无机材料热工基础课件第二章 传热学
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传热学第二章(2)精品PPT课件
t2
tf2
三层平壁的稳态导热
1-8
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
有内热源时的导热
电机绕组线圈和输电线、电缆的冷却，核电站中核燃料元件的释 热，水泥的固化，微波加热食品以及半透热介质对辐射的吸收 等. 特点：通过有内热源物体中各等温面的热流量不再处处保持相等， 而是从绝热面到边界面具有一种累加的效果.
q(x)V x
Heat and Mass Transfer
1-11
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
变导热系数问题
实际工程问题的需要. 材料的导热系数一般随温度呈非线性变化。但只要温度范围不 很大，可以近似视为线性. 通常表示为：
0(1b)t
图2.4 复合平壁导热与等效热网络
• 温度场和热流场很难 继续保持严格的一维;
• 只要并排两种材料的导 热系数相近,仍按一维问 题处理不失为一种合 的假设和简化处理方法.
Heat and Mass Transfer
1-6
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
1-7
10.10.2020
Department of Thermal Energy Engineering
多层、第三类边界条件
q
1 h1
tf1 tf 2
n
i1
i i
1 h2
单位：
W m 2
tf1 h1
t2
t3
h2
tf2
传热系数？
传热学完整课件PPT课件
原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）
的作用。
说明：只研究导热现象的可宏编观辑课规件 律。
18
2 、导热的基本规律
❖ 1 ）傅立叶定律 ❖ （ 1822 年，法国物理学家）
如图 1-1 所示的两个表面分别维持均匀
恒定温度的平板，是个一维导热问题。对于
x方向上任意一个厚度为的微元层来说，根
据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热
可编辑课件
8
b 微电子： 电子芯片冷却
c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存
d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮 存
e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵
f 新能源：太阳能；燃料电池
可编辑课件
9
三、传热学的特点、研究对象及研究方法
1、特点
❖ 1 ）理论性、应用性强
机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热
过程。
可编辑课件
4
二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容 之一，是建环专业必修的专业基础课。是 否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到 后续专业课的学习效果。
2 、传热学在生产技术领域中的应用十分广 泛。如：
(1) 日常生活中的例子：
❖ 3 、研究方法
❖ 研究的是由微观粒子热运动所决定的
宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻
求热量传递的规律，认为研究对象是个连
续体，即各点的温度、密度、速度是坐标
的连续函数，即将微观粒子的微观物理过
程作为宏观现象处理。
可编辑课件
13
由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但 是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方 程），但不能确定物体内温度分布。
传热学第二章--稳态导热精选全文
t
无内热源，λ为常数，并已知平 t1
壁的壁厚为，两个表面温度分别 维持均匀而恒定的温度t1和t2
t2
c t ( t ) Φ x x
d 2t dx2
0
o
x 0,
x ,
t t
t1 t2
x
直接积分，得：
dt dx
c1
t c1x c2
2024/11/6
35
带入边界条件：
c1
t2
t1
c t
1 r2
r 2
r
t r
1
r 2 sin
sin
t
r2
1
sin 2
t
Φ
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6 定解条件 导热微分方程式的理论基础：傅里叶定律+能 量守恒。 它描写物体的温度随时间和空间变化的关系； 没有涉及具体、特定的导热过程。通用表达式。
完整数学描述：导热微分方程 + 单值性条件
4
2 等温面与等温线
①定义
等温面：温度场中同一瞬间同温度各点连成的 面。 等温线：在二维情况下等温面为一等温曲线。
t+Δt t
t-Δt
2024/11/6
5
②特点
t+Δt t
t-Δt
a) 温度不同的等温面或等温线彼此不能相交
b)在连续的温度场中，等温面或等温线不会中
止，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲
它反映了物质微观粒子传递热量的特性。
不同物质的导热性能不同：
固体 液体 气体
金属 非金属
金属 12~418 W (m C) 非金属 0.025 ~ 3W/(mC)
合金 纯金属
传热学第二章1精品PPT课件
沿 z 轴方向导入与导出微元体净热量： ( z)z ( z)z d z q z zd x d y d z
[导入与导出净热量]:
[ 1 ] [ d Q x d Q x d x ] [ d Q y d Q y d y ] [ d Q z d Q z d z ] [1](qx qy qz)dxdydz x y z
水和甘油等强缔合液体，分子量变化，并随温度而变 化。在不同温度下，热导率随温度的变化规律不一样
液体的热导率随压力p的升高而增大
p
3、固体的热导率
(1) 金属的热导率：
金 属 1 2 ~ 4 1 8W (m K )
纯金属的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动 主要依靠前者
金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：
有些天然和人造材料，如：石英、木材、叠层塑料板、叠层 金属板，其导热系数随方向而变化 —— 各向异性材料
各向异性材料中：
qx
xx
t x
xy
t y
xz
t z
qyBiblioteka yxt xyy
t y
yz
t z
qz
zx
t x
zy
t y
zz
t z
三、热导率
q
grad t
— 物质的重要热物性参数
热导率的数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过 单位面积的导热量
第二章 稳态热传导
本章着重讨论稳态导热问题。首先引出导热基本定律的 最一般的数学表达式，然后介绍导热微分方程及相应的初始 与边界条件，他们构成了导热问题的完整的数学描写。在此 基础上，针对几个典型的一维导热问题进行分析求解，以获 得物体中的温度分布和热流量的计算式。
§2-1 导热基本定律
[导入与导出净热量]:
[ 1 ] [ d Q x d Q x d x ] [ d Q y d Q y d y ] [ d Q z d Q z d z ] [1](qx qy qz)dxdydz x y z
水和甘油等强缔合液体，分子量变化，并随温度而变 化。在不同温度下，热导率随温度的变化规律不一样
液体的热导率随压力p的升高而增大
p
3、固体的热导率
(1) 金属的热导率：
金 属 1 2 ~ 4 1 8W (m K )
纯金属的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动 主要依靠前者
金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：
有些天然和人造材料，如：石英、木材、叠层塑料板、叠层 金属板，其导热系数随方向而变化 —— 各向异性材料
各向异性材料中：
qx
xx
t x
xy
t y
xz
t z
qyBiblioteka yxt xyy
t y
yz
t z
qz
zx
t x
zy
t y
zz
t z
三、热导率
q
grad t
— 物质的重要热物性参数
热导率的数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过 单位面积的导热量
第二章 稳态热传导
本章着重讨论稳态导热问题。首先引出导热基本定律的 最一般的数学表达式，然后介绍导热微分方程及相应的初始 与边界条件，他们构成了导热问题的完整的数学描写。在此 基础上，针对几个典型的一维导热问题进行分析求解，以获 得物体中的温度分布和热流量的计算式。
§2-1 导热基本定律
(完整PPT)传热学
(完整PPT)传热学contents •传热学基本概念与原理•导热现象与规律•对流换热原理及应用•辐射换热基础与特性•传热过程数值计算方法•传热学实验技术与设备•传热学在工程领域应用案例目录01传热学基本概念与原理03热辐射通过电磁波传递热量的方式，不需要介质，可在真空中传播。
01热传导物体内部或两个直接接触物体之间的热量传递，由温度梯度驱动。
02热对流流体中由于温度差异引起的热量传递，包括自然对流和强制对流。
热量传递方式传热过程及机理稳态传热系统内的温度分布不随时间变化，热量传递速率保持恒定。
非稳态传热系统内的温度分布随时间变化，热量传递速率也随时间变化。
传热机理包括导热、对流和辐射三种基本传热方式的单独作用或相互耦合作用。
生物医学工程研究生物体内的热量传递和温度调节机制，为医学诊断和治疗提供理论支持。
解决高速飞行时的高温问题，保证航空航天器的安全运行。
机械工程用于优化机械设备的散热设计，提高设备运行效率和可靠性。
能源工程用于提高能源利用效率和开发新能源技术，如太阳能、地热能等。
建筑工程在建筑设计中考虑保温、隔热和通风等因素，提高建筑能效。
传热学应用领域02导热现象与规律导热基本概念及定律导热定义物体内部或物体之间由于温度差异引起的热量传递现象。
热流密度单位时间内通过单位面积的热流量，表示热量传递的强度和方向。
热传导定律描述导热过程中热流密度与温度梯度之间关系的定律，即傅里叶定律。
导热系数影响因素材料性质不同材料的导热系数差异较大，如金属通常具有较高的导热系数，而绝缘材料则具有较低的导热系数。
温度温度对导热系数的影响因材料而异，一般情况下，随着温度的升高，导热系数会增加。
压力对于某些材料，如气体，压力的变化会对导热系数产生显著影响。
稳态与非稳态导热过程稳态导热物体内部各点温度不随时间变化而变化的导热过程。
在稳态导热过程中，热流密度和温度分布保持恒定。
非稳态导热物体内部各点温度随时间变化而变化的导热过程。
热工基础ppt导热
称为该物体在该时刻的温度场。
一般情况下，温度场是空间坐标和时间的 函数。在直角坐标系中，温度场可表示为
t f x, y, z,
北京科技大学能源与环境工程学院
8
1. 导热的基本概念---温度场
非稳态温度场:
温度随时间变化的温度场。其 中的导热称为非稳态导热。
稳态温度场:
温度不随时间变化的温度场。 其中的导热称为稳态导热。
北京科技大学能源与环境工程学院
29
导热微分方程式
根据微元体的热平衡表达式 dU = dQ + dQV可得
c t
x
t x
y
t y
z
t z
Q
内能增量
三个方向净导入热量
内热源项
非稳态项
当热导率为常数时, 导热微分方程式可简化为
t
2t
c
x2
2t y2
2t z2
稳态温度场: t f x, y , z
非稳态
一维温度场 t f x,
二维温度场 t f x, y ,
t 0
稳态
t f x
t f x, y
三维温度场 t f x, y , z , t f x, y , z
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9
1. 导热的基本概念---等温面与等温线
5、一旦温度分布确定，热流密度即可求解（导热 分析的主要任务：求解温度场）
北京科技大学能源与环境工程学院
18
傅里叶定律的适用条件
n
（1）傅里叶定律只适用于各向 同性物体。
qy
y y
qx
q
x
x
（2）傅里叶定律适用于工程技术中的一般稳态和非
一般情况下，温度场是空间坐标和时间的 函数。在直角坐标系中，温度场可表示为
t f x, y, z,
北京科技大学能源与环境工程学院
8
1. 导热的基本概念---温度场
非稳态温度场:
温度随时间变化的温度场。其 中的导热称为非稳态导热。
稳态温度场:
温度不随时间变化的温度场。 其中的导热称为稳态导热。
北京科技大学能源与环境工程学院
29
导热微分方程式
根据微元体的热平衡表达式 dU = dQ + dQV可得
c t
x
t x
y
t y
z
t z
Q
内能增量
三个方向净导入热量
内热源项
非稳态项
当热导率为常数时, 导热微分方程式可简化为
t
2t
c
x2
2t y2
2t z2
稳态温度场: t f x, y , z
非稳态
一维温度场 t f x,
二维温度场 t f x, y ,
t 0
稳态
t f x
t f x, y
三维温度场 t f x, y , z , t f x, y , z
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1. 导热的基本概念---等温面与等温线
5、一旦温度分布确定，热流密度即可求解（导热 分析的主要任务：求解温度场）
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傅里叶定律的适用条件
n
（1）傅里叶定律只适用于各向 同性物体。
qy
y y
qx
q
x
x
（2）傅里叶定律适用于工程技术中的一般稳态和非
《传热学》第二章课件_chapter2
2、导热系数的相对大小和典型数据
金属 非金属; 固相 液相 气相
在常温（20℃）条件下
纯铜： 399 W (m K)
碳钢： 36.7 W/ (m K)
水： 0.599 W (m K)
空气： 0.0259 W (m K)
传热学 Heat Transfer
传热学 Heat Transfer
沿x 轴方向导入与导出微元体净热量
Φx Φx dx
同理可得：
t dxdydz x x
t dxdydz y y
沿 y 轴方向导入与导出微元体净热量
Φy Φy dy
0
δ
x
传热学 Heat Transfer
3. 一块厚度为 的平板，平板内有均匀的内热源， ，平板一侧绝热，平板另一侧与温 热源强度为 度为tf 的流体对流换热，且表面传热系数为h。
传热学 Heat Transfer
4. 已知一单层圆筒壁的内、外半径分别为 r1、r2，
导热系数为常量，无内热源，内、外壁面维持均
匀恒定的温度tw1，tw2 。
3.对各向异性材料必须做一定的修改；
4.当导热发生的过程时间极短或空间尺度极小时，
傅里叶定律不在适合。
传热学 Heat Transfer
2-2 导热问题的数学描写
作用：导热微分方程式及定解条件是对导热体的 数学描述，是理论求解导热体温度分布的基础。
t f ( x, y, z, )
理论：导热微分方程式建立的基础是： 热力学第一定律+傅里叶定律 方法：对导热体内任意的一个微小单元进行分析， 依据能量守恒关系，建立该处温度与其它变量之间 的关系式。
无机材料热工基础-第二章传热学
2021/3/18
22
圆筒壁导热
圆筒壁导热热流量因传热面积不同而发生 变化，但热流量Q是一个不变的常量，所以 对圆筒壁导热 只计算热流量。
QqF Fd t 2rldt
dr
dr
Q t1 t2 1 ln r2
2 r1
2021/3/18
23
简化
当r2/r1≤2时，面积常用算术平均值代替对数 平均值，
2021/3/18
20
讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热 系数的巨大差别，导致在相同的条件下通 过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量 大三个数量级。因而，铜是热的良导体， 而硅藻土砖则起到一定的隔热作用。
2021/3/18
21
例2
教材P30例2-1
设有一窑墙，用黏土砖和红砖两种材料砌成， 厚 度 均 为 230mm ， 窑 墙 内 表 面 温 度 为 1200℃，外表面温度为100℃，红砖允许使 用温度为800℃，求每平方窑墙热损失及红 砖在此条件下能否使用。（采用逐次逼近 法）
2021/3/18
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解：平壁的一维稳定导热：
qt1t2 t1t2
x2x1
q铜 375 300100 1.50105 w/ m2 0.05
q钢 36.4 300100 1.46105 w/ m2 0.05
q铬砖 2.32 300100 9.28103 w/ m2 0.05
q铬藻土砖 0.242 300100 9.68102 w/ m2 0.05
当辐射能投射到另一物体时便会部分或全部 地被吸收，以重新变为热能。
2021/3/18
10
综合传热
定义：在实际生产和生活中，上述三种传热 基本方式往往不是单独进行的，多数情况 是两种或三种基本传热方式同时存在，而 在某种条件下，以某种传热方式为主。
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第二章 传热学 （4学时）
吴鹏 龙岩学院
2.1 基本概念 2.2 导热 2.3 对流传热 2.4 辐射传热 2.5 综合传热
目录
2.1 基本概念
传热学（Heat transfer） 研究由温差引起的热量传递规律的一门科学 热量传递的机理、规律、计算和测试方法 在无机材料工业热工过程中涉及的传热问题
A R D 1
黑体：A=1，全吸收 白体：R=1，全反射 透热体：D=1，全透过 大多数的固体和液体：D=0，A+R=1 气体：R=0，A+D=1
辐射力
辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向 半球空间发射的所有波长的能量总和。
单色辐射力Eλ：单位时间内，单位波长范围 内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积 向半球空间发射的能量。
圆筒壁导热
圆筒壁导热热流量因传热面积不同而发生 变化，但热流量Q是一个不变的常量，所以 对圆筒壁导热 只计算热流量。
Q qF F dt 2rl dt
dr
dr
Q t1 t2 1 ln r2
2 r1
简化
当r2/r1≤2时，面积常用算术平均值代替对数 平均值，
Fm=(F1+F2)/2=2πl(r1+r2)/2= πl(r1+r2) 可以简化成
吸收率：物体对投射辐射所吸收的百分数， 通常用A表示。
A
0 AG d
0 G d
一般而言，实际物体的单色吸收率与投射辐 射的波长有关。为了简单化，定义：
灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰 体。即，不管投入辐射的分布如何，吸收 率A都是同一个常数。
有关辐射的几个概念
本身辐射—物体向外辐射的能量 投射辐射—其它物体投射到物体的辐射能量 反射辐射—物体反射的部分投射辐射能量 有效辐射—物体的本身辐射加上反射辐射
主要有两大类： ①如何增强传热，如各种换热设备中的传热。 ②如何减弱传热，如设备和管道的保温。
传热学与热力学的关系
传热学的基本任务：求解温度分布和计算热 量传递的速率
传热方式
导热、对流、辐射
导热
定义：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。
可以在固体、液体、气体中发生。
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 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体 中
对流换热
定义：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。
典型的对流换热：流体与固体壁间的换热。
q dt
dx
当导热系数不随温度而变时，δ为平壁厚度
x2
x2
q dx dt
x1
x1
q t1 t2 t1 t2
x2 x1
当导热系数随温度而变时，λ为平均温度时的 导热系数。
多层平壁的导热
q1
1
t1 t
1
2
q2
2
t2 t3
2
1
2
3
稳态q：3 q1=3 qt32=3qt43
t f (x, y, z,)
稳态温度场 t f (x,y,z)
不稳态温度场 t f (x,y,z,)
温度梯度
在温度场中，温度在空间上改变的大小程
度，用grad t表示。它是在等温面法线方向
ｎ上单位长度的温度增量，它是一个矢量,
指向温度增大的方向。
n
grad t lim t t n0 n n
Q
t1
t2
Fm
多层圆筒壁的导热
Q
t1 t4
1 ln r2 1 ln r3 1 ln r4
21 r1 2 2 r2 23 r3
例
教材P31例2-2
2.3 对流传热
温度边界层：当流体流过壁面被加热或冷却 时，会引起沿壁面法线方向上温度分布的 变化，形成一定的温度梯度。靠近壁面处 流体温度有显著的变化（或存在温度梯度） 的区域称为温度边界层或传热边界层。
①Planck定律
黑体单色辐射力与波长和温度的关系。
E0
c15
ec2 (T ) 1
λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.743×10-16 Wm2 c2—第二辐射常数，1.4387×10-2 WK；
由此可得的关系
①某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大； ②在某一温度下，其辐射辐射能力随波长而变化：
热辐射的特点
①任何物体，只要温度高于0K，就会不停地 向周围空间发出热辐射。
②伴随能量形式的转变。 ③热射线的传播具有与光同样特性，不需要
传热介质。
物体对热辐射的吸收、反射和穿透
当热辐射投射到物体表面上时，一般会发 生三种现象，即吸收、反射和穿透。
Q QA QR QD
QA QR QD 1 QQQ
E
E0
可得实际物体辐射力E：
E
c0
( T )4 100
实际固液体的吸收特性
当外界的辐射投入到物体表面上时，该物 体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？
Semi-transparent medium
几个概念
单色吸收率：物体对某种波长辐射能的吸收 率称为单色吸收率，用Aλ表示。
投射辐射：单位时间内，外界投射到单位表 面积上的总辐射能，用G表示。Gλ表示波长 为λ的单色投射辐射。
表示自然对流体对流传热的 影响
无相变时流体在管内强制对流
Nu=0.023Re0.8Prn 指数n与热流方向有关：当流体被加热时，
n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。 教材P34例2-3
2.4 辐射传热
2.4.1辐射传热的基本概念
辐射 物体以电磁波的方式向外传递能量的过程
热辐射 由于热的原因而发生的辐射 取决于温度 热射线 能被物体吸收并转变成热能的部分电磁波 辐射传热 物体之间相互辐射和吸收热过程的总效果
λ=λ0(1+bt) λ：固体在温度为t℃时的导热系数，W/m·℃； λ0：固体在0℃时的导热系数，W/m·℃； b：温度系数。（可查表附录V）
在计算时，取物体的算术平均温度，并把 它当成常数。
平壁的一维稳定导热
单层平壁：平壁的长和宽远远大于壁厚，
且两侧壁面温度保持t1和t2，则热量只沿x方
向传导，为一维温度场。
( Tg 100
)
f (Tg PH2Olg )
直接查图。
烟气的黑度 ： g CO2 H2O
分压修正系数， 气体相互吸收修正系数
气体的吸收率
气体的吸收率不仅和本身温度有关，而且 还与投射在气体上的辐射能的光谱有关， 这又与固体壁的温度有关。当气体温度
Tg=Tw
Kirchhoff 定律可得： A
Nu
l
准数的符号及意义
准数名称 努塞尔特数
雷诺数
普朗特数 格拉晓夫数
符号
Nu l
Re lv
Pr cp
Gr
gtl3 2 2
意义
Nu=α/（λ/l），反映和纯导热 相比，对流使传热系数增大
的倍数
Re是流体所受惯性力和粘性 力之比，表征流体的流动状 态和湍动程度对对流传热的
影响
表示流体物性对对流传热的 影响
速度边界层：壁面附近具有明显速度变化的 流体薄层。
牛顿冷却定律
牛顿冷却定律
Q (tw t f )F
tf：流体温度 tw：壁面温度 α：对流换热系数 表示：每单位壁面面积上、单位时间内当流
体与壁面温度相差1℃时所传递的热量。
对流换热系数
对流换热系数是流体的流速、流体的物理性 质以及传热表面的形状、尺寸等的复杂函 数，根据努塞尔特数，对流换热系数可以 写成：
热流的方向与温度梯度方向相反
2.2 导热
傅立叶定律：在热传导时，其传热速率与温 度梯度及传热面积成正比。
q Q t
F n
q：热流密度，W/ m2
Q：热流量，W
F：等温面的面积，m2
t n
：温度梯度，℃/m
λ：比例系数，称为导热系数，W/（m·℃）
导热系数
导热系数表征物质导热能力的大小，是物 质的物理性质之一。大多数均质的固体材 料，其导热系数与温度近似成直线关系：
气体的黑度
气体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比
g
Eg E0
Eg g E0
实验表明，气体的辐射与固体辐射相差很大：
其中l 为气体层的厚度，或称射线行程长度。
E H 2O
4.07
(
P 0.8 H 2O
l
0.6 g
)( Tg 100
)
3
ECO2
4.07(PCO2 lg
)1/ 3
( Tg 100
) 3.5
讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热 系数的巨大差别，导致在相同的条件下通 过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量 大三个数量级。因而，铜是热的良导体， 而硅藻土砖则起到一定的隔热作用。
例2
教材P30例2-1
设有一窑墙，用黏土砖和红砖两种材料砌成， 厚 度 均 为 230mm ， 窑 墙 内 表 面 温 度 为 1200℃，外表面温度为100℃，红砖允许使 用温度为800℃，求每平方窑墙热损失及红 砖在此条件下能否使用。（采用逐次逼近 法）
自然对流(natural convection)：若流体的运动 是由于流体内部冷、热部分的密度不同而 引起的。
强制对流(forced convection)：若流体的运动 是由于受到外力的作用(如风机、水泵或其 它外界压力等)所引起。
辐射
定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐 射能量的现象；物体都具有辐射能力。
吴鹏 龙岩学院
2.1 基本概念 2.2 导热 2.3 对流传热 2.4 辐射传热 2.5 综合传热
目录
2.1 基本概念
传热学（Heat transfer） 研究由温差引起的热量传递规律的一门科学 热量传递的机理、规律、计算和测试方法 在无机材料工业热工过程中涉及的传热问题
A R D 1
黑体：A=1，全吸收 白体：R=1，全反射 透热体：D=1，全透过 大多数的固体和液体：D=0，A+R=1 气体：R=0，A+D=1
辐射力
辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向 半球空间发射的所有波长的能量总和。
单色辐射力Eλ：单位时间内，单位波长范围 内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积 向半球空间发射的能量。
圆筒壁导热
圆筒壁导热热流量因传热面积不同而发生 变化，但热流量Q是一个不变的常量，所以 对圆筒壁导热 只计算热流量。
Q qF F dt 2rl dt
dr
dr
Q t1 t2 1 ln r2
2 r1
简化
当r2/r1≤2时，面积常用算术平均值代替对数 平均值，
Fm=(F1+F2)/2=2πl(r1+r2)/2= πl(r1+r2) 可以简化成
吸收率：物体对投射辐射所吸收的百分数， 通常用A表示。
A
0 AG d
0 G d
一般而言，实际物体的单色吸收率与投射辐 射的波长有关。为了简单化，定义：
灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰 体。即，不管投入辐射的分布如何，吸收 率A都是同一个常数。
有关辐射的几个概念
本身辐射—物体向外辐射的能量 投射辐射—其它物体投射到物体的辐射能量 反射辐射—物体反射的部分投射辐射能量 有效辐射—物体的本身辐射加上反射辐射
主要有两大类： ①如何增强传热，如各种换热设备中的传热。 ②如何减弱传热，如设备和管道的保温。
传热学与热力学的关系
传热学的基本任务：求解温度分布和计算热 量传递的速率
传热方式
导热、对流、辐射
导热
定义：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。
可以在固体、液体、气体中发生。
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 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体 中
对流换热
定义：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。
典型的对流换热：流体与固体壁间的换热。
q dt
dx
当导热系数不随温度而变时，δ为平壁厚度
x2
x2
q dx dt
x1
x1
q t1 t2 t1 t2
x2 x1
当导热系数随温度而变时，λ为平均温度时的 导热系数。
多层平壁的导热
q1
1
t1 t
1
2
q2
2
t2 t3
2
1
2
3
稳态q：3 q1=3 qt32=3qt43
t f (x, y, z,)
稳态温度场 t f (x,y,z)
不稳态温度场 t f (x,y,z,)
温度梯度
在温度场中，温度在空间上改变的大小程
度，用grad t表示。它是在等温面法线方向
ｎ上单位长度的温度增量，它是一个矢量,
指向温度增大的方向。
n
grad t lim t t n0 n n
Q
t1
t2
Fm
多层圆筒壁的导热
Q
t1 t4
1 ln r2 1 ln r3 1 ln r4
21 r1 2 2 r2 23 r3
例
教材P31例2-2
2.3 对流传热
温度边界层：当流体流过壁面被加热或冷却 时，会引起沿壁面法线方向上温度分布的 变化，形成一定的温度梯度。靠近壁面处 流体温度有显著的变化（或存在温度梯度） 的区域称为温度边界层或传热边界层。
①Planck定律
黑体单色辐射力与波长和温度的关系。
E0
c15
ec2 (T ) 1
λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.743×10-16 Wm2 c2—第二辐射常数，1.4387×10-2 WK；
由此可得的关系
①某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大； ②在某一温度下，其辐射辐射能力随波长而变化：
热辐射的特点
①任何物体，只要温度高于0K，就会不停地 向周围空间发出热辐射。
②伴随能量形式的转变。 ③热射线的传播具有与光同样特性，不需要
传热介质。
物体对热辐射的吸收、反射和穿透
当热辐射投射到物体表面上时，一般会发 生三种现象，即吸收、反射和穿透。
Q QA QR QD
QA QR QD 1 QQQ
E
E0
可得实际物体辐射力E：
E
c0
( T )4 100
实际固液体的吸收特性
当外界的辐射投入到物体表面上时，该物 体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？
Semi-transparent medium
几个概念
单色吸收率：物体对某种波长辐射能的吸收 率称为单色吸收率，用Aλ表示。
投射辐射：单位时间内，外界投射到单位表 面积上的总辐射能，用G表示。Gλ表示波长 为λ的单色投射辐射。
表示自然对流体对流传热的 影响
无相变时流体在管内强制对流
Nu=0.023Re0.8Prn 指数n与热流方向有关：当流体被加热时，
n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。 教材P34例2-3
2.4 辐射传热
2.4.1辐射传热的基本概念
辐射 物体以电磁波的方式向外传递能量的过程
热辐射 由于热的原因而发生的辐射 取决于温度 热射线 能被物体吸收并转变成热能的部分电磁波 辐射传热 物体之间相互辐射和吸收热过程的总效果
λ=λ0(1+bt) λ：固体在温度为t℃时的导热系数，W/m·℃； λ0：固体在0℃时的导热系数，W/m·℃； b：温度系数。（可查表附录V）
在计算时，取物体的算术平均温度，并把 它当成常数。
平壁的一维稳定导热
单层平壁：平壁的长和宽远远大于壁厚，
且两侧壁面温度保持t1和t2，则热量只沿x方
向传导，为一维温度场。
( Tg 100
)
f (Tg PH2Olg )
直接查图。
烟气的黑度 ： g CO2 H2O
分压修正系数， 气体相互吸收修正系数
气体的吸收率
气体的吸收率不仅和本身温度有关，而且 还与投射在气体上的辐射能的光谱有关， 这又与固体壁的温度有关。当气体温度
Tg=Tw
Kirchhoff 定律可得： A
Nu
l
准数的符号及意义
准数名称 努塞尔特数
雷诺数
普朗特数 格拉晓夫数
符号
Nu l
Re lv
Pr cp
Gr
gtl3 2 2
意义
Nu=α/（λ/l），反映和纯导热 相比，对流使传热系数增大
的倍数
Re是流体所受惯性力和粘性 力之比，表征流体的流动状 态和湍动程度对对流传热的
影响
表示流体物性对对流传热的 影响
速度边界层：壁面附近具有明显速度变化的 流体薄层。
牛顿冷却定律
牛顿冷却定律
Q (tw t f )F
tf：流体温度 tw：壁面温度 α：对流换热系数 表示：每单位壁面面积上、单位时间内当流
体与壁面温度相差1℃时所传递的热量。
对流换热系数
对流换热系数是流体的流速、流体的物理性 质以及传热表面的形状、尺寸等的复杂函 数，根据努塞尔特数，对流换热系数可以 写成：
热流的方向与温度梯度方向相反
2.2 导热
傅立叶定律：在热传导时，其传热速率与温 度梯度及传热面积成正比。
q Q t
F n
q：热流密度，W/ m2
Q：热流量，W
F：等温面的面积，m2
t n
：温度梯度，℃/m
λ：比例系数，称为导热系数，W/（m·℃）
导热系数
导热系数表征物质导热能力的大小，是物 质的物理性质之一。大多数均质的固体材 料，其导热系数与温度近似成直线关系：
气体的黑度
气体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比
g
Eg E0
Eg g E0
实验表明，气体的辐射与固体辐射相差很大：
其中l 为气体层的厚度，或称射线行程长度。
E H 2O
4.07
(
P 0.8 H 2O
l
0.6 g
)( Tg 100
)
3
ECO2
4.07(PCO2 lg
)1/ 3
( Tg 100
) 3.5
讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热 系数的巨大差别，导致在相同的条件下通 过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量 大三个数量级。因而，铜是热的良导体， 而硅藻土砖则起到一定的隔热作用。
例2
教材P30例2-1
设有一窑墙，用黏土砖和红砖两种材料砌成， 厚 度 均 为 230mm ， 窑 墙 内 表 面 温 度 为 1200℃，外表面温度为100℃，红砖允许使 用温度为800℃，求每平方窑墙热损失及红 砖在此条件下能否使用。（采用逐次逼近 法）
自然对流(natural convection)：若流体的运动 是由于流体内部冷、热部分的密度不同而 引起的。
强制对流(forced convection)：若流体的运动 是由于受到外力的作用(如风机、水泵或其 它外界压力等)所引起。
辐射
定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐 射能量的现象；物体都具有辐射能力。