第九章 热量传递

第二篇热量的传输

热量的传输即传热，是自然界及许多生产过程中普遍存在的一种极其重要的物理现象。冶金过程离不开化学反应，而几乎所有的化学反应都需要控制在一定的温度下进行，为了维持所要求的温度，物料在进入反应器之前往往需要预热或冷却到一定温度，在过程进行中，由于反应本身需吸收或放出热量，又要及时补充或移走热量。如炼铁过程，为了强化熔炼反应，需将空气预热至1000℃以上；又如炼钢的连铸过程，由于钢水在凝固过程中放出大量的热，结晶器外面需设置冷却水设施，及时移走钢水凝固时释放出来的热量。此外，还有一些过程虽然没有化学反应发生，但需维持在一定的温度下进行，如干燥与结晶、蒸发与热流体的输送等。总之，热量的传递与冶金过程有着密切的联系，可以说，在许多场合，热量的传递对冶金过程起着控制作用。因此，探讨热量传递的本质，研究热量传递的规律，掌握和控制热量传递的速率，对冶金及其他生产领域都具有重要意义。

第九章概论

9.1 研究的对象和目的

热量的传输是研究由于“温度差异”所引起的能量的传递过程为对象的。所谓差异就是矛盾，当物体内部或物体之间的温度出现了差异，或两温度不同的物体相互接触时，就有了相对“热”和“冷”的矛盾双方，这时总会发生热量从温度高的区域向温度低的区域转移的过程。通常将这一过程叫传热过程。虽然在此过程中所传递的热量我们无法看到，但其产生的效应则是可被观察或被测量得到的。一般而言，体积不变的物体得到或失去热量，都将引起其内能的变化，具体的表现为温度的升高或降低，或者发生相的变化。对于自发的传热，将永远使矛盾的双方向自己的反面转化，原温度较高的物体因传走热量而被冷却；原温度较低的物体因得到热量而被加热，随着温差的降低，最终将建立起温度一致的平衡态。若要保持某一部分的温度高于另一部分，就必须从外界向高温区不断的补充被传走的热量，并从低温区不断取走所得到的热量。

热量的传输研究的目的在于研究热量的传递规律，并确定热量传递速率，这也是它与热力学的不同之处。

热力学研究平衡体系，应用热力学，可以预计体系由一个平衡态到另一个平衡态需要多少热量，但无法指出这一变化有多快，因为在变化中体系是不平衡的。为了说明这个问题，考滤水中热钢棒的冷却问题，热力学可以预计钢棒－水这一体系的最终平衡温度，但不能告诉我们需要经过多长时间才能达到这一平衡态，或者到达平衡态的某一时刻，钢棒或水的温度是多少？而应用热量传输就可预计出钢棒和水的温度随时间的变化规律。而后者是以经验定律基础的，故我们说传热学以经验定律（能够确定传热学速率的）补充了热力学第二定律。所谓传热速率即单位时间内传递的热量，即热流量。

工程中的传热问题大致上可以分为两种类型。一类是更有效的增强或减弱传热，例如冶金炉中高温的炉底水管及连铸结晶器的冷却，要增强传热，而在室外的蒸汽管道上敷设隔热

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144 材料是利用绝热以减弱传热。另一类着重于确定温度分布。例如，在知道了物体内的温度分布后可设法采取措施，使温度分布趋于均匀，以减少热应力，或找出高温点，以确定是否超过材料的温度极限。

热量传输的研究方法即可用理论分析，也可用实验研究，此外，还可以用数值解的方法，几种方法是相辅相成的，理论的基础是实践，并在不断的实践中发展。所以，科学技术的进步和生产经验对于加强理论分析，进而更好地解决生产中有关热传递的问题，具有十分重要的意义。

9.2 热量传输的三种方式

热量传输在作为最常见的物理现象之一的同时，也是一种非常复杂的物理现象。研究复杂问题的有效手段是将复杂问题按一定的原则分类，使其分解成多个简单的问题，在获得求解这些简单问题的方法后，原复杂问题的求解就变得容易了。将传热进行分类的一个基本原则是按热量传递的不同机理，即热量以何种方式或何种运动形式进行传递。经过大量归纳总结，人们发现按传热的不同机理，可将传热划分成三种基本传热方式。工程中所遇到的热量的传递现象常常是几种基本方式的组合。研究表明，自然界存在三种基本的热量传递方式是传导传热、对流传热和辐射传热。下面我们将分别对这三种基本的热量传递方式进行简要的分析和讨论。其详细的研究将在以后各章中具体介绍。

9.2.1 传导传热（导热）

当物体内部存在温差（也就是物体内部能量分布不均匀），在物体内部没有宏观位移的情况下，热量会从物体的高温部分传到低温部分；此外，不同温度的物体互相接触时，热量也会在相互没有宏观位移的情况下，从高温物体传递到低温物体。这样一种热量传递的方式被称为传导传热，简称导热。 因此，导热可以归纳为：是借助于物质微观粒子的无序热运动而实现的热量传递过程。导热是物质的本能，或者是物质的固有性质，根据分子运动论，温度是物质的微观运动和激烈程度的衡量，只要物体内部的温度分布不均匀，不同地点的微观粒子的能量就不同， 对气体而言就会通过分子或原子间的彼此碰撞，对于固体则依靠晶格的振动，在固体金属中除了晶格的振动外，还有由于自由电子的扩散而引起的热量的传递。

在导热问题的研究中，毕欧（Boit ）在对图9－1所示的大平壁，平壁的两侧维持均匀不变的温度1w t 和2w t 的导热问题研究中得出

如下结论： 通过垂直于平板方向上的热流量

正比于平板两侧的温度差和平板面积的大小，

而反比于平板的厚度。归纳成数学关系为：

t F x ∆Φλ∆=（9－1）

式中：Φ为单位时间沿x 方向传递的热量，

称为热流量，单位为w ；λ为相应的比例系

数，称为平板材料的热导率（或导热系数）

它是表示物体导热能力大小的物性参数，单

位是()

/w m c ⋅ο；F 为垂直于x 方向的导热

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面积，单位为 m 2；x ∆为平壁的厚度，单位为m ；t ∆为平壁两端的温差，单位为℃。

单位时间，通过单位面积的热量叫热通量（热流密度），用符号q 表示，单位为2/w m ， q 与热流量的关系为：

qF Φ=， 则

2/m w x

t

q ∆∆=λ （9－2） 1822年，傅里叶（Joseph Fourier ）将毕欧得到的热传导关系归纳为 2/m w x t

q ∂∂−=λ （9－3）

式中，x t ∂∂称为温度梯度，负号表示热通量的方向与温度梯度的方向相反。式（9－3）称为傅立叶定律，将在第二章中将对其进行详细的论述。

9.2.2 对流传热（对流换热，对流给热）

9.2.2.1 热对流与对流传热：

流体中温度不同的各部分流体之间，由于发生宏观的相对运动而把热量由一处转移到另一处的传热现象，称为热对流，这是一种借助于流体宏观位移而实现的热量传递过程。实际上流体在进行热对流的同时热量的传导过程也在同时发生。因此，发生在流动介质中的热量传递是导热与热对流的综合过程。如果单位时间内通过单位面积的质量为m 的流体从温度为1t 处流到2t 处，以热对流的方式传递的热量为

12()vC t t F Φρ=− （9－4）

式中，Φ为热对流传递的热量，（w ）；v ρ为质量通量，()

2/kg m s ⋅； C 为比热容，（/J kg c ⋅ο）。

工程中感兴趣的是运动的流体与其所接触的、温度不同的固体壁面之间的传热，这种传热过程称为表面对流传热，简称对流传热，如图9－2所示。显然，对流传热是热对流和导热同时参与的热量传递过程。

9.2.2.2 自然对流传热和强制对流传热：

根据流体是否存在相变，常把对流传热分为有相变和可细分为若干类，例如根据流动的起因 ，无相变的对流

传热可分为强制对流传热和自然对流传热。强制对

流传热时，流体的流动由外力引起，如用水泵泵水

使之流动。自然对流传热则是由于温差造成密度差

产生浮力而使流体流动。如用水壶烧水，在未达到

沸点前壶内的水已经开始上下流动。此时的对流传

热即为自然对流传热，它们的传递规律是不同的。

9.2.2.3 牛顿冷却公式：

无论是哪种类型的对流换热，都用牛顿（Isac Newton ）提出的计算对流换热热流量的基本关系式，常称为牛顿冷却公式，其形式为 t w

Q 图9－2对流换热过程示意图