熱工基礎(chǔ)第八章熱量傳導(dǎo)的基本方式

熱工基礎(chǔ)第八章熱量傳導(dǎo)的基本方式1第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三8－1

熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)（簡稱導(dǎo)熱）在物體內(nèi)部或相互接觸的物體表面之間，由于分子、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。導(dǎo)熱現(xiàn)象發(fā)生在固體內(nèi)部，也可發(fā)生在靜止的液體和氣體之中。

本書不討論導(dǎo)熱的微觀機(jī)理，只討論熱量傳遞的宏觀規(guī)律。2第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三最簡單的導(dǎo)熱現(xiàn)象：大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

0xt

tw2

tw1

特點(diǎn)：1.平壁兩表面維持均勻恒定不變溫度；2.平壁溫度只沿垂直于壁面的方向發(fā)生變化；

3.平壁溫度不隨時(shí)間改變；4.熱量只沿著垂直于壁面的方向傳遞。熱流量：單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量,W:材料的熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）：表明材料的導(dǎo)熱能力，W/(m·K)。3第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三熱流密度

q:單位時(shí)間通過單位面積的熱流量稱為平壁的導(dǎo)熱熱阻，表示物體對(duì)導(dǎo)熱的阻力，單位為K/W。tw1

tw2

熱阻網(wǎng)絡(luò)4第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三8－2

熱 對(duì)流熱對(duì)流:由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)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。

熱對(duì)流只發(fā)生在流體之中，并伴隨有微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的導(dǎo)熱。對(duì)流換熱:

流體與相互接觸的固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，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。牛頓冷卻公式:

=Ah(tw–tf)

q=h(tw–tf)

5第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三tw

tf

h

稱為對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（習(xí)慣稱為對(duì)流換熱系數(shù)），單位為W/(m2K)。對(duì)流換熱熱阻：

=Ah(tw–tf)

稱為對(duì)流換熱熱阻，單位為W/K。對(duì)流換熱熱阻網(wǎng)絡(luò)：

=Ah(tw–tf)

6第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三表面?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、湍流）；（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)流體有無相變（沸騰或凝結(jié)）。7第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三

表1-1一些表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍

對(duì)流換熱類型表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

h/[W/(m2K])

空氣自然對(duì)流換熱1～10

水自然對(duì)流換熱100～1000

空氣強(qiáng)迫對(duì)流換熱10～100

水強(qiáng)迫對(duì)流換熱100～15000

水沸騰2500～35000

水蒸氣凝結(jié)5000～250008第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三8－3

熱輻射

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)象解釋輻射現(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,常用m為單位,1m=10-6m。

—

頻率,單位

s－1。9第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三電磁波的波譜：射線：

<5×10-5mX射線：5×10-7

m

<<5×10-2m紫外線：4×10-3m<<0.38m可見光：0.38m<<0.76m紅外線：

0.76m<<103

m無線電波：

>103

m

10第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三微波：

103m

<<106

m

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范圍從零到無窮大，但在日常生活和工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi)，熱輻射的波長主要在0.1m至100m之間,包括部分紫外線、可見光和部分紅外線三個(gè)波段。11第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三熱輻射的主要特點(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)熱能輻射能；

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

（3）熱輻射不依靠中間媒介，可以在真空中傳播；

（4）物體間以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量傳遞是雙向的。

高溫物體低溫物體熱輻射是熱量傳遞的基本方式之一。12第十二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三輻射換熱：以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量交換。輻射換熱的主要影響因素：（1）物體本身的溫度、表面輻射特性；

（2）物體的大小、幾何形狀及相對(duì)位置。

注意：（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）分析傳熱問題時(shí)首先應(yīng)該弄清楚有哪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。

13第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三8－4

傳熱過程傳熱過程：

指熱量從固體壁面一側(cè)的流體通過固體壁面?zhèn)鬟f到另一側(cè)流體的過程。傳熱過程由三個(gè)相互串聯(lián)的熱量傳遞環(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。14第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三通過平壁的穩(wěn)態(tài)傳熱過程假設(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

0xt

h1

tf1

h2

tf2

15第十五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三（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

式中，Rk稱為傳熱熱阻。

tw1

tw2

tf1

tf2

傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)：

16第十六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三傳熱系數(shù)

將傳熱熱流量的計(jì)算公式寫成

式中

k稱為傳熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)，t為傳熱溫差。通過單位面積平壁的熱流密度為

利用上述公式,可以很容易求得通過平壁的熱流量、熱流密度q及壁面溫度tw1、tw2。17第十七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三第八章小結(jié)

重點(diǎn)掌握以下內(nèi)容：