(15)第四章 4.1热量传递的三种基本方式简介

1第二篇传热学

2

第四章热量传递的基本理论

4.1热量传递的三种基本方式简介(thermal conduction)(thermal convection)(thermal radiation)

1.热传导3热传导（简称导热）

在物体内部或相互接触的物体表面之

间，由于分子、原子及自由电子等微观粒

子的热运动而产生的热量传递现象。

导热现象发生在固体内部，也可发生在静止的液体和气体之中。

本书不讨论导热的微观机理，只讨论热量传递的宏观规律。4应用：最简单的导热现象：大平壁的一维稳态导热5特点：1.平壁两表面维持均匀恒定不变温度；2.平壁温度只沿垂直于壁面的方向发生变化；

3.平壁温度不随时间改变；

4.热量只沿着垂直于壁面的

方向传递。

热流量：单位时间传导的热量,W λ:材料的热导率（导热系数）,表明材料的导热能力，W/(m·K)。6热流密度

q :

单位时间通过单位面积的热流量

称为平壁的导热热阻，表示物体对

导热的阻力，单位为K/W 。

Φ

t w1t w2

热阻网络

2.热对流

7热对流: 由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象。热对流只发生在流体之中，并伴随有微观粒子热运动而产生的导热。

对流换热:流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。牛顿冷却公式:Φ= Ah (t w –t f )q = h (t w –t f )8

Φt w t f h 称为对流换热的表面传热系数（习惯称为对流换热系数），单位为W/(m 2⋅K)。对流换热热阻：Φ= Ah (t w –t f )称为对流换热热阻，单位为W/K 。对流换热热阻网络：Φ= Ah (t w –t f )

9表面传热系数的影响因素：h 的大小反映对流换热的强弱，与以下

因素有关：（1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比热容等）；（2）流体流动的形态（层流、湍流）；（3）流动的成因（自然对流或受迫对流）；（4）物体表面的形状、尺寸；（5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。10表1-1一些表面传热系数的数值范围对流换热类型表面传热系数h /[W /(m 2⋅K])空气自然对流换热1～10水自然对流换热100～1 000

空气强迫对流换热10～100

水强迫对流换热100～15 000

水沸腾 2 500～35 000

水蒸气凝结 5 000～25 000

3.热辐射11辐射：指物体受某种因素的激发而向外发射辐射能

的现象

解释辐射现象的两种理论：

电磁理论与量子理论

电磁波的数学描述：

c —某介质中的光速,

m/s 为真空中的光速; n 为介质的折射率。

λ—波长, 常用μm 为单位, 1μm = 10-6m 。ν—频率,单位s －1。式中：电磁波的波谱：γ

射线：

λ<5×10-5μm

X 射线：5×10-7μm <λ<5×10-2μm

紫外线：4×10-3μm <λ<0.38μm 可见光：0.38μm <λ<0.76μm 红外线：0.76μm <λ<103μm

无线电波：λ>103μm

13微波：103μm <λ<106μm 微波炉就是利用微波加热食物，因微波可

穿透塑料、玻璃和陶瓷制品，但会被食物中水分子吸收，产生内热源，使食品均匀加热。热辐射:由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象。理论上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在0.1μm 至100μm 之间,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段。14热辐射的主要特点：（1）所有温度大于0K 的物体都具有发射热辐射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。

发射热辐射时：内热能辐射能；

（2）所有实际物体都具有吸收热辐射的能力，物体吸收热辐射时：辐射能内热能；（3）热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播；（4）物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。高温物体低温物体热辐射是热量传递

的基本方式之一。15辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。辐射换热的主要影响因素：（1）物体本身的温度、表面辐射特性；（2）物体的大小、几何形状及相对位置。注意：（1）热传导、热对流和热辐射三种热量传递基本方式往往不是单独出现的；（2）分析传热问题时首先应该弄清楚有哪些传热方式在起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算。（3）如果某一种传热方式与其他传热方式相比作用非常小，往往可以忽略。 4.传热过程16

传热过程：

指热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁

面传递到另一侧流体的过程。传热过程由三个相互串联的热量传递环节组成:

（1）热量从高温流体以对流换热（或对流换热＋辐射换热）的方式传给壁面；

（2）热量从一侧壁面以导热的方式传递到另一侧壁面；（3）热量从低温流体侧壁面以

对流换热（或对流换热＋辐射换热）的方式传给低温流体。17通过平壁的稳态传热过程假设：t f1、t f2、h 1、h 2不随时间变化；λ为常数。

（1）左侧的对流换热（2）平壁的导热Φt w2t w1δ0 x t Φh 1t f1h 2t

f2

Φ 18

（3）右侧的对流换热

在稳态情况下，以上三式的热流量相同，可得

式中，R k 称为传热热阻。Φ

t w1t w2t f1t f2传热热阻网络：

19传热系数将传热热流量的计算公式写成式中k 称为传热系数，单位为W/(m 2·K)，∆t 为传热温差。通过单位面积平壁的热流密度为利用上述公式,可以很容易求得通过平壁的热流量Φ、热流密度q 及壁面温度t w1、t w2。204.1小结重点掌握以下内容：

（1）热传导、热对流、热辐射三

种热量传递基本方式的机理及特点；

（2）热流量、热流密度、导热系

数、对流换热、表面传热系数、传热

系数、热阻等基本概念；

（3）灵活运用平壁的一维稳态导

热公式、对流换热的牛顿冷却公式、

通过平壁的一维传热过程计算公式进行相关物理量的计算。

•综合作业布置：结合热学发展最新动态，引入工

程实际问题或基础科学问题，通过学校数据库（

web of science

）下载有关该问题近五年的几篇反

映热力学和传热学最新进展的SCI 文献（如

International Journal of Heat and Mass Transfer 等传

热学领域相关期刊杂志）, 认真阅读撰写综合报告

一份（含读书报告：如综述论文翻译成中文并了

解该方向的最新进展；如研究论文明晰研究背景

和创新点，读懂该工作是用了什么方法解决了什

么问题），读懂几篇论文，读透一篇文献，利用

热力学和传热学的基本原理，进行问题分析，提

出解决方案。并将该作业以PPT/Poster 的形式表达

出来，在课程内容结束后展示。

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