第9章 热量传递的基本方式

在稳态情况下，以上三式的热流量相同 在稳态情况下，以上三式的热流量相同，可得 三式的热流量相同，
Φ=
1 1 δ + + Ah1 Aλ Ah2
tf1 − tf 2
tf1 − tf 2 tf1 − tf 2 = = Rk Rh1 + Rλ + Rh2
式中 Rk = Rh1 + Rλ + Rh2 传热热阻网络： 传热热阻网络： tf1
一些对流换热的h 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 /( m2⋅K) 1～10 200～1000 10～100 100～15000 2500～35000 这就是为什么Jack冻死 这就是为什么Jack冻死 Jack Rose没有 没有！ 了，而Rose没有！ 5000～25000
冬天， 冬天，屋顶积雪
通过单位面积平壁的热流密度为
Baidu Nhomakorabeaq = k ( tf1 − tf 2 ) =
1 δ 1 + + h1 λ h2
tf1 − tf 2
有助于房屋保温
利用上述公式, 利用上述公式, 可以很容易求得通过平壁的热流 及壁面温度t 量Φ、热流密度q及壁面温度tw1、tw2。
第九章 小结
（1）掌握导热、热对流、热辐射三种热量传递基本 ）掌握导热、热对流、 方式的机理及特点； 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 、 ） 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； 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 ） 灵活运用平壁的一维稳态导热公式、 的牛顿冷却公式、通过平壁的一维传热过程计算公式 的牛顿冷却公式、 进行相关的计算、分析。 进行相关的计算、分析。
对流换热: 对流换热
流体流过物体表面时， 流体流过物体表面时，流 体与固体壁间的换热。 体与固体壁间的换热。
9.2 热对流
对流换热特点： 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； 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； 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， 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会 形成速度梯度很大的边界层。 形成速度梯度很大的边界层。
对流换热分类
没有相变： 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： 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： 计算公式： 牛顿冷却公式： 牛顿冷却公式：
Φ = hA∆t
2
q = h∆t
比例系数， h : 比例系数，称表面传热系数或对流换热系数 单位： 单位： W / m ⋅ K h : 不是物性参数
，Rk称为传热热阻。 称为传热热阻。
Φ
Rh2
Rh1 tw1 Rλ tw2
tf2
关于传热系数
将传热热流量的计算公式写成 式中 k =
Φ=
δ 1 1 + + Ah1 Aλ Ah2
tf1 − tf 2
1 δ 1 + + h1 λ h2
1
Φ = Ak ( tf1 − tf 2 ) = Ak∆t
k 称为传热系数，单位为 W/(m2·K)，∆t为传热温差。 ·K)， 为传热温差。
工具： 工具：
高等数学
热量传递的基本方式
热量传递有三种基本方式: 热量传递有三种基本方式: 导热（热传导） 导热（热传导） (thermal conduction) 热对流 (thermal convection) 热辐射 (thermal radiation)。
9.1 导热
导热： 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、 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。 热量传递现象。
壁
通过平壁的稳态传热过程
不随时间变化； 为常数。 假设： 假设： tf1、tf2、h1、h2不随时间变化；λ为常数。
（1）左侧的对流换热 tf1
t
(t f 1 − tw1 ) Φ = Ah1 (t f 1 − t w1 ) = 1 Ah 1 (t f 1 − tw1 ) = Rh1
（2）平壁的导热
9.2 热对流
对流换热的基本计算公式： 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/m
[
2
]
[ (
h — 表面传热系数， 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
t w —固体壁表面温度 固体壁表面温度
举
例
9.4
传热过程简介
传热过程： 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。 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、 传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成
9.4
传热过程简介
传热过程由三个相互串联的热量传递环节组成: 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 热量从高温流体以对流换热（ 辐射换热）的方式传给壁面； ＋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； 方式传递到另一侧壁面； 高 （3）热量从低温流体侧壁面以 温 对流换热（ 对流换热＋ 对流换热 （ 或 对流换热 ＋ 辐射 流 换热）的方式传给低温流体。 换热）的方式传给低温流体。 体 固 体 低 温 流 体
tw1 h1
Φ Φ
h2 tw2 tf2
Φ
0
δ
x
tw1 − tw2 = tw1 − tw2 = tw1 − tw2 Φ = Aλ δ Rλ δ Aλ
通过平壁的稳态传热过程
（3）右侧的对流换热
Φ = Ah2 ( tw2 − tf 2 )
tw2 − tf 2 tw2 − tf 2 = = 1 Rh2 Ah2
热能 发射 辐射能 吸收 热能
发射辐射能是物质的固有属性
辐射换热的主要影响因素
物体本身的温度、表面辐射特性； （1）物体本身的温度、表面辐射特性； 物体的大小、几何形状及相对位置。 （2）物体的大小、几何形状及相对位置。
计算方法
斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律 Φ = AσT 4 T − 黑体的热力学温度
Φ = Aλ
tw1 − tw2
tw2
λ : 材料的热导率 （ 导热系数 ） ： 表明 材料的热导率（ 导热系数）
材料的导热能力，W/(m·K)。 材料的导热能力，W/(m·K)。物性参数
δ
Φ
0
λ金属 > λ非金属固体 > λ液体 > λ气体
δ
x
例如： 例如：大平壁的一维稳态导热
热流密度 q :单位时间通过单位面积的热流量 tw1 − tw2 Φ 傅里叶定律 q= =λ A δ tw1 − tw2 tw1 − t w2 tw1 − tw2 = = Φ = Aλ δ Rλ δ δ Aλ Rλ = Aλ 称为平壁的导热热阻 导热热阻， 称为平壁的导热热阻，表示物体对导热
[ ]
t f —流体温度 流体温度
)]
[℃]
[℃]
表面传热系数h的影响因素
h 的大小反映对流换热的强弱，与以下 的大小反映对流换热的强弱， 因素有关： 因素有关：
（1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比热容等）； 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）； 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）； 流动的成因（自然对流或强迫对流）； （4）物体表面的形状、尺寸； 物体表面的形状、尺寸； （5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。 换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。
对流换热热阻
Φ = Ah(tw – tf) = tw − tf = tw − tf
1 Ah
Rh
1 Rh = 称为对流换热热阻 对流换热热阻， 称为对流换热热阻，单位为 W/K。 。 Ah
Φ
对流换热热阻网络： 对流换热热阻网络： tw
Rh
tf
9.3 热辐射
辐射： 辐射： 物体通过电磁波来传递能量的方式称 为辐射。 为辐射。 热辐射： 物体会因为各种原因发出辐射能。 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。 为热辐射。 理论上热辐射的波长范围从零到无穷大， 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， 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0.1µ 至 之间, 辐射的波长主要在 µm至 100µm之间 , 包括部 µ 之间 分紫外线、 分紫外线、可见光和部分红外线三个波段 。
第九章 热量传递的基本方式
公司
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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
1、基本概念 2、基本定律
传热学研究方法
传热学的研究方法
1.理论分析： 解析解（精确解） 1.理论分析：数学分析 理论分析 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。 是传热学理论分析的主要任务。 2.实验研究 实验研究： 2.实验研究：通过实验测定 是传热学的基本研究方法。 是传热学的基本研究方法。 3.数值模拟 数值模拟： 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。 是数值传热学的研究内容，本课程不作介绍。
导热现象发生在 固体内部， 固体内部 ， 也可发生 在静止的液体和气体 之中。 之中。
9.1 导热 导热的特点： 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
例如： 例如：大平壁的一维稳态导热
特点： 特点：
1.平壁两表面维持均匀恒定不变温度； 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 平壁温度只沿垂直于壁面的方向发生变化； 2.平壁温度只沿垂直于壁面的方向发生变化； 平壁温度不随时间改变； 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 热量只沿着垂直于壁面的方向传递。 4.热量只沿着垂直于壁面的方向传递。 tw1 热流量： 热流量 ： 单位时间内通过某一给定面 积的热量。 积的热量。W
传热学研究中的基本假设
研究物体中温度、密度、 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。 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。 增强传热：更好地散热。 削弱传热：更好地隔热。 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
的阻力，单位为K/W 的阻力，单位为K/W 。
欧姆定律
tw1 λ
δ
tw2
Φ
热阻网络
9.2 热对流
热对流: 流体中（气体或液体） 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 处传递到另一处的现象。 一 处传递到另一处的现象。 热对流只发生在流体之中， 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。 运动而产生的导热。
作业： 作业：P142 9-1、9-2、9-4 、 、
σ−
斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼常数 5.67 ×10 −8 [W / m 2 ⋅ K 4 ]
小
结
导热、 （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； 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， 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。 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。 比作用非常小，往往可以忽略。
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。 0K, 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 双向的。 双向的。 高温 物体 低温 物体
辐射换热
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 量转移, 量转移,还有能量形 式的变化