L02-热量传递的3种基本方式与传热过程-传热学
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。
2012年二级建造师辅导-热量传递的基本方式
2012年二级建造师辅导:热量传递的基本方式热量传递的基本方式热量传递有三种基本方式：（1）导热，又称热传导*导热是指物体各部分无相位移或不同物体直接接触时，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*导热系数丸又称导热率，是指单位厚度的物体具有单位温度差时，在它的单位面积上单位时间的导热量。
（2）热对流*依靠流体的运动，把热量由一处传递到另一处的现象，称为热对流。
*工程上常见的传热情况（如管壳式换热器、蒸汽锅炉的管束\冰箱的冷凝器等）往往不是单纯的热对流，而是流体与固体壁直接接触时的换热过程，这时既有热对流也伴随有热传导，已不再是基本传热方式，将其称为对流换热（又称放热）。
*对流换热表面传热系数（有时简称对流换热系数），是指单位面积上，当流体同壁之间为单位温差，在单位时间内所能传递的热量，表达了该对流换热过程的强弱。
（3）热辐射*依靠物体表面对外发射可见和不可见的射线（电磁波）传递热量称为热辐射，也称为辐射换热。
*热辐射传热过程并不需要像导热或热对流那样以冷、热物体的直接接触传递热量。
（4）传热过程导热、热对流和热辐射三种基本传热方式的组合，形成了由温度差引起的传热过程1M411042 增强和削弱传热的途径所谓增强传热，是提高换热设备单位传热面积的传热量，即提高传热系数，减少传热热阻。
而削弱传热是指降低传热系数、增加传热热阻。
（1）传热系数和传热热阻工程中常遇到热量从固体壁面一侧的高温流体，通过固体壁传递给另一侧低温流体的过程，称为传热过程。
如图1M411042所示，假设传热过程处于稳态，热流方向与壁面垂直。
传热的热流量基本汁算式：Q=k（tl-t2）A才由 6--J《执蔡擀*传热系数k:即单位时间、单位壁面积上，冷热流体间每单位温度差可传递的热量。
A值能反映传热过程的强弱。
*传热过程的热阻是冷、热流体的换热热阻及壁的导热热阻之和，与传热系数互为倒数关系。
对于换热器，传热系数k值越大，传热热阻R值越小，传热就越好；对于热力管道的保温，传热系数K值越小，传热热阻及值越大，保温性能越好。
L02-热量传递的3种基本方式与传热过程-传热学
管壳式换热器中固体热阻可以忽略
22
不同固体材质的传热阻力比较
比例 木头 0.5 100倍 珍珠岩 0.05 1000倍 铝 250 5倍
F1 A
传热阻 力对比
钢 50 1
tf1 tf 2 1 1 h h2 1
的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象，称为热对流。
若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度t1处流至温度t2处，
则此热对流过程传递的热流量为：
F Gc p t2 t1
流体中有温差— 对流换热必然同时伴随热传导,不是基本传热方式
机械工程学院 9
(表面)对流换热
对流换热： 流体与固体壁面间的换热
F
B t2 ~0 ℃
J.B. Biot & J.B. Fourier发现： t=(t1-t2) 两端的温差 传递的热量F
∝
L A
长度 横截面积
传递的热量
F AC
t 温差 面积 系数 x 长度
机械工程学院
dt F AC dx
6
导热所遵循的自然规律
A t1 ~100 ℃
热流
F
q ht
机械工程学院
空气：
20 ~ 100 w/m2· K
12
10.3 热辐射
热辐射
定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐射能的现象。 辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递
辐射
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热辐射(和辐射换热)的特点
•所有物体都具有辐射能力; •不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就
1
2
3
材料 + 操作工况
工程传热学第二讲热量传递的三种基本方式
辐射
定义
01
物体通过电磁波传递能量的过程。
影响因素
02
物体的温度、发射率、形状和大小，以及周围环境的温度和发
射率等。
应用
03
太阳能利用、红外加热和干燥、辐射测温等。
02
传导传热原理及影响因素
传导传热原理
微观解释
热量传递是通过物体内部微观粒子的热运动，即粒子间的相互碰撞传递能量的 过程。
实施方案
在两个物体之间填充具有高导热 性能的材料（如金属），通过直 接接触实现热量传递。同时，可 以通过增加接触面积、减小接触 热阻等措施来提高传导传热效率 。
06
工程应用与案例分析
工程领域中的热量传递问题
热量传递在工程中的重要性
工程领域中，热量传递问题广泛存在，如电子设备散热、建筑物保温、能源转换 等。热量传递问题的解决对于提高设备效率、保障安全运行、节能减排等方面具 有重要意义。
料、表面状态及温度。
A 温度
物体的温度越高，其发射的辐射面状况
物体表面的粗糙度、氧化程度、颜色等因 素都会影响其发射和吸收辐射能的能力。
形状与大小
物体的形状和大小影响其与周围环境的辐 射换热面积，从而影响辐射传热速率。
辐射传热计算方法
斯忒藩-玻尔兹曼
定律
描述黑体辐射力与其温度的四次 方成正比的关系，用于计算黑体 的辐射传热速率。
流体传热
在流体中，热量传递可以通过传导和对流两种方式进行。对于静止的流体，传导是主要的传热方式；而对于流动的流 体，对流则占据主导地位。因此，在流体传热中，需要根据流体的流动状态选择合适的传热方式。
真空或气体传热
在真空或气体环境中，由于传导和对流传热效率较低，辐射传热成为主要的传热方式。因此，提高辐射 传热效率是真空或气体传热的关键。
传热学知识点总结
1.基本概念
温度场t=f(x,y,z,t),稳态与日非稳态，一维与二维
导热系数入
2.导热基本定律： 可以认为是由傅立叶导热公式引深而得到，并具有更广泛的适应性。
(1)可以应用于三维温度场中任何一个指定的方向
(2)不要求物体的导热系数必须是常数
(3)不要求沿x方向的导热量处处相等
⑷不要求沿x方向的温度梯度处处相等
第五章对流换热
§5-1对流换热概说
§5-2对流换热的数学扌苗写
§5-3对流换热边界层微分方程组
§5-4相似理论基础
§5-5管内受迫流动
§5-6横向夕除圆管的对流换热
§5-7自然对流换热及实验关联式
要求；通过本章的学习，读者应从定性上熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层 概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的 强化传热措施。本章主要从定量上计算无相变流体的对流换热，读者应臨确选择实验关 联式计算几种典型的无相变换热（管槽内强制对流，夕卜掠平板、单管及管束强制对流，大 空间自然对流）的表面传热系数及换热量。
本章重点：
一.对流换热及其影响因素
对流换热是流体掠过与之有温差的壁面时发生的热量传递。导热和对流同时起作用。表面 传热系数h是过程量。
研究对流换热的目的从定性上讲是揭示对流换热机理并针对具体问题提出强化换热措施， 从定量上讲是育^计算不同形式的对流换热问题的h及Q
对流换热的影响因素总的来说包括流体的流动起因、流动状态、换热面几何因素、相变及 流体热物性等。亦说明h是一复杂的过程量，Newtc冷却公式仅仅是其定义式。
式中P为管横截面周长，tfx指流体在截面X处平均温度。
7.初温为35C流量为1.1kg/s的水，进入直径为50m的力D热管力D热。管内壁温为65C, 如果要求水的出口温度为45C,管长为多长？女口果改用四根等长、直径为25m的管子并 联代替前一根管子，问每根管子应为多长？
能源第七章 热量传递的三种基本方式
Φ 1A1 (T14 -T24 ) W
A1 A2
T1 , A1,ε1 T2
热工基础与应用
4. 例题 已知：A=1.42m2(H=1.75m,d=0.25m),t1=30℃,t2=10 ℃(冬),t2=25℃(夏),ε1=0.95 求：冬天与夏天人体与内墙的辐射传热量
③h：表面传热系数，是表征对流传热过程强弱的 物理量。过程量，与很多因素有关(流体种类、表 面形状、流体速度大小等)
④记住 h 的量级，“个” “十” “百” “千” “成千上万”。(表4-1)
流动方式：强制>自然对流
介质：水>空气 相变：有相变>无相变
水蒸气凝结>有机蒸汽凝结
热工基础与应用
三、辐射(radiation, thermal radiation) 1. 定义 辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式
q Φ A h(tw t f ) W m2 q Φ A h(t f tw) W m2
tw t f t f tw
流体力学研究：tw=tf , isothermal flow
①A:与流体接触的壁面面积
②约定对流传热量永远取正值(失去/得到)
热工基础与应用
③对流传热(convective heat transfer)：流体流 过温度不同的固体壁面时的热量传递过程（工程 上感兴趣）
热工基础与应用
3. 分类 对流传热按照不同的原因可分为多种类型 流动起因，分为：强制对流和自然对流。 是否相变，分为：相变对流传热和无相变对流传热。
热工基础与应用
4. 基本计算式—(Newton’s Law of Cooling)
传热的三种方式21讲解学习
辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。 辐射换热的主要影响因素：
（1）物体本身的温度、表面辐射特性； （2）物体的大小、几何形状及相对位置。
注意：
（1）热传导、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；
（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，然后再按照每一种传热方式的
方式传递到另一侧壁面；
温
固 体
低 温
（3）热量从低温流体侧壁面以 流
流
对流换热（或对流换热＋辐射换 体 壁 体
热）的方式传给低温流体。
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通过平壁的稳态传热过程
假 设 ：tf1、tf2、h1、h2不随时间变化；为常数。
（1）左侧的对流换热
tf1 t
Ah1tw1tf1
tw1 1
对流换热热阻：
= Ah(tw – tf)
tw tf 1
tw tf Rh
Ah
Rh
1 Ah
称为对流换热热阻，单位为 W/K。
对流换热热阻网络：
tw
Rh
tf
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表面传热系数的影响因素：
h 的大小反映对流换热的强弱，与以下 因素有关：
（1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比 热容等）；
可见光： 0.38 < < 0.76 m
红外线： 0.76 < < 103 m
无线电波： > 103 m
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微波： 103< < 106 m
微波炉就是利用微波加热食物，因微波可穿 透塑料、玻璃和陶瓷制品，但会被食物中水分子吸 收，产生内热源，使食品均匀加热。
热量传递方式
热量传递方式热量传递方式指的是热量从一个物体或系统传递到另一个物体或系统的方式。
热量传递是热力学中的基本概念，对于我们理解热力学现象和工程实践有着重要的意义。
热量传递方式主要包括传导、辐射和对流三种方式。
首先，传导是指热量通过物体内部的分子碰撞传递的方式。
当物体中部分分子受热时，它们的动能增加，分子之间相互碰撞会使热量迅速地从高温区域传递到低温区域，从而使得物体整体的温度发生变化。
传导过程中的热量传递速度取决于物体的导热性能和温度梯度。
导热性能是物体传导热量的能力，通常由物质的导热系数决定。
温度梯度则是指单位长度内的温度差异。
传导的热量传递速率可以用傅里叶热传导定律来描述。
其次，辐射是指热量通过电磁波的辐射传递的方式。
对于大部分物体来说，它们的温度会影响辐射的频率和强度。
物体在吸收热能后，会以不同频率的电磁波辐射能量。
这种辐射能量的频率分布和强度与物体的温度有关，它们可以通过普朗克辐射定律和斯特藩-玻尔兹曼定律来描述。
辐射的热量传递速率取决于物体的表面特性、温度和辐射环境的特性。
最后，对流是指热量通过流体介质中的传输流动传递的方式。
当流体受热后，其密度减小，形成一个密度较低的区域，这个区域会上升，而冷流体则会下降，形成对流流动。
对流可以分为自然对流和强迫对流两种。
自然对流是指没有外部力驱动的对流流动，如烟囱产生的气流。
强迫对流是通过外部力，如风扇、水泵等的驱动产生的对流流动。
对流的热量传递速率取决于流体的性质、流动剖面、温度差、流体性状和传热特性等因素。
总结以上三种热量传递方式，它们在自然界和工程实践中起着重要的作用。
传导是固体和液体中主要的热量传递方式，辐射主要发生在高温物体或电磁波的作用下，对流则主要发生在液体和气体这样的流体介质中。
在很多实际问题中，这三种方式往往同时存在，相互作用，共同影响着热量的传递。
因此，了解和研究热量传递方式，对我们的生活和工程实践都有着重要的意义。
为了更好地利用热量传递方式，我们可以通过提高传导、辐射和对流的速率来提高传热效率。
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可以传递能量;
•在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换,物体热力学能电磁波能 物体热力学能;
• 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能
量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体 的能量；总的结果是热由高温传到低温。
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热辐射所遵循的自然规律
- Stefen-Boltzman定律
/
1/ h
空气 水
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10-2/50 1/20 1/200
1 250 25
保温材料中，固体热阻足够大
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热传递过程的例子
A
人体、生物体的换热过程
B
油气井到炼油厂的换热过程
哪个过程的热阻大？
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换热的工程问题与意义
物料的加热和冷却 热量(冷量)的回收与利用 设备与管路的节能与保温
管壳式换热器中固体热阻可以忽略
22
不同固体材质的传热阻力比较
比例 木头 0.5 100倍 珍珠岩 0.05 1000倍 铝 250 5倍
F1 A
传热阻 力对比
钢 50 1
tf1 tf 2 1 1 h h2 1
传热学
- 绪论
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§0 绪论
1. 热量传递的三种基本方式 导热 热对流与对流换热 热辐射与辐射换热 2. 换热过程
机械工程学院 2
热量传递的三种基本方式
- 导热、对流、热辐射 导热
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。
机械工程学院 20
续
温差 F1 A 换热面积 传热阻力 1 1 h h2 1 tf1 tf 2
F1 Ak t
(总)传热系数 串联电阻模型
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4. 关于传热阻力的讨论
间壁式换热的换热过程
F1 Ah1 t f 1 t w1
F 2 A t w1 t w2
F 3 Ah2 t w2 t f 2
F1 A
tf1 tf 2 1 1 h h2 1
B t2 ~0 ℃
J.B. Biot & J.B. Fourier发现： t=(t1-t2) 两端的温差 传递的热量F
∝
L A
长度 横截面积
传递的热量
F AC
t 温差 面积 系数 x 长度
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dt F AC dx
7
热传导的Fourier定律
dt F AC dx
考虑到C为物性，只取正值
dt F A dx
热流量 J/s, W 导热系数：
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F dt q A dx
热流密度
W/m2
F dx ~ A dt
W m ~ 2 m K
W/m· K
1维平板？
8
10.2 对流换热
热对流与对流换热
定义：流体中（气体或液体）温度不同各部分之间，由于发生相对
• 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热； • 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动； • 必须有温差； • 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很
大的边界层。
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对流所遵循的自然规律
- Newton冷却定律
Newton发现：
dtw t w t f d
1
2
3
材料 + 操作工况
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Homework
1
写出热传递三种基本方式和公式，并指出其 中各项的物理意义. (Fourier定律、Newton冷却定律和Stefen-Boltzman定律)。
2
查阅相关资料，估算石油输送过程中保温层 的热阻数值。
机械工程学院 26
The End！
的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象，称为热对流。
若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度t1处流至温度t2处，
则此热对流过程传递的热流量为：
F Gc p t2 t1
流体中有温差— 对流换热必然同时伴随热传导,不是基本传热方式
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(表面)对流换热
对流换热： 流体与固体壁面间的换热
h w/mk m w/mk
传热阻 力对比
空气 20 ~ 100 10-2
水 200 ~ 1 000 10-2
tf1 tf 2
钢
50
F1 A
/
1/ h
空气 水
机械工程学院
10-2/50 1/20 1/200
1 250 25
1 1 h 1 h2
若换热是一个不随时间发生热变化的稳态过程：
dtw ~ 换热量 dF A t F q ht A
表面换热系数
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W m2 K
11
关于表面换热系数”h”的讨论
h 是物性吗？
A B C
改变吹气的速度大小数值，换热量改变吗？ 改变吹气的气体种类，换热量改变吗？ 改变固体表面的形状，换热量改变吗？ 简单的公式形式只是把复杂性 放在了对流换热系数上。 水： 200 ~ 1 000 w/m2· K
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辐射换热量
F1’
净(交换)辐射热量 吸收的辐射热量 - 发射出去的辐射热量
F1
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裂解炉/管式反应器
1
顶顶顶顶
裂解温度：ca 850 ℃ ca 1150 ℃
>1500 ℃
底部烧嘴
侧壁烧嘴
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3. 换热过程
管壳式换热器 管式加热炉
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微观机制
固体:晶格振动，自由电子等 气体：分子热运动。
液体：未完全厘清
机械工程学院 3
导热的特点
必须有温差； 物体直接接触； 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量； 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。
太空中加热食品?
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导热所遵循的自然规律
A t1 ~100 ℃
热流
F
B t2 ~0 ℃
J.B. Biot & J.B. Fourier发现： t=(t1-t2) 两端的温差 传递的热量F
∝
L A
长度 横截面积
传递的热量
F AC
t 温差 面积 系数 x 长度
机械工程学院
dt F AC dx
5
导热所遵循的自然规律
A t1 ~100 ℃
热流
实验发现：
高温物体发射“更多”的热量
F Tw ？
10个100 ℃(373 K)铁块 哪个更烫？
10个3 457 ℃ (3 730 K)铁块
F T4
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F AT
4
15
热辐射的黑度概念
同温度的黑色表面铁块和抛光表面的铁块热辐射 热量相同？
F是不同的
F AT 4
黑度，发射率 =1, 绝对黑体 同温度下，具有最大吸收和辐射能量的物体。
q ht
机械工程学院
空气：
20 ~ 100 w/m2· K
12
10.3 热辐射
热辐射
定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐射能的现象。 辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递
辐射
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热辐射(和辐射换热)的特点
•所有物体都具有辐射能力; •不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就
F
B t2 ~0 ℃
J.B. Biot & J.B. Fourier发现： t=(t1-t2) 两端的温差 传递的热量F
∝
L A
长度 横截面积
传递的热量
F AC
t 温差 面积 系数 x 长度
机械工程学院
dt F AC dx
6
导热所遵循的自然规律
A t1 ~100 ℃
热流
F