傳熱學(xué)

HeatTransfer6/24/202511-1傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容與方法傳熱學(xué)研究對(duì)象：由于溫度差所引起的能量傳遞過(guò)程，包括有相變和組分混合時(shí)伴隨有物質(zhì)遷移（傳質(zhì)）的能量傳遞過(guò)程。主要研究?jī)?nèi)容：（1）溫度分布（對(duì)流換熱問(wèn)題還必須涉及速度分布）；（2）熱量傳遞的速率；（3）傳熱的強(qiáng)化與弱化。分析方法：宏觀分析方法（分析對(duì)象足夠大）。限于學(xué)時(shí)，本課程不涉及傳質(zhì)內(nèi)容。6/24/20252高溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)Wnet放熱Q2低溫?zé)嵩礋崮芾寐屎蛡鳠徇^(guò)程密切相關(guān)。

6/24/20253

提高能源利用率，必須掌握熱量傳遞的規(guī)律以及控制和優(yōu)化熱量傳遞過(guò)程的方法。

傳熱學(xué)的應(yīng)用非常廣泛，傳熱學(xué)知識(shí)不僅在能源、電力、冶金、動(dòng)力機(jī)械、石油化工、低溫工程、環(huán)境與建筑等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用，在許多高科技領(lǐng)域都發(fā)揮著極其重要的作用。如：航空航天、電子信息工程、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等。傳熱學(xué)是現(xiàn)代工程技術(shù)人才必備的技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，是面向21世紀(jì)工科各類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才工程素質(zhì)的重要組成部分。6/24/20254第八章

熱量傳遞的基本方式

BasicModesofHeatTransfer6/24/20255

學(xué)習(xí)傳熱學(xué)課程的主要目的

掌握傳熱學(xué)的基本概念、基本理論與基本分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究方法，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程及研究生課程的學(xué)習(xí)，為今后研究、處理、解決實(shí)際的傳熱工程問(wèn)題奠定必要的技術(shù)理論基礎(chǔ)。

傳熱學(xué)的主要研究方法理論分析數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究比擬（類(lèi)比）法6/24/202568-1

熱量傳遞的基本方式基本方式：熱傳導(dǎo)；對(duì)流；熱輻射

熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）對(duì)流換熱輻射換熱6/24/202571.熱傳導(dǎo)（heatconduction）

熱傳導(dǎo)的定義

物體內(nèi)部分之間不發(fā)生宏觀相對(duì)位移，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)熱。6/24/20258熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)

(1)t微觀粒子能量

依靠熱傳導(dǎo)，熱量由高溫傳向低溫；(2)可以發(fā)生在固體和靜止流體中，在運(yùn)動(dòng)流體中同樣存在；(3)參與導(dǎo)熱的各部分（或不同物體）應(yīng)直接接觸。

6/24/20259導(dǎo)熱基本定律：Fourier-Biot定律

Biot(1804)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出；Fourier(1807)在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，加以理論概括；一般稱(chēng)之為Fourier定律。對(duì)如圖所示的大平壁，Biot提出：熱流量

0xt

tw2

tw1

6/24/202510Biot定律指出：

對(duì)一位穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，熱流量

(單位時(shí)間傳遞的熱量,W)與平壁表面面積A及兩側(cè)表面的溫差tw1－tw2成正比；與平壁厚度

成反比；與平壁材料的導(dǎo)熱性能

有關(guān)。熱導(dǎo)率

(thermalconductivity)，或稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m

K)：反映材料的導(dǎo)熱能力,熱導(dǎo)率愈大，材料導(dǎo)熱能力愈強(qiáng)，是物性參數(shù)。6/24/202511

熱流密度q

單位時(shí)間通過(guò)單位面積的熱量，或單位面積的熱流量，W/m2

以微分形式表示：稱(chēng)為一維導(dǎo)熱的Fourier定律，其物理意義為：q指向溫度降低方向，與

、dt/dx成正比。注意：這里q的意義與熱力學(xué)中不同。6/24/2025122、熱對(duì)流與對(duì)流換熱熱對(duì)流(thermalconvection)

簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)流，指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，致使不同溫度的流體相對(duì)位移而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象—流體團(tuán)塊摻混。只發(fā)生在流體中，伴隨有微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的導(dǎo)熱。對(duì)流換熱(convectiveheattransfer)

流體與固體表面間的換熱，是導(dǎo)熱與熱對(duì)流的綜合作用。不屬于基本傳遞方式。6/24/202513對(duì)流換熱的特點(diǎn)(1)流體流過(guò)固體表面時(shí)，粘滯力作用使緊貼物體表面的流體靜止，熱量傳遞只以導(dǎo)熱方式進(jìn)行；(2)離開(kāi)固體表面，流體有宏觀運(yùn)動(dòng)，熱對(duì)流方式將發(fā)生作用；(3)流體與固體表面間的熱量傳遞是導(dǎo)熱和熱對(duì)流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。機(jī)理：壁面處流體的導(dǎo)熱。6/24/202514對(duì)流換熱的分類(lèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱自由對(duì)流換熱沸騰換熱凝結(jié)換熱6/24/202515對(duì)流換熱的Newton冷卻定律

F=Ah(tw–tf)； q=h(tw–tf)tw

為壁面溫度；

tf

為流體溫度；h稱(chēng)為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對(duì)流換熱系數(shù)，convectiveheattransfercoefficient）

單位:W/(m2

K)orW/(m2

oC)h

影響因素很多，對(duì)流換熱的主要研究?jī)?nèi)容之一即確定h。牛頓冷卻定律只構(gòu)造出h的定義式，并未從根本上解決對(duì)流換熱的計(jì)算。6/24/202516表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素

h的大小反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱，與以下因素有關(guān)：

（1）流體的物性（熱導(dǎo)率、粘度、密度、比熱容等）；（2）流體流動(dòng)的形態(tài)（層流、紊流）；（3）流動(dòng)的成因（自然對(duì)流或受迫對(duì)流）；（4）物體表面的形狀、尺寸；（5）換熱時(shí)流體有無(wú)相變（沸騰或凝結(jié)）。6/24/202517

表1-1一些表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍

對(duì)流換熱類(lèi)型表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

hW/(m2

K)

空氣自然對(duì)流換熱1～10

水自然對(duì)流換熱50～1000

氣體強(qiáng)迫對(duì)流換熱20～100

水強(qiáng)迫對(duì)流換熱1000～15000

水沸騰2500～35000

蒸汽凝結(jié)5000～350006/24/2025183.

熱輻射（thermalradiation）

輻射：指物體受某種因素的激發(fā)而向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象輻射現(xiàn)象的兩種理論：電磁理論與量子理論電磁波的數(shù)學(xué)描述：

c

—

某介質(zhì)中的光速,

m/s

為真空中的光速;

n為介質(zhì)的折射率。

—

波長(zhǎng),常用

m為單位,1

m=10-6m。

—

頻率,單位

1/s。6/24/202519電磁波的波譜g射線、X射線、紫外線、紅外線：

0.76<

<103

m無(wú)線電波：

>103

m

微波：

103<

<106

m可見(jiàn)光：

0.38<

<0.76

m6/24/202520

微波爐就是利用微波加熱食物，因微波可穿透塑料、玻璃和陶瓷制品，但會(huì)被食物中水分子吸收，產(chǎn)生內(nèi)熱源，使食品均勻加熱。熱輻射

由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。

理論上熱輻射的波長(zhǎng)范圍從零到無(wú)窮大，但在日常生活和工業(yè)上常見(jiàn)的溫度范圍內(nèi)，熱輻射的波長(zhǎng)主要在0.1

m至100

m之間,包括部分紫外線、可見(jiàn)光和部分紅外線三個(gè)波段。

6/24/202521熱輻射的主要特點(diǎn)

（1）所有溫度大于0K的物體都具有發(fā)射熱輻射的能力，溫度愈高，發(fā)射熱輻射的能力愈強(qiáng)。發(fā)射熱輻射時(shí)：內(nèi)能輻射能；

（2）所有實(shí)際物體都具有吸收熱輻射的能力。吸收熱輻射時(shí)：輻射能內(nèi)能；

（3）熱輻射不依靠中間媒介，可以在真空中傳播。

6/24/202522熱輻射的主要特點(diǎn)（4）物體間以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量傳遞是雙向的。（5）在紅外范圍內(nèi)，絕大多數(shù)固體和液體的發(fā)射和吸收均只發(fā)生在表面以下很淺的距離內(nèi)，即僅取決于材料表面的性質(zhì)、特征和溫度，與其內(nèi)部狀況無(wú)關(guān)。高溫物體低溫物體熱輻射是熱量傳遞的基本方式之一。6/24/202523黑體輻射的Stefen-Boltzmann定律黑體：亦稱(chēng)絕對(duì)黑體，是具有最大輻射能力和吸收能力的理想物體。注意這里的blackbody一般并不意味著顏色是黑的，只有對(duì)可見(jiàn)光，顏色才是重要的。Stefen-Boltzmann定律：A：物體參與輻射的表面積，m2；：

Stefen-Boltzmann常數(shù)，5.6710-8W/m2.K46/24/202524輻射換熱

以熱輻射的方式進(jìn)行的能量交換。

影響物體之間的輻射換熱量因素物體本身的溫度、輻射特性物體的大小、幾何形狀相對(duì)位置6/24/202525實(shí)際物體發(fā)射的輻射能

e稱(chēng)為實(shí)際物體的發(fā)射率,也稱(chēng)為黑度,e<1

。A1<<A26/24/202526討論（1）熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種熱量傳遞基本方式往往不是單獨(dú)出現(xiàn)的；

（2）分析傳熱問(wèn)題時(shí)首先應(yīng)該弄清楚有那些傳熱方式在起作用，然后再按照每一種傳熱方式的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

（3）如果某一種傳熱方式與其他傳熱方式相比作用非常小，往往可以忽略。

6/24/2025278-2

傳熱過(guò)程

傳熱過(guò)程：熱量從一側(cè)的流體通過(guò)固體壁面?zhèn)鬟f到另一側(cè)流體的過(guò)程。

傳熱過(guò)程由三個(gè)相互串聯(lián)的環(huán)節(jié)組成:高溫流體低溫流體固體壁

（1）熱量從高溫流體以對(duì)流換熱（或?qū)α鲹Q熱＋輻射換熱）的方式傳給壁面；

（2）熱量從一側(cè)壁面以導(dǎo)熱的方式傳遞到另一側(cè)壁面；

（3）熱量從低溫流體側(cè)壁面以對(duì)流換熱（或?qū)α鲹Q熱＋輻射換熱）的方式傳給低溫流體。6/24/202528通過(guò)平壁的穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程假設(shè)：

tf1、tf2、h1、h2不隨時(shí)間變化；

為常數(shù)。

（1）左側(cè)的對(duì)流換熱

（2）平壁的導(dǎo)熱

tw2

tw1

0

xt

h1

tf1

h2

tf2

6/24/202529（3）右側(cè)的對(duì)流換熱在穩(wěn)態(tài)情況下，以上三式的熱流量相同，可得

Rk稱(chēng)為傳熱熱阻。

6/24/202530

傳熱系數(shù)稱(chēng)為傳熱系數(shù)(overallheattransfercoefficient),W/m2.K通過(guò)平壁的熱流密度6/24/202531

熱阻導(dǎo)熱熱阻：對(duì)流換熱熱阻：與電學(xué)中歐姆定律比較驅(qū)動(dòng)勢(shì)熱阻電阻6/24/202532

tw1

tw2

tf1

tf2