核电站320教材 传热学基础知识

传热学基础知识

1.2.1 传热的基本方式

热量总是从高温物体传到低温物体，传热学的任务就是研究热传递的规律。热传递的现象很多，但可归纳成三种基本的传热方式，即导热、对流和热辐射。 常用以下两个物理量来表征热传递的强弱：

热流量Q ——单位时间内通过某一传热面的热量，W/s ；

热流密度q ––––单位时间内通过单位面积的热量，W/(m 2∙s) 。

1．导热

热量从物体中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或者从温度较高的物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程称为导热（又称热传导）。

从微观角度来看，气体、液体、固体的导热机理是有所不同的。气体中，导热是气体分子不规则热运动时互相碰撞的结果，气体的温度较高，其分子的运动动能越大，不同能量水平的分子相互碰撞的结果，使热量从高温处传到低温处；液体或固体是通过它们的微观粒子在其平衡位置附近的振动而形成弹性波来传递热能；金属则主要依靠自由电子的扩散作用产生热能传递。传热学研究的范围只是以宏观方法去研究导热过程，通常只使用宏观量把导热过程与物体的温度分布联系起来。

分析一维导热过程的基本公式是傅里叶定律。考察如图1.5所示的平板，假设两个表面均维持均匀温度，对于x 方向上任意位置一个厚度为dx 的微元层，根据傅里叶定律，单位时间通过该层的导热热量与其温度变化率及平板面积F 成正比，即：

dx

dt F Q λ-= 式中，λ为比例系数，称为导热系数（也称热导率），单位W/（m∙℃）。负号表示热量传递的方向同温度升高的方向相反。

图1.5 通过平板的导热

假设λ不随温度变化，将上式积分，可得：

δλt

F Q ∆-=

式中 δ——平板厚度，m ；

∆t ——平板两边的温度差，℃ 。

该式又可表示为：

F t

Q λδ

∆=

把它与电学上的欧姆定律I=R U

相比，可以看出它们在形式上是类似的：传热量Q 对应

于电流强度I ，温差∆t 对应于电压U 。于是F

λδ对应于电阻R ，它表示了热量传递路径的阻力，称为热阻，记为R t 。与串联电路的总电阻计算方法相仿，对于几个环节构成的传热过程（如多层平板导热），总的热阻等于各分热阻之和。

导热系数λ是表征导热性能优劣的参数，不同材料的导热系数值不同，即使是同一材料，导热系数值亦随温度而变。例如纯铜的导热系数为395W/（m∙℃）；碳钢为36.7W/（m∙℃）；空气为0.0259W/（m∙℃）；水为0.0559W/（m∙℃）。一般而言，λ金属＞λ液＞λ气 。

对于更复杂的情况，例如有内热源的三维导热，可以通过分析物体内部某个微元体的热量平衡推导出普遍适用的导热微分方程。稳态工况下导热微分方程的一般形式为：

0='''+∇⋅∇q T λ

式中为释热率，W/m 3。公式左端第一项表示从微元体表面传导出去的热量（差一负号），

第二项表示微元体内产生的热量，因此该式实际上体现了能量守衡的关系。

导热微分方程是

2． 对流和对流换热

对流是指流体各部分之间发生相对位移，从而把热量从一处带到另一处的热传递现象。对流仅能发生在流体中，而且必然伴随有导热现象。工程上常遇到的不是单纯的对流方式，而是流体流过另一固体表面时对流和导热联合起作用的热量传递，称为对流换热。本节重点讨论对流换热。

流体流过固体表面，当流体和固体温度不同时，它们之间必然会发生热量传递。紧贴固体表壁处总有一薄层流体作层流流动，其中垂直于壁面的方向上仅有分子能量的传递，即只存在导热，而层流薄层以外的区域，热量的传递主要依靠对流。

对流换热的基本计算式为牛顿冷却公式：

Q = αF （t w -t f ）

式中 F ——与流体接触的壁面面积，m 2；

α——对流换热系数，W/（m 2∙℃）；

t w ——壁面温度，℃；

t f ——流体平均温度，℃。 由对流换热公式可导出对流热阻F

R t α1=

。 对流换热有多种类型，见表1.3。

表1.3 对流换热的类型

求解对流换热问题，关键是求出对流换热系数α，而它与许多因素有关，一般只能通过实验得出各种特定条件下适用的计算表达式。

影响对流换热的因素有五个方面：

(1) 流体流动的原因

流动分为强迫流动和自然流动两类。凡受外力的推动（如鼓风机或泵）而引起的流体流动，称为强迫流动；原来静止的流体，由于内部温度不平衡，因而流体各部分之间产生密度差，由此引起的流动称为自然流动。强迫流动和自然流动具有不同的换热规律，计算对流换热的方法也有所不同。

(2) 流体的流态

流体的流态分层流和紊流。由于两种流态的机理不同，热传递的规律也随之而异。层流时，热传递主要依靠互不相干的流层之间的导热；紊流时，除紧贴壁面的层流底层外，流体沿壁面法线方向产生对流作用而使热传递增强。

(3) 流体有无相变发生

在某些换热过程中，参与换热的液体因受热（或放热）而发生沸腾（或凝结）。流体有相变的换热过程与无相变的对流换热过程有很大差别。在相变过程中，流体温度基本保持相应压力下的饱和温度而不变，这时液体与壁面间的换热量等于流体吸收或放出的潜热，同时汽液两相的流动情况也不同于单相流动，所以有相变时与无相变时的换热条件大不一样。对同一种液体，有相变时的换热强度要大得多。

(4) 流体的物理性质

不同流体如空气、水和油等，它们的物理性质不同，例如在温度和速度完全相同的水和空气中，物体被加热或冷却的快慢速度相差甚大。这主要是因为水和空气的导热系数λ相差悬殊，以致边界层中的导热热阻不同，从而影响了换热系数α。此外，流体的动力粘度μ和密度ρ通过Re数而反映出流体的流动情况是层流还是紊流，进而影响换热系数α。又如流体的比热C P的大小能确定流体吸放或放热后的温度变化，从而与边界层中的温度梯度有关，当然对换热强度也有影响。

(5) 换热面的几何因素

它包括换热面的形状、大小以及换热面在流体中的相对位置。换热面的形状和大小不同，就会影响流体在换热面附近的流动情况。例如，流体横向绕流圆柱体，尾部产生漩涡现象，流动情况与管内流动就完全不同，这些因素都会影响对流换热规律。

3．热辐射

一切物体都有辐射粒子（光子）的能力，辐射粒子具有的能量称为辐射能。物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象就是热辐射。

自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递，这就是辐射换热。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零，但这是动态平衡，辐射与吸收过程仍在不停地进行。