§3-1_热传递的基本原理
热传递热量通过流体的对流传递
热传递热量通过流体的对流传递热量传递是指热量从高温物体传递到低温物体的过程。
传热的方式有三种：传导、对流和辐射。
在介绍流体的对流传热之前，先了解一下传热的基本知识。
一、热传递的基本原理热传递是能量的传递方式，能量从高温物体到低温物体传递，使两者达到热平衡。
热传递的方式有传导、对流和辐射三种。
（一）传导传导是指通过物质内部的分子热振动传递热量的过程。
热量沿温度梯度从高温区域传递到低温区域。
传导率取决于物质的导热性质和温度梯度。
常见的固体和液体都能够传导热量。
（二）对流对流是指通过物体表面上的流体（比如液体或气体）的运动传递热量的过程。
对流分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流是指在温差的驱动下，流体由于密度的差异而形成的运动。
比如，加热后的空气密度减小，上升形成对流。
强制对流是指通过外部力（如风或泵）使流体运动，从而传递热量。
强制对流可以通过风扇或泵等设备来搅动流体，加速热量传递。
（三）辐射辐射是指通过电磁波将热量从发光物体传递到其他物体的过程。
辐射可以在真空中传递，无需介质传递。
常见的辐射形式有电磁波、红外线和可见光等。
二、流体的对流传热流体的对流传热是指通过流动的流体传递热量的过程。
流体的对流传热包括自然对流和强制对流。
（一）自然对流传热自然对流传热是指在温差作用下，流体通过密度的差异而产生的运动，从而传递热量。
自然对流传热的机理是流体受热后密度下降，体积膨胀，从而使流体向上运动。
同时，冷却后的流体密度增加，使流体向下运动。
形成这种循环运动的力称为浮力。
自然对流传热最常见的例子就是热气球。
在热气球中，空气被加热后变得轻，从而使热气球得以上升。
（二）强制对流传热强制对流传热是通过外部力（如风或泵）使流体运动，从而传递热量。
强制对流传热的机理是外部力搅动流体，使流体中的高温部分与低温部分混合，加速热量的传递。
在实际工程中，强制对流传热是非常常见的应用。
比如，利用风扇将空气吹向加热元件，加速热量传递。
简述三种传热基本方式及其传热基本原理
简述三种传热基本方式及其传热基本原理
三种传热基本方式及其传热基本原理如下：
一、热传导。
热传导是介质内无宏观运动时的传热现象，其在固体、液体和气体中均可发生，但严格而言，只有在固体中才是纯粹的热传导，而流体即使处于静止状态，其中也会由于温度梯度所造成的密度差而产生自然对流，因此，在流体中热对流与热传导同时发生。
二、热辐射。
热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。
热量传递的3种方式之一。
一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。
热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。
由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。
三、热对流。
热对流是热传递的重要形式，它是影响火灾发展的主要因素：
1、高温热气流能加热在它流经途中的可燃物，引起新的燃烧。
2、热气流能够往任何方向传递热量，特别是向上传播，能引起上层楼板、天花板燃烧。
3、通过通风口进行热对流，使新鲜空气不断流进燃烧区，供应持续燃烧。
热传递定义
热传递定义
热传递是指热量从一个物体传递到另一个物体或者传递到空间中的过程。
热传递可以发生通过三种方式：导热传递、对流传递和热辐射传递。
1. 导热传递：当两个物体之间存在温度差时，热量会通过物体的直接接触和振动引起的分子之间的碰撞传递。
导热传递通常在固体和液体中发生，而在气体中传热往往需要对流的帮助。
2. 对流传递：对流传递是涉及到流体（气体或液体）的热传递方式。
当物体表面与周围流体接触时，流体因温度差异而产生的密度变化引起流体的运动，从而将热量从物体传递到流体中。
3. 热辐射传递：热辐射传递是指热能以电磁波的形式通过空间传播的过程。
任何温度高于绝对零度的物体都会发射热辐射，热辐射的强度和频率与物体的温度相关。
热辐射可以传递热量到其他物体，无需介质。
热传递是自然界中常见的现象，它直接影响物体的温度分布和能量传输。
了解和控制热传递对于热工和工程领域的研究和应用具有重要意义。
热传递的基本原理
热传递的基本原理热传递是指热量在物体之间传递的过程。
热传递的基本原理可以通过热传导、热对流和热辐射来解释。
热传导是由于分子之间的碰撞和相互作用引起的热量传递。
在物体的内部，热量通过固体材料的导热性质在分子之间传递。
导热的原理是分子以高频率振动，并将这种振动能量从一个分子传递到与其相邻的分子。
这种传递形式下，热量从高温物体的分子传递到低温物体的分子。
热导率是描述物体传导热传递性能的物理量。
热传导是在没有物质移动的情况下进行的。
热对流是指热量通过流体介质传递的现象。
当液体或气体被加热时，它们的密度会降低，使其较热的部分上升，而较冷的部分则下降。
这种上升和下降的运动形成了被称为对流的大规模流动。
对流传热发生在液体或气体中，因为其分子是自由移动的。
对流传热可以将热量迅速从高温区域传递到低温区域。
热对流是伴随着物质的移动而进行的。
热辐射是指物体通过放射电磁波的方式传递热量。
所有物体都以热辐射的形式向外发射能量。
热辐射是由于物体分子和原子的无规则振动引起的。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，热辐射的总发射功率与物体的温度的四次方成正比。
这意味着随着温度的升高，物体的热辐射功率会显著增加。
热辐射是通过真空或透明介质传输热量的唯一方式。
在现实世界中，热传递往往是这三种机制的组合。
例如，当我们烹饪食物时，热量会通过底部的热源通过热传导进入锅中的食物。
与此同时，由于食物的加热，液体中的热对流也开始。
同时，煮食过程中锅的外表面也会通过热辐射释放热量。
热传递的速率可以通过热传导率、对流传热系数和辐射传热系数来描述。
热传导率是物质传导热传递的能力，对流传热系数是描述液体或气体传导热的速度和效率的参数，而辐射传热系数是描述物体通过辐射传递热量的效果的参数。
需要注意的是，不同材料的热传导机制和速率可能不同。
例如，金属通常具有高热传导率，因为金属中的电子在分子之间快速传递热量。
相反，绝缘体如木材则具有较低的热导率，因为木材中的分子之间的电子传导能力较差。
第三章 热量传递的基本原理
2
d T 1 dT + = 0 2 dr r dr
• 导热问题的完整数学描述 无内热源、常物性、稳态一维问题的导热 微分方程 2
由
d t =0 2 dx
得
dt = c1 dx
得
t = c1 x + c2
问题不能确定，需有定解条件： 〈1〉 初始条件：τ = 0 时的温度分布 t τ = 0 =f (x,y,z) 〈2〉 边界条件：边界上的温度分布或换热条 件。
即 边界条件：
x
d 2t =0 2 dx
x = 0 t = t1 ; x = δ t = t 2
数学描述
d 2t =0 2 dx x = 0 , t = t1 x = δ , t =t 2
t = c1 x + c2
c2 = t1
温度分布
c1 =
t 2 − t1
δ
t=
dt dx
t 2 − t1
δ
x + t1
μ↑
Re ↓
h↓
4、换热表面的形状、大小、位置 壁面形状、位置形状(平板,圆管)、位置(横 放、竖放、管内、管外)
5、流体有无相变 有相变（沸腾或凝结），流体温度基本保持不 变，流体与壁面的换热量等于吸收或放出的汽化潜 热。有相变比无相变时换热系数大很多。 珠状凝结比膜状凝结换热系数大得多。
综上所述
动力消耗大
δ ↓ h↑
3、流体的物理性质
流速：V↑ h↑ V=0 无对流 物性－表征物质物理特性的物理量 密度，粘性，热导率，比热等 其他条件相同时，不同的流体换热量不 同，就是因为物性不同
λ的影响：
物质的热传递与传热方程
物质的热传递与传热方程热传递是指物体之间传递热量的过程。
在自然界中，热量会自动从高温物体传递到低温物体，以达到热平衡。
了解物质的热传递规律对于工程、科学研究以及日常生活都具有重要意义。
本文将探讨物质的热传递原理以及传热方程。
一、热传递方式物质的热传递可以通过三种方式进行：传导、对流和辐射。
1. 传导传导是指物体内部的热量传递。
当物体的一部分受热时，其分子会增加热运动并与周围分子碰撞，从而将热量传递给周围物体的分子。
常见的传导材料有金属、一些固体和液体。
传导热量的大小取决于材料的热导率和温度梯度。
2. 对流对流是指通过流体的运动来传递热量。
当流体受热并膨胀时，其密度减小，从而形成向上的浮力，推动冷流体下沉。
这种上升和下降的流体运动形成了对流传热。
对流传热可以是自然对流或强制对流，取决于流体运动的形式。
3. 辐射辐射是指通过电磁波的传播传递热量。
所有物体都会向外发射热辐射，其强度与物体的温度有关。
热辐射可以在真空中传递，因此，在没有其他传热方式的情况下，辐射是物体热量传递的唯一方式。
二、传热方程传热方程是用来描述热传递过程的数学模型。
根据不同的传热方式，我们有不同的传热方程。
1. 传导传热方程传导传热方程是用来描述物体内部热量传递的方程。
其一维形式可以表示为：q = -kA(dT/dx)其中，q是热流量，单位为瓦特(W)；k是材料的热导率，单位为瓦特/(米·开尔文)，A是传热截面积，单位为平方米；dT/dx是温度梯度，单位是开尔文/米。
通过该方程，我们可以计算出传热速率和材料的热导率之间的关系，从而预测热传递的行为。
2. 对流传热方程对流传热方程用来描述通过流体的传热过程。
其一维形式可以表示为：q = hA(Ts - T)其中，q是热流量，单位为瓦特(W)；h是对流换热系数，单位为瓦特/(平方米·开尔文)；A是传热面积，单位为平方米；Ts是表面温度，单位为开尔文；T是流体温度，单位为开尔文。
热量的传导辐射和对流
热量的传导辐射和对流热量的传导，辐射和对流热量是物体内部粒子之间的运动能量，它会以不同的方式传递给其他物体或介质。
这种传递过程可以通过三种主要方式进行，即传导，辐射和对流。
本文将详细介绍热量传导、辐射和对流的原理和特点。
一、热量传导热量传导是指热量通过物体内部的粒子之间的碰撞传递的过程。
这种传递方式在固体和液体中非常常见，因为它们有稳定的粒子排列。
在热传导过程中，高温粒子的运动速度较快，能量更高，而低温粒子的运动速度较慢，能量较低。
热量通过高温粒子与低温粒子相互碰撞，并将热能从热源传递到冷源。
热传导的速度取决于多种因素，如物体的导热系数、温度差和物体的几何形状。
导热系数是一个物质传导热量的性质，它描述了单位时间内单位面积内温度梯度的变化。
导热系数越大，热传导速度就越快。
二、热辐射热辐射是以电磁波的形式传递热能的过程。
与热传导不同，热辐射不需要介质来传递热量，因此它可以在真空中传播。
热辐射的能量主要来自于热源的高温辐射发射。
温度较高的物体会发出更多的热辐射，而温度较低的物体则会吸收这些辐射。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，热辐射的能量和温度的四次方成正比。
这意味着，提高温度会显著增加热辐射的能量。
热辐射的颜色也与物体的温度相关，较低温度的物体主要发射红外辐射，而较高温度的物体则会发射可见光。
三、热对流热对流是指由于流体的运动而传递热能的过程。
在对流中，热量通过流体的流动而传递。
这种传递方式常见于气体和液体中，因为它们的粒子能够自由移动。
当物体受热时，流体的密度会变化，形成热对流。
热对流可以分为自然对流和强制对流两种。
自然对流是指由于密度差异引起的流体自发运动，无需外部力的作用。
例如，当加热空气时，由于密度减小，空气会上升形成对流循环。
强制对流是指外部力（如风或泵）的作用下，流体被迫流动起来。
例如，使用风扇或水泵来增加空气或水的流动速度。
热对流的速度取决于流体的性质和流动速度。
热对流可以有效地传递热量，因为流体的流动可以将高温区域的热量快速带到低温区域。
热传递的基本原理
t t t q x ; q y ; q z x y z
注：傅里叶定律只适用于热导率在各个方向是相同的材料（各向同性材料）。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）。
三、一维、稳态导热计算
第二层：
2 2 q (t2 t3 ) t3 t2 q 2 2
第 i 层：
i i q (ti ti 11) ti 1 ti q i i
3、单层圆筒壁的导热
圆柱坐标系：
t 1 t 1 t t c ( r ) 2 ( ) ( ) Φ r r r r z z
本节将针对一维、稳态、常物性、无内热源情况，考察平
板和圆柱内的导热。
t t t t 直角坐标系： c x ( x ) y ( y ) z ( z ) Φ
1、单层平壁的导热
a 几何条件：单层平板； b 物理条件：、c、 已知；无内热源 c 时间条件： 稳态导热 : t 0 d 边界条件：第一类（边界处璧温已知）
第三章 热传递的基本原理
§3-1 §3-2 §3-3 §3-4 导热 对流换热 辐射换热 传热过程和换热器
课件目录
§3-1 导热
一、导热的基本概念 导热： 无相对位移 温度场（Temperature field） 稳态温度场 非稳态温度场
t 0 t f (r ) t f ( r , )
§3-2 对流换热
一、对流换热的概念和类型
热对流：流体内部各部分之间宏观的相对运动。 对流换热：与壁面接触，非基本传热方式，热对流+导热。
实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却；3)电风扇等等。 4）凉风习习、寒气逼人。
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解得： t w2 t w1 x t x t w1 t w1 (t w1 t w2 )
1. 大平壁导热
导过平壁的热流量：
t t t t t t dt S w1 w 2 w1 w2 w1 w2 W dx S R
Q S
R (A) 导热面积为A时导热热阻 C W
二、对流换热的主要影晌因素
⒋几何因素的影响
壁面几何形状、大小，流体与固体热接触的相对 位置等对对流换热的影响。
⒌流体有无相变
h相变 h单相
三、对流换热量的计算
牛顿冷却公式
tw t f Q S (t w t f ) 1 S 无量纲准则数
d Nu
三、对流换热量的计算
t w1 t w 4
=温差除以热阻之和
t w1 t w 4 Q q S 1 2 3
1
2
3
2.长圆筒壁导热
单层
解得
dt d dr ( r dr ) 0 r r1 , t t w1 r r2 , t t w 2
t w 2 t w1 ln r1 t ln r t w1 (t w 2 t w1 ) ln( r2 r1 ) ln( r2 r1 ) ln( r r1 ) t w1 (t w1 t w 2 ) ln( r2 r1 )
2.长圆筒壁导热
代入傅立叶定律得
t w1 t w 2 1 t w1 t w 2 t w1 t w 2 dt Q S 2rL 1 r2 dr R ln( r2 r1 ) r ln 2L r1
管内湍流换热（Re>=10000)
Nu f 0.023Re Pr ;
0.8 f m f
0.4 m 0.3
(tw t f ) (tw t f )
适用范围
L Re f 10 ; 0.7 Prf 160; 60 d
4
四、流体有相变时的对流换热
1. 凝结换热 当蒸汽与低于其相应压力下的饱和温度的壁面接触 时，将发生凝结过程。凝结时蒸汽释放出汽化潜热并 传递给固体壁称凝结换热过程。 分为膜状凝结、珠状凝结 液膜的导热热阻成为膜状凝结换热的主要阻力 不凝结气体——附加热阻（凝汽器设有抽气系统） 排除凝结液、减小液膜厚度——强化膜状凝结换热
二、傅立叶定律及导热系数
导热系数小于0.23W/(m.℃)的材料习惯上称为： “保温材料”或“绝热材料”
三、一维稳态导热计算
1. 大平壁导热 2. 长圆筒壁导热
1. 大平壁导热
单层
d t 0 2 dx x 0, t t w1 x , t tw2
四、流体有相变时的对流换热
四、流体有相变时的对流换热
2、沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一 种传热方式 大容器饱和沸腾曲线 通过对水在一个大气压（1.013×105Pa）下的大容器饱和沸 腾换热过程的实验观察，可以画出下图所示的曲线，称为饱和沸 腾曲线。曲线的横坐标为加热面的过热度；纵坐标为热流密度。
一、对流换热的概念及其类型
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 由一处传递到另一处的现象 对流换热：流体与固体壁间的换热
一、对流换热的概念及其类型
二、对流换热的主要影晌因素
1.流动的起因 2.流体的流态
h强制 h自然
h湍流 h层流
二、傅立叶定律及导热系数
1822年，法国数学家傅里叶（Fourier） 在实验研究基础上，发现导热基本规 律 —— 傅里叶定律 导热基本定律：垂直导过等温面的热流 密度，正比于该处的温度梯度，方向与 dt m ]
2
dx dt 2 q - [W m ] dx
Q S t w1 t w2
t w1 t w 2 t w1 t w 2 W S R
1. 大平壁导热
多层平壁
t w1 t w 2 t w 2 t w3 t w3 t w 4 Q 1 1S 2 2 S 3 3 S
Q
1 2 3 1S 2 S 3 S
第三章 热传递的基本原理
第三章 热传递的基本原理
传热学是研究热能传递规律的学科。温 差的存在，必然会引起热量从高温物体 向低温物体进行传递。 火电厂的生产过程和传热过程联系密切。 热量传递的三种基本方式： 导热 ( 热传导 ) 对流换热 辐射换热
§3-1 导热
一、导热的基本概念 二、傅立叶定律及导热系数 三、一维稳态导热计算
一、导热的基本概念
1、 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。
物质的属性；可以在固体、液体、气体中发生
一、导热的基本概念
2、温度场（Temperature field） 某时刻空间所有各点温度分布的总称 温度场是时间和空间的函数，即：
t f ( x, y, z, )
一、导热的基本概念
3、等温面与等温线 等温面：同一时刻、温度场中所 有温度相同的点连接起来所构成 的面 等温线：用一个平面与各等温面 相交，在这个平面上得到一个等 温线簇 4、温度梯度 将等温面法线方向上的温度变化 率称为温度梯度，用表示。 t t dt grad t Lim n n n 0 n n dx
W W m
t w1 t w 4 ql 3 ri 1 1 ln ri i 1 2i
ql t w1 t wn 1
Rli
i 1
n
t w1 t wn 1 n ri 1 1 ln i 1 2i ri
§3-2 对流换热
一、对流换热的概念及其类型 二、对流换热的主要影晌因素 三、对流换热量的计算 四、流体有相变时的对流换热
t tw t s
§3-3 辐射换热
一、热辐射的基本概念 二、热辐射的基本定律 三、实际物体间的辐射换热计算
§3-4 传热过程与换热器
一、传热过程的分析与计算 二、换热器 三、传热的强化和削弱
t w1 t w2 t w1 t w2 t w1 t w2 Q q W m2 A r
r 单位面积上导热热阻 m2 C W
1. 大平壁导热
热流量是单位时间传递的热量； 它体现了传热的速率或快慢； 传热是一个过程，而非平衡态； —— 这与热力学有区别 导热热阻：与直流电路的欧 姆定律 I=U/R 相似
[W ]
二、傅立叶定律及导热系数
导热系数（热导率）:是一个很重要的热物性 参数，导热系数的大小反映了物体导热能力 的大小。 q
- grad t
金属 非金属; 固相 液相 气相
纯铜 398 W (m C) ; 大理石 2.7W (mC)
0 C : 冰 2.22 W (m C) ; 水 0.551 W (m C) 蒸汽 0.0183 W (m C)
W
t w1 t w 2 t w1 t w 2 Q 1 r2 R ln 2L r1
1
W
长度为L的圆筒壁的 r2 R ln — 2L r1 导热热阻 CW
2.长圆筒壁导热
多层
Q
t w1 t w 4 3 ri 1 1 ln ri i 1 2i L
当Re<2200时为稳定层流； Re>1×10000时为旺盛紊流； 2200<Re<1×10000时则为流 态不 确定的过渡阶段。
wd Re
wd
3.流体的物理性质
h (流体内部和流体与壁面 间导热热阻小 ) 、c h (单位体积流体能携带更 多能量) h (有碍流体流动、不利于 热对流)