1-2 热量传递的基本方式
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华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
§1-2 热量传递的基本方式
热量传递基本方式:热传导,热对流, 热量传递基本方式:热传导,热对流,热辐射
热对流
热辐射
热传导
华中科技大学热科学与工程实验室
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u t∞ Φ A tw
[
]
Convection heat transfer coefficient
q — 热流密度 [W m2 ] h — 表面传热系数 A — 与流体接触的壁面面积 [m2 ]
热流量[W] [W], Φ — 热流量[W],单位时间传递的热量
[W (m C)]
2
tw —
固体壁表面温度 [ C]
h是表征对流换热过程强弱的物理量
影响h因素:流体的物性(导热系数,粘度, 影响 因素:流体的物性(导热系数,粘度, 因素 密度, 比热容等) 流动的形态( 层流, 密度 , 比热容等 ) , 流动的形态 ( 层流 , 紊 流动的成因( 自然对流或强制对流) 流 ) , 流动的成因 ( 自然对流或强制对流 ) , 物体表面的形状,尺寸,换热时有无相变 沸腾或凝结) (沸腾或凝结)等.
华中科技大学热科学与工程实验室
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不是基本传热方式, 不是基本传热方式,导热与热对流同时存在 的复杂热传递过程 必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动; 必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动; 也必须有温差 ③对流换热的分类 a)根据流动原因,分为:强制对流换热和自然 根据流动原因, 根据流动原因 分为: 对流换热. 对流换热.
t q = λ x
W / m2
负号表示热量传递的方向与温度升高的方向 相反. 相反.
当温度t沿 方向增加时 方向增加时, 当温度 沿x方向增加时,dt/dx>0,q<0,说 , , 明热量沿x减小的方向传递 反之, 减小的方向传递; 明热量沿 减小的方向传递;反之,dt/dx<0, , q<0,说明热量沿 增加的方向传递. 增加的方向传递. ,说明热量沿x增加的方向传递
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ห้องสมุดไป่ตู้
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③导热的特点 必须有温差 物体直接接触 依靠分子, 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
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导热? 导热? 对流? 对流? 辐射? 辐射?
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1 热传导(导热) 热传导(导热) ①热传导的定义 温度不同的物体各部分之间或温度不同的各 物体之间直接接触时, 依靠分子, 物体之间直接接触时 , 依靠分子 , 原子即自 由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递 的现象 物质的属性:可以在固体,液体, ②物质的属性:可以在固体,液体,气体中 发生
热流密度, 热流密度,单位时间通过单位面积传递的热 量;A:垂直于导热方向的截面积 2];λ: :垂直于导热方向的截面积[m ; 导热系数(热导率) 导热系数(热导率)[W/( m K)]. .
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q =
t1 t 2
δ λ
t = rλ
Φ =
t1 t 2
δ Aλ
t = Rλ
这里有必要引入热阻的概念. 这里有必要引入热阻的概念.热量传递是自 热阻的概念 然界中的一种转移过程.各种转移过程有一 然界中的一种转移过程. 个共同规律,就是: 个共同规律,就是:
过程的动力 过程中的转移量 = 过程的阻力
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④导热机理 气体: 气体 : 气体分子不规则运动时相互碰撞 的结果 导电固体:自由电子运动 导电固体: 非导电固体: 非导电固体:晶格结构振动 液体: 液体:兼有气体和固体导热的机理
u t∞ Φ A tw
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当实际流体流过物体表面时, 由于粘性作用 粘性作用, 当实际流体流过物体表面时 , 由于 粘性作用 , 紧贴物体表面的流体是静止的, 紧贴物体表面的流体是静止的 , 热量传递只 能依导热 的方式进行; 离开物体表面, 导热的方式进行 能依 导热 的方式进行 ; 离开物体表面 , 流体 方式将发生作用. 有宏观运动, 热对流方式将发生作用 所以, 有宏观运动 , 热对流 方式将发生作用 . 所以 , 对流换热是热对流和导热两种基本传热方式 共同作用的结果. ②对流换热的特点 对流换热与热对流不同!!既有热对流 对流换热与热对流不同!!既有热对流,也有 !!既有热对流, 导热, 导热,
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⑤导热基本定律—傅立叶定律 导热基本定律 傅立叶定律 1822年,法国数学家 年 法国数学家Fourier: :
Φ t q = = λ A x
t1 t2
λ δ
Φ:热流量,单位时间传递的热量 热流量,单位时间传递的热量[W];q: ; :
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Conduction in Metals All metals are good conductors of electricity. For a similar reason, they are also good conductors of heat. heat In metals, not only do the atoms vibrate more when heated, but the free electrons charge around more as well. These transfer the energy much faster than just vibrations in bonds.
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Conduction in gas We compare hydrogen (yellow, mass = 2) with oxygen (blue, mass = 32) to the left. As the temperature goes up, the speed of the molecules increases.
Φ t q = = λ A x
q ∫ dx = λ ∫
0
λ
t2
δ
t2
t1
dt q = λ
Φ = t1 t 2
t1 t 2
δ
δ
q =
t1 t 2
δ λ
t = rλ
δ Aλ
t = Rλ
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λ金属 > λ非金属固体 > λ液体 > λ气体
λ纯铜 = 398 W (m C) ; λ水 = 0.6W (m C) ;
λ空气 = 0.026 W (m C) ( C) 20
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⑥ 热流量与热阻 大平板稳态导热,由于是一维问题t, 大平板稳态导热,由于是一维问题, 1 为常量, 且Φ 和q为常量,积分傅立叶定律: 为常量 积分傅立叶定律:
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热导率(导热系数) 热导率(导热系数)(Thermal conductivity)
Φ t q = = λ A x 表征材料导热能力的大小,是一种物性参数, 表征材料导热能力的大小,是一种物性参数, 与材料种类和温度有关. 与材料种类和温度有关.
t∞—
流体温度 [ C]
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h =Φ ( A(tw t∞ ))
[W (m K)]
2
—— 当流体与壁面温度相差1度时,每单位 当流体与壁面温度相差1度时, 壁面面积上, 壁面面积上,单位时间内所传递的热量
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NonConduction in Non-Metals Every atom is physically bonded to its neighbours in some way. If heat energy is supplied to one part of a faster. solid, the atoms vibrate faster. As they vibrate more, the bonds between atoms are more. shaken more. This passes vibrations on to the next atom, and so on: Eventually the energy spreads throughout the solid. The overall temperature has increased.
b)是否相变,分为:有相变的对流换热和无相 是否相变,分为:
变的对流换热
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④ 对流换热公式—牛顿冷却公式 对流换热公式 牛顿冷却公式
Φ= hA(tw t∞ ) [W]
q =Φ A = h(tw t f ) W m2
Φ = Gcp (t2 t1)
[W]
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流体中有温差 — 热对流必然同时伴随着热 传导, 传导,自然界不存在单一的热对流 在日常生活及工程实践中, 在日常生活及工程实践中 , 人们遇到更多的 是流体流过一个温度不同的物体表面时引起 的热量传递,这种情况称为对流换热 对流换热. 的热量传递,这种情况称为对流换热.
2 热对流 ① 热对流与对流换热 若流体有宏观的运动, 且内部存在温差, 若流体有宏观的运动 , 且内部存在温差 , 则 由于流体各部分之间发生相对位移, 由于流体各部分之间发生相对位移 , 冷热流 体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对 体相互掺混而产生的热量传递现象称为 热对 流. 若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度 若热对流过程使具有质量流量 的流体由温度 t1处流至温度 2处,则此过程传递的热流量为: 处流至温度t 则此过程传递的热流量为:
温压 热流量 = 热阻
δ Rλ = Aλ
导热热阻
δ rλ = λ
单位导热热阻
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t1
t1
λ δ t2
Q
t2
δ Aλ
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§1-2 热量传递的基本方式
热量传递基本方式:热传导,热对流, 热量传递基本方式:热传导,热对流,热辐射
热对流
热辐射
热传导
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u t∞ Φ A tw
[
]
Convection heat transfer coefficient
q — 热流密度 [W m2 ] h — 表面传热系数 A — 与流体接触的壁面面积 [m2 ]
热流量[W] [W], Φ — 热流量[W],单位时间传递的热量
[W (m C)]
2
tw —
固体壁表面温度 [ C]
h是表征对流换热过程强弱的物理量
影响h因素:流体的物性(导热系数,粘度, 影响 因素:流体的物性(导热系数,粘度, 因素 密度, 比热容等) 流动的形态( 层流, 密度 , 比热容等 ) , 流动的形态 ( 层流 , 紊 流动的成因( 自然对流或强制对流) 流 ) , 流动的成因 ( 自然对流或强制对流 ) , 物体表面的形状,尺寸,换热时有无相变 沸腾或凝结) (沸腾或凝结)等.
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不是基本传热方式, 不是基本传热方式,导热与热对流同时存在 的复杂热传递过程 必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动; 必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动; 也必须有温差 ③对流换热的分类 a)根据流动原因,分为:强制对流换热和自然 根据流动原因, 根据流动原因 分为: 对流换热. 对流换热.
t q = λ x
W / m2
负号表示热量传递的方向与温度升高的方向 相反. 相反.
当温度t沿 方向增加时 方向增加时, 当温度 沿x方向增加时,dt/dx>0,q<0,说 , , 明热量沿x减小的方向传递 反之, 减小的方向传递; 明热量沿 减小的方向传递;反之,dt/dx<0, , q<0,说明热量沿 增加的方向传递. 增加的方向传递. ,说明热量沿x增加的方向传递
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ห้องสมุดไป่ตู้
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③导热的特点 必须有温差 物体直接接触 依靠分子, 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
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导热? 导热? 对流? 对流? 辐射? 辐射?
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1 热传导(导热) 热传导(导热) ①热传导的定义 温度不同的物体各部分之间或温度不同的各 物体之间直接接触时, 依靠分子, 物体之间直接接触时 , 依靠分子 , 原子即自 由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递 的现象 物质的属性:可以在固体,液体, ②物质的属性:可以在固体,液体,气体中 发生
热流密度, 热流密度,单位时间通过单位面积传递的热 量;A:垂直于导热方向的截面积 2];λ: :垂直于导热方向的截面积[m ; 导热系数(热导率) 导热系数(热导率)[W/( m K)]. .
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q =
t1 t 2
δ λ
t = rλ
Φ =
t1 t 2
δ Aλ
t = Rλ
这里有必要引入热阻的概念. 这里有必要引入热阻的概念.热量传递是自 热阻的概念 然界中的一种转移过程.各种转移过程有一 然界中的一种转移过程. 个共同规律,就是: 个共同规律,就是:
过程的动力 过程中的转移量 = 过程的阻力
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④导热机理 气体: 气体 : 气体分子不规则运动时相互碰撞 的结果 导电固体:自由电子运动 导电固体: 非导电固体: 非导电固体:晶格结构振动 液体: 液体:兼有气体和固体导热的机理
u t∞ Φ A tw
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当实际流体流过物体表面时, 由于粘性作用 粘性作用, 当实际流体流过物体表面时 , 由于 粘性作用 , 紧贴物体表面的流体是静止的, 紧贴物体表面的流体是静止的 , 热量传递只 能依导热 的方式进行; 离开物体表面, 导热的方式进行 能依 导热 的方式进行 ; 离开物体表面 , 流体 方式将发生作用. 有宏观运动, 热对流方式将发生作用 所以, 有宏观运动 , 热对流 方式将发生作用 . 所以 , 对流换热是热对流和导热两种基本传热方式 共同作用的结果. ②对流换热的特点 对流换热与热对流不同!!既有热对流 对流换热与热对流不同!!既有热对流,也有 !!既有热对流, 导热, 导热,
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⑤导热基本定律—傅立叶定律 导热基本定律 傅立叶定律 1822年,法国数学家 年 法国数学家Fourier: :
Φ t q = = λ A x
t1 t2
λ δ
Φ:热流量,单位时间传递的热量 热流量,单位时间传递的热量[W];q: ; :
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Conduction in Metals All metals are good conductors of electricity. For a similar reason, they are also good conductors of heat. heat In metals, not only do the atoms vibrate more when heated, but the free electrons charge around more as well. These transfer the energy much faster than just vibrations in bonds.
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Conduction in gas We compare hydrogen (yellow, mass = 2) with oxygen (blue, mass = 32) to the left. As the temperature goes up, the speed of the molecules increases.
Φ t q = = λ A x
q ∫ dx = λ ∫
0
λ
t2
δ
t2
t1
dt q = λ
Φ = t1 t 2
t1 t 2
δ
δ
q =
t1 t 2
δ λ
t = rλ
δ Aλ
t = Rλ
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λ金属 > λ非金属固体 > λ液体 > λ气体
λ纯铜 = 398 W (m C) ; λ水 = 0.6W (m C) ;
λ空气 = 0.026 W (m C) ( C) 20
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⑥ 热流量与热阻 大平板稳态导热,由于是一维问题t, 大平板稳态导热,由于是一维问题, 1 为常量, 且Φ 和q为常量,积分傅立叶定律: 为常量 积分傅立叶定律:
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热导率(导热系数) 热导率(导热系数)(Thermal conductivity)
Φ t q = = λ A x 表征材料导热能力的大小,是一种物性参数, 表征材料导热能力的大小,是一种物性参数, 与材料种类和温度有关. 与材料种类和温度有关.
t∞—
流体温度 [ C]
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h =Φ ( A(tw t∞ ))
[W (m K)]
2
—— 当流体与壁面温度相差1度时,每单位 当流体与壁面温度相差1度时, 壁面面积上, 壁面面积上,单位时间内所传递的热量
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NonConduction in Non-Metals Every atom is physically bonded to its neighbours in some way. If heat energy is supplied to one part of a faster. solid, the atoms vibrate faster. As they vibrate more, the bonds between atoms are more. shaken more. This passes vibrations on to the next atom, and so on: Eventually the energy spreads throughout the solid. The overall temperature has increased.
b)是否相变,分为:有相变的对流换热和无相 是否相变,分为:
变的对流换热
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④ 对流换热公式—牛顿冷却公式 对流换热公式 牛顿冷却公式
Φ= hA(tw t∞ ) [W]
q =Φ A = h(tw t f ) W m2
Φ = Gcp (t2 t1)
[W]
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流体中有温差 — 热对流必然同时伴随着热 传导, 传导,自然界不存在单一的热对流 在日常生活及工程实践中, 在日常生活及工程实践中 , 人们遇到更多的 是流体流过一个温度不同的物体表面时引起 的热量传递,这种情况称为对流换热 对流换热. 的热量传递,这种情况称为对流换热.
2 热对流 ① 热对流与对流换热 若流体有宏观的运动, 且内部存在温差, 若流体有宏观的运动 , 且内部存在温差 , 则 由于流体各部分之间发生相对位移, 由于流体各部分之间发生相对位移 , 冷热流 体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对 体相互掺混而产生的热量传递现象称为 热对 流. 若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度 若热对流过程使具有质量流量 的流体由温度 t1处流至温度 2处,则此过程传递的热流量为: 处流至温度t 则此过程传递的热流量为:
温压 热流量 = 热阻
δ Rλ = Aλ
导热热阻
δ rλ = λ
单位导热热阻
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t1
t1
λ δ t2
Q
t2
δ Aλ
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