第九章 热量传递基本方式概述(1)

第九章 小结
（1）掌握导热、热对流、热辐射三种热量传递基本 方式的机理及特点； （2）掌握热流量、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 进行相关的计算、分析。
例题
该设两冬温天度室不内变空的气条温件度下为，tf1画，出室下外列空三气种温情度形为下tf2从，室试内在到 室外空气温度分布的示意性曲线：
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:
流体流过物体表面时，流 体与固体壁间的换热。
对流换热特点：
❖ 必须有流体的宏观运动，同时必须存在温差； ❖ 必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流； ❖ 只能发生在流体中； ❖ 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会
1
tf1 tf 2
1
Ah1 A Ah2
tf1 tf 2 Rh1 R Rh2
tf1 tf 2 Rk
式中 Rk Rh1 R Rh2 ，Rk称为传热热阻。
传热热阻网络：
tf1 Rh1 tw1 R tw2 Rh2 tf2
关于传热系数
将传热热流量的计算公式写成
1
tf1 tf 2
1
Ah1 A Ah2
q tw1 tw2
A
傅里叶定律
R
A
A tw1 tw2
tw1 t w2
tw1 tw2 R
A
称为平壁的导热热阻，表示物体对导热
的阻力，单位为K/W 。
欧姆定律
tw1
tw2
热阻网络
二、 热对流
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。
形成速度梯度很大的边界层。
对流换热分类
• 没有相变：自然对流换热 如：暖气 强制对流换热 如：换热器
• 有相变： 液体沸腾 如：液体在热表面上 蒸汽凝结 如：蒸汽在冷表面上
计算公式：
牛顿冷却公式： Φ hAt q ht
h : 比例系数，称表面传热系数或对流换热系数
h : 单位： W / m2 K
不是物性参数
对流换热的基本计算公式： 牛顿冷却公式
Φ hA(tw tf ) W
q h(tw tf ) W/m2
h — 表面传热系数，
对流换热系数 W m2 K
A — 与流体接触的壁面面积 m2
tw —固体壁表面温度 ℃ tf —流体温度 ℃
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、紊流）； （3）流动的成因（自然对流或强迫对流）； （4）物体表面的形状、尺寸；
Ak tf1 tf 2 Akt
k
1
1
1
h1 h2
A tw1 tw2
三种情况，h2不断增大，k
t
tf1 tw1
Φ
t
t1
t1 t2
x
直线越来越陡
tf2
tw2
（1）
（2）
（3） x
例题
同样是25°C的房子，为什么夏天可以穿衬 衫，而冬天却要穿毛衣？
墙壁内侧温度夏天比冬天 高，所以人体向外辐射的能量 冬天比夏天多，而自然对流和 辐射换热处在同一数量级。
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。
9.1 导热
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
例如：大平壁的一维稳态导热
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；
固
高
体
低
温
温
（3）热量从低温流体侧壁面以对流 流
流
体
换热（或对流换热＋辐射换热）的
体
方式传给低温流体。
壁
通过平壁的稳态传热过程
假设： tf1、tf2、h1、h2不随时间变化；为常数。
（1）左侧的对流换热
t
tf1
Φ Ah1(t f 1 tw1)
(t f 1 tw1) 1
(t f 1 tw1)
5了00，0～而2R5o0s0e0没有！
对流换热热阻
= Ah(tw – tf)
tw tf tw tf
1
Rh
Ah
1 Rh Ah
称为对流换热热阻，单位为 W/K。
对流换热热阻网络： tw
Rh
tf
三、 热辐射
辐射： 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐 射。
热辐射： 物体会因为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为热 辐射。
AT 4
T 黑体的热力学温度
斯忒藩-玻尔兹曼常数 5.67 108 W / m2 K 4
小结
（1）导热、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那些传热方式在起 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。
t
tf1 tw1
tf2
tw2
x
双向的。
高温物 体
低温物 体
辐射换热
辐射换热： 物体间靠热辐射进行的热量传递
辐射换热不仅有能 热能 辐发射射能 热能
吸收
量转移,还有能量形
式的变化
发射辐射能是物质的固有属性
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。
计算方法
斯忒藩-玻尔兹曼定律
Ak tf1 tf 2 Akt
式中
k
1
1
1
h1 h2
k 称为传热系数，单位为
W/(m2·K)，t为传热温差。
通过单位面积平壁的热流密度为
冬天，屋顶积雪
q k tf1 tf 2
tf1 tf 2
1 1
有助于房屋保温
h1 h2
利用上述公式, 可以很容易求得通过平壁的热流
量、热流密度q及壁面温度tw1、tw2。
（1）室外平静无风。
（2）室外冷空气以一定流速吹过砖墙表面。
（3）除了室外刮风，还要考虑砖墙与四周环境间的辐
射传热。
tf1 t tw1 h1
t
h2
tf1
tw2
tf2
tf2
0 x
（1）
（2）
（3） x
例题
室内：Φ Ah1(t f 1 tw1) 其中：h1、A、tf1不变
如果：Φ
(t f 1 tw1)
举例
第二节 传热过程简介
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。
传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成
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；
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0.1m至100m之间,包括部分紫外线、可见光和部分 红外线三个波段 。
电磁波谱
热辐射的主要特点
• 依靠电磁波传递能量 • 不需要任何介质 • 温度高于0K,都有发射辐射粒子的能力。 • 物体间以热辐射的方式进行的热量传递是
第九章 热量传递的基本方式概述
本章主要内容及重点
• 传热学的研究方法 • 简要介绍热量传递的基本方式 • 传热过程简介
传热学研究方法
• 传热学的研究方法
1.理论分析：数学分析 求解偏微分方程 解析解（精确解） 是传热学理论分析的主要任务。
2.实验研究：通过实验测定 是传热学的基本研究方法。
3.数值模拟：通过计算机求解 是数值传热学的研究内容，本课程不作介绍。
3.平壁温度不随时间改变；
t
4.热量只沿着垂直于壁面的方向传递。 热流量：单位时间内通过某一给定面积的 tw1
热量。W
A tw1 tw2
tw2
: 材料的热导率（导热系数）：表明
材料的导热能力，W/(m·K)。物性参数 0
x
金属 非金属固体 液ห้องสมุดไป่ตู้ 气体
热流密度 q :单位时间通过单位面积的热流量
Ah1
Rh1
tw1 h1
h2 tw2
tf2
（2）平壁的导热
0 x
A tw1 tw2
tw1
tw 2
A
tw1 tw2 R
通过平壁的稳态传热过程
（3）右侧的对流换热
Ah2 tw2 tf 2
tw2 tf 2 tw2 tf 2
1
Rh2
Ah2
在稳态情况下，以上三式的热流量相同，可得
• 传热学研究中的基本假设
研究物体中温度、密度、速度等物理参数都是空间的连 续函数。
传热学要解决的主要问题
传热学是研究热量传递规律的科学
• 计算传递的热量
增强传热：更好地散热。 削弱传热：更好地隔热。
• 确定物体中各点的温度
确定物体中的温度分布 是传热学研究的一个基本问题
工具： 高等数学
第一节 热量传递的三种基本方式
（5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。
一些对流换热的h数值范围
对流换热类型 空气自然对流换热 水自然对流换热 空气强迫对流换热 水强迫对流换热 水沸腾 水蒸气凝结
表面传热系数 h W /( m2K) 1～10
200～1000 10～100
100～15000 这2就50是0～为3什50么00Jack冻死
热量传递有三种基本方式:
导热（热传导） (thermal conduction)
热对流 (thermal convection)
热辐射 (thermal radiation)。
一、热传导
导热：指温度不同的物体各部分或温度不同 的两物体间直接接触时，依靠分子、原子 及自由电子等微观粒子热运动而进行的热 量传递现象。