传热的三种基本方式

传热的三种基本方式

赵世强 08化工一班 0803021039

合肥学院 化学与材料工程系 合肥 230022

摘要：传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起，净的热流方向总是由高温处向低温处流动。

关键词：传热，温度差，热传导，对流传热，辐射传热

引言

化学工业与传热的关系尤为密切，化工生产中的很多过程与单元操作都需要进行加热获冷却，而这些传热过程往往都是通过一定的换热设备来实现的。如何设计价格低廉、运行经济的换热设备以完成所要求的换热任务，是化学工程师经常遇到的问题。这就要求通晓热量传递的基本原理，又要求具有能够定量计算传递速率的能力。

1 热传导

热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的、温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。

特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。

1.1 傅立叶定律

描述导热现象的物理定律为傅里叶定律，其数学表达式为

dQ t q k n dS

∂==-∂ 式中 Q ——传热速率单位时间传递的热量，/J s ；

q ——热通量单位传热面积的传热速率，2/()J m s ⋅，矢量，方向为传热面的法线方向dQ q dS

= ； S ——与导热方向垂直的传热面积；

负号表示q 与温度梯度方向相反；

k ——导热系数, 单位为/()W m K ⋅。

物性之一：与物质种类、热力学状态（T 、P ）有关

物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，故物质的k 越大，导热性能越好。

1.2 热导率（导热系数） 定义式：dQ dS k dt dn

=- 单位温度梯度的热通量, /(K)W m ⋅ k 表征物质导热能力的大小，是物质的物性之一。

k 金属非金属固体液气由实验测定，一般k k k k >>>金属非金属固体液体气体

1.2.1 气体的导热系数

a 随温度的升高而增大；

b 气体k 很小，对导热不利，但有利于保温、绝热；

c 混合物11131n i i i i m n i

i

i k y M k y M ===∑∑ 1.2.2 液体的导热系数

液态金属的k 比一般液体的要高大多数液态金属的k 随T 升高而减小。

在非金属液体中，水的最大。除水和甘油外，绝大多数液体的k 随T 升高而略有减少,k k >纯液体溶液溶液。

溶液的k ：0.9m i i k a k =∑ 或 m i i k a k =∑

1.2.3 固体的导热系数

纯金属：k 随T 升高而减小，随纯度升高而增大

非金属：k 随ρ升高而增大，随T 升高而增大

对大多数匀质的固体，k 值与温度大致成线性关系，即

0(1)k k t β=+

2 热对流（又称对流）

对流传热是指由于流体的宏观运动，流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。流体中质点发生相对位移而引起热交换。对流传热仅发生在流体中，因此它与流体的流动状态密切相关。在对流传热时，必然伴随着流体质点间的热传导。

流体中产生对流的原因：

自然对流（natural convection ）由于流体各部分温度的不均匀分布，形成

密度的差异，在浮升力的作用下，流体发

生对流而传热

强制对流（forced convection ） 用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发

生对流而传热。

流动的原因不同，对流传热的规律也有所不同。在同一种流体中，有可能同时发生自然对流和强制对流。

牛顿冷却定律——对流传热基本方程式 dQ h t dS

= 式中 h ——对流传热系数，单位2/()W m K ⋅；

t ——固体壁面与流体主体之间的温度差。

物理意义：表示当流体截面平均温度与壁面温度的值为1℃时，单位时间通过单位传热面积的热量。

3. 热辐射（又称辐射）

由于温度差而产生的电磁波在空间的传递过程称为辐射传热，简称热辐射。 斯蒂芬（Stefan ）—玻尔兹曼（Boltzmann ）定律——描述热辐射的基本定律：

40dQ T dS

σ= 式中 0σ——黑体的辐射系数，称为斯蒂芬—玻尔兹曼常数，其值为

8245.6710/()W m K -⨯⋅；

T ——黑体表面的绝对温度；

S ——黑体的表面积。

该式只适用于绝对黑体，且只能应用于热辐射，而不适用于其他形式的电磁波辐射。

参考文献

陈涛,张国亮.化工传递过程基础[M],第三版.北京：化学工业出版社,2010. 122-125