/202524輻射換熱

以熱輻射的方式進行的能量交換。

影響物體之間的輻射換熱量因素物體本身的溫度、輻射特性物體的大小、幾何形狀相對位置6/24/202525實際物體發(fā)射的輻射能

e稱為實際物體的發(fā)射率,也稱為黑度,e<1

。A1<<A26/24/202526討論（1）熱傳導、熱對流和熱輻射三種熱量傳遞基本方式往往不是單獨出現(xiàn)的；

（2）分析傳熱問題時首先應該弄清楚有那些傳熱方式在起作用，然后再按照每一種傳熱方式的規(guī)律進行計算。

（3）如果某一種傳熱方式與其他傳熱方式相比作用非常小，往往可以忽略。

6/24/2025278-2

傳熱過程

傳熱過程：熱量從一側(cè)的流體通過固體壁面?zhèn)鬟f到另一側(cè)流體的過程。

傳熱過程由三個相互串聯(lián)的環(huán)節(jié)組成:高溫流體低溫流體固體壁

（1）熱量從高溫流體以對流換熱（或?qū)α鲹Q熱＋輻射換熱）的方式傳給壁面；

（2）熱量從一側(cè)壁面以導熱的方式傳遞到另一側(cè)壁面；

（3）熱量從低溫流體側(cè)壁面以對流換熱（或?qū)α鲹Q熱＋輻射換熱）的方式傳給低溫流體。6/24/202528通過平壁的穩(wěn)態(tài)傳熱過程假設(shè)：

tf1、tf2、h1、h2不隨時間變化；

為常數(shù)。

（1）左側(cè)的對流換熱

（2）平壁的導熱

tw2

tw1

0

xt

h1

tf1

h2

tf2

6/24/202529（3）右側(cè)的對流換熱在穩(wěn)態(tài)情況下，以上三式的熱流量相同，可得

Rk稱為傳熱熱阻。

6/24/202530

傳熱系數(shù)稱為傳熱系數(shù)(overallheattransfercoefficient),W/m2.K通過平壁的熱流密度6/24/202531

熱阻導熱熱阻：對流換熱熱阻：與電學中歐姆定律比較驅(qū)動勢熱阻電阻6/24/202532

tw1

tw2

tf1

tf2