浅谈热力学对流系数与接触热阻
对流换热系数和热阻的关系
对流换热系数和热阻的关系对流换热系数和热阻是研究传热的基本参数，也是工程实践中常用的两个指标。
对流换热系数是指单位面积内流体与固体接触的表面处的热量传输率，单位是W/(m2∙K)；而热阻是指单位热流通过材料时所需的温度差，单位是K/W。
在涉及传热问题时，热阻和对流换热系数是必须关注的内容。
对流换热系数和热阻之间存在着一种反比关系。
这种关系是通过热传递公式来描述的，即Q=hAΔT，其中Q是单位时间内传递的热量，h是对流换热系数，A是单位面积，ΔT是温度差。
对于一个传热系统而言，如果对流换热系数越大，那么传热效率就越高，热量传递就越容易；反之，如果热阻越大，那么传热效率就越低，热量传递就越困难。
对流换热系数和热阻的关系不仅存在于理论分析中，也在实际工程应用中得到了广泛的应用。
例如，在设计散热器时，需要考虑到对流换热系数和热阻的关系。
对于一个散热器而言，其对流换热系数越大，就能更快地将散热器内的热量释放到外界；而热阻越小，则相同的温度差下，传热效率就越高，热量释放也更快。
因此，在设计散热器时，需要在对流换热系数和热阻之间取得一个平衡，以便在实际应用中能达到最优的散热效果。
除此之外，对于一些需要控制温度的工艺，例如化工、航空等领域，也需要考虑到对流换热系数和热阻的关系。
在这些领域中，需要考虑一些材料的导热性能，以便在设计时考虑对流换热系数和热阻之间的关系，以达到合适的温度控制效果。
总的来说，对流换热系数和热阻的关系十分密切，是传热领域中的基本概念。
在实际应用中，需要通过理论分析和实验验证来确定它们之间的具体关系，以实现最优的传热效果。
接触热阻
接触热阻
定义
复合系统中，在不同材料的交界面上，普遍认为接触面两侧保持同一温度，即假定两层壁面之间保持了良好的接触。
然而，实际上，两个表面上的温度是不相同的，也就是说存在着温度降。
这个温度降是因为存在着接触热阻的结果。
对于单位面积的交界面，接触热阻可以定义如下：
文字表述为：接触热阻等于两个交界表面温度之差除以热流密度。
接触热阻单位是：
产生原因
交界面上接触热阻的存在主要是由于表面粗糙度的影响。
接触部位之间普遍存在着空隙，在多数工程实践中，间隙中充满着空气。
因此传热是借通过接触间隙的传导和/或者辐射、对流实现的。
接触热阻可以看作是两个并联的热阻：1，来自于接触面积部位产生；2，由间隙产生。
接触面积通常很小，特别是粗糙的表面，其主要作用的是间隙所产生的热阻。
接触热阻定义
接触热阻定义什么是接触热阻？接触热阻本身是一个相对比较简单的理论，但是对于物理学和热力学来说，它却是一个极为重要的概念。
接触热阻是指两种物体表面接触时表面之间的热阻力，与传播热量有关。
热阻是热传导性的一个参数，而接触热阻则是在两个表面之间存在的热阻力。
当两个物体的温度不同，它们之间的热流动就会发生。
如果这两个物体表面完全是接触的，那么它们之间的热量流动速度可能就会受到一些约束。
这种约束称作接触热阻，包括气体-气体、气体-液体、气体-固体、液体-液体、液体-固体以及固体-固体等等多种不同的热阻类型。
我们可以用一个简单的例子来说明接触热阻的概念：如果在做饭的时候，我们使用一把凉铁勺去搅动热汤，那么由于热汤和铁勺之间的接触热阻，铁勺会比汤稍微冷一些。
同样的，如果我们使用一个热的勺子去搅匀一杯冷饮，那么这个勺子也会变得稍微凉一些。
这种热量的传播，它就是取决于两个表面的接触热阻的。
如何计算接触热阻？计算接触热阻的方法取决于热传递的方式。
根据不同的热传递方式，计算接触热阻的基本公式也不同。
在气体-气体之间的热传递中，接触热阻的计算方法主要使用代表气体流动的能量公式。
在液体-气体和液体-液体之间的热传递中，接触热阻的计算方法则会使用液流动的能量公式。
在这些情况下，计算接触热阻需要对不同物质的能量方程进行求解。
而在不同的热传递中，接触热阻的计算方式也不一样。
在气体-固体热传递中，接触热阻的计算方式主要使用冷却效果进行求解。
在液体-固体热传递中，接触热阻的计算方法则需要用到液流动的基本方程。
最后，对于固体-固体之间的热传递，可以通过经验公式进行计算。
这个经验公式是将接触热阻与材料的热导率、表面的平整程度和压力等参数联系在一起进行计算的。
综合考虑接触面的粗糙度、表面磨损和材料导热性能等影响，可以得到更加准确的结果。
优化接触热阻的方法接触热阻是影响热传递效率的一个重要因素。
在很多工业过程中，我们需要用到高效的热传递技术。
化工原理_19对流传热机理和对流传热系数
通常，凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有 助于强化沸腾传热。
二、液体沸腾传热
（2）温度差的影响
温度差是控制沸腾传热过程的重要参数。 一定条件下，多种液体进行泡核沸腾传热时的 对流传热系数与的关系可用下式表达，即
k (t )
n
二、液体沸腾传热
（3）操作压力的影响 提高沸腾操作的压力相当于提高液体的饱和 温度，使液体的表面张力和黏度均下降，有利于 气泡的生成和脱离。
滴状 冷凝
图5-16蒸汽冷凝方式
一、蒸汽冷凝传热
2.膜状冷凝时的对流传热系数 （1）层流膜状冷凝时的对流传热系数 膜状冷凝时对流传热系数关系式推导中作了以 下假设： ①冷凝液膜呈层流流动，传热方式为通过液膜 的热传导。 ②蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。
一、蒸汽冷凝传热
③蒸汽冷凝成液体时所释放的热量仅为冷凝潜 热，蒸汽温度和壁面温度保持不变。 ④冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为 常数。
二、液体沸腾传热
液体沸腾
所谓液体沸腾是指在液体的对流传热过程中，伴 有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气 膜的过程。
二、液体沸腾传热
液体沸腾的方式
池内沸腾 √ 管内沸腾(流动沸腾或强制对流沸腾)
过冷沸腾
饱和沸腾 √
二、液体沸腾传热
1.液体沸腾曲线
图5-17水的沸腾曲线
二、液体沸腾传热
2.液体沸腾传热的影响因素 （1）液体性质的影响
r g 1.13 L(ts tw )
2 3
14
一、蒸汽冷凝传热
（2）湍流膜状冷凝时的对流传热系数 当液膜呈现湍流流动时可应用柯克柏瑞德 (Kirkbride)的经验公式计算，即
浅谈热力学对流系数与接触热阻
浅谈热力学对流系数与接触热阻摘要：热流从一个面流入则会从另一个面穿出，净流体积的热量等于从一些面元流入面的减去从其它面元流出面的热量.这里符号规则规定热流流出为正，单位时间内流入小体积元内的总热量和波动方程比较，这三类边界条件虽然是从不同的物理模型中归结出来的，具有不同的物理意义，但它们的数学形式却是相同的，由此说明提出这三类边界条件的普遍意义。
关键词：热力对流系数接触热阻一、引言在实际应用中，散热片可以具有不同的横截面面积并且可以连接到圆形表面上。
在不同的横截面区域必须要推导一个变量，其基本的解决方案是运用微分方程和数学技术，然而采用微分方程和数学技术会变得更加繁琐，推导出更复杂的情况从而不利于得出结果。
热导率的物理意义为：当相距单位长度的两个平行平面间的温度相差一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传导的热量。
对流传热系数是在对流传热条件下，单位时间内经对流方式从表面S传出的热量与温度差T1-T2和表面积S的比例。
若要测量良导体样品，则样品需做成截面积比较小而传热方向上的长度较大的细长形状。
因为良导体的导热性能好，样品只有做的比较长才能在其两端产生比较明显、易于测量的温差，而做的比较细是为了尽可能减小侧面散热的影响。
需要热电偶的冷端保持温度恒定，实验中采用冰水混合物来保证热电偶的冷端保持0℃；需要尽可能减小样品侧面散热的影响，因此将样品做成薄圆盘状；需要样品的上、下表面各自温度均匀且易于测量，实验中加热盘和散热盘均为金属盘且各自与样品的上、下表面分别密切接触；需要易于散热，实验中采用风扇对散热盘吹风来保证，等等。
理论上对环境温度是先测量还是后测量都是一样的，但是从实际情况分析还是后测量比较准确，这是从减小实验误差的角度考虑的。
实验进行前，由于还没有进行实验，实验过程中的散热也没有影响，因而实验前的环境温度与实验后相比必然有一定程度的偏低。
而实验中对散热过程的测量是在实验靠后的步骤进行的，此时实验过程中的散热必然已经使环境温度有一定程度的变化，因此最后测量环境温度，测得的结果更接近散热过程测量所需的环境温度。
主要内容本章介绍了三种基本传热方式,即导热、对流传热
t
Q qA 2rL dt 常数
dr
t
rQ
dt
dr
t1
r1 2rL
若为常数，则：
Q
t1 t ln r r1
--------可见温度分布 为对数关系
2L
0
t1 r1
r2Q Q t2 dr
薄壳衡b算法
§6.2.2一维稳态导热-----薄壳衡算法
Q t1 t2 ln r2 r1
恒压比热Cp: 恒压条件下，单位质量的物质升高或降低1℃所需（放
出）的热量，KJ/Kg.℃。取平均温度下的数值计算。 有相变时（蒸汽冷凝、液体沸腾）
相变热Q=qmr r:汽化潜热，KJ/Kg。 如热流体是饱和蒸汽，在换热器中冷凝后，冷凝液温度
T2低于饱和温度T1。 则 Q=qm1[r+Cp1(T1-T2)]=qm2Cp2(t2-t1)
t1 t2
r2 r1
2L 2L r2 r1 ln r2 r1 t
令rm
r2 r1 ln r2 r1
--------对数平均半径
当 r2 2 时，可用算术平均代替
r1
于是Q t1 t2 t1 t2
b
b
2Lrm Am
对照：平壁：Q
t1 t2
①对流传热过程的基本概念、定律、传热速率方程； ②管内强制湍流流动时表面传热系数的经验关联及影 响因素； ③总传热速率方程以及传热过程的计算。
6.1 概述
一、传热过程在工业生产中的应用 传热即热的传递（以温度差为推动力的能量传递现象）根据
热力学第二定律，凡是有温度差的存在就必然有热的传递，因 此传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程。许多 单元操作，如蒸发、精馏、干燥、结晶、冷冻、吸收和萃取等， 无不直接或间接与传热有关。
热力学中的热传递与对流
热力学中的热传递与对流热力学是研究能量转化与能量传递过程的学科，而热传递与对流是热力学中重要的热能传递方式。
本文将就热力学中的热传递与对流这一主题展开讨论，探究其基本原理与应用。
一、热传递的基本概念与原理热传递是指由高温区向低温区传递热量的过程。
热传递的基本原理可以归结为三种机制：传导、对流和辐射。
1.传导传导是指物质内部由分子间的碰撞传递热能的过程。
通常，传导过程遵循傅里叶定律，即热传导速率正比于温度梯度，反比于物质的导热系数和传热截面积。
2.对流对流是指介质内部的流动引起的热传递过程。
通过对流传热，热量可以迅速地从一个地方传递到另一个地方。
对流传热的速率与流体的传热系数、温度差和流体的流速密切相关。
3.辐射辐射是指热能以电磁波的形式通过真空或其他介质传递的过程。
辐射传热不需要介质的存在，因此具有独特的特点。
二、对流的分类与特点对流是热传递中常见且重要的方式，它可以分为自然对流和强迫对流两种。
1.自然对流自然对流是指由于密度差异引起的流体运动所带来的对流传热。
典型的自然对流现象包括大气中的热空气上升和冷空气下沉等。
自然对流传热的特点是速度较慢，传热效率相对较低。
2.强迫对流强迫对流是指通过外部机械或其他方式施加的力使流体发生运动，并产生对流传热。
例如，风扇、水泵等设备可以促使流体流动，从而增强传热效果。
强迫对流传热具有较高的传热效率和较快的传热速度。
三、热传递与工程应用热传递与对流在工程领域中有着广泛的应用。
下面将介绍几个常见的例子。
1.散热器散热器是一种利用对流传热原理将热量从热源传递到冷却介质的设备。
散热器通常由散热片和散热风扇组成，通过空气对流将散热片上的热量带走，从而降低热源的温度。
2.暖气片暖气片是一种利用对流传热原理为室内提供加热的设备。
暖气片内部通过热水或蒸汽流动，使得暖气片表面温度升高，通过自然对流或强迫对流传热，将热量传递到室内空气中。
3.换热器换热器是一种通过热传递实现不同介质之间热能交换的设备。
传热学知识点总结
传热学知识点总结传热学是研究热量从一个物体或一个系统传递到另一个物体或系统的科学。
它是热力学的一部分，具有广泛的应用领域，包括能源转换、热力学系统设计和工艺优化等。
以下是传热学的一些重要知识点的总结：1.热传导：热量通过直接接触和分子间的碰撞传递。
在固体中，热传导是最主要的传热方式，其传递速率与物质的热导率、温度梯度和传热距离有关。
2.热对流：热量通过流体（液体或气体）的流动传递。
对流传热的速率取决于流体的速度、温度差和传热面积。
3.热辐射：热能以电磁波的形式从热源发出，无需介质介导即可传递热量。
热辐射与物体的温度和表面特性有关，如表面的发射率和吸收率。
4.导热方程：描述了热传导现象，可以用来计算温度随时间和空间的变化。
它与热导率、物体的几何形状和边界条件有关。
5.导热系数：材料的物理性质，描述了材料导热性能的好坏。
较高的导热系数表示材料更好地传递热量。
6.热对流换热系数：描述了流体换热的能力，表示单位面积上的热量传递速率和温度差之间的关系。
7.四能截面：描述了热辐射的性质，反映了物体吸收、反射和透射电磁波的能力。
8.热阻和热导率：用于描述物体或系统中热量传递的难易程度。
热阻与热导率成反比。
9.传热过程中的能量守恒：热量传递过程中，能量守恒定律适用。
传热的总能量输入等于输出。
10.辐射传热公式：根据黑体辐射定律，描述了热辐射的能量传递，常用于计算热源辐射的热量。
11.对流换热公式：根据精细的实验和理论研究，发展了一系列对流换热公式，用于估算流体对流传热。
12.热导率与温度的关系：大多数材料的热导率随温度的升高而增大，但也有一些例外情况。
13. 传热表征：传热通常使用无量纲数值来表征，如Nusselt数、Prandtl数和Reynolds数，它们描述了传热过程中流体的性质和行为。
14.界面传热：当两个物体或系统接触时，它们之间的传热称为界面传热。
界面传热常见的形式包括对流传热和热辐射。
15.传热器件和应用：传热学的知识应用于各种传热器件和系统，如换热器、蒸发器、冷却器等，为工程和科技应用提供了基础。
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浅谈热力学对流系数与接触热阻
浅谈热力学对流系数与接触热阻
摘要：热流从一个面流入则会从另一个面穿出，净流体积的热量等于从一些面元流入面的减去从其它面元流出面的热量.这里符号规则规定热流流出为正，单位时间内流入小体积元内的总热量和波动方程比较，这三类边界条件虽然是从不同的物理模型中归结出来的，具有不同的物理意义，但它们的数学形式却是相同的，由此说明提出这三类边界条件的普遍意义。
关键词：热力对流系数接触热阻
一、引言
在实际应用中，散热片可以具有不同的横截面面积并且可以连接到圆形表面上。
在不同的横截面区域必须要推导一个变量，其基本的解决方案是运用微分方程和数学技术，然而采用微分方程和数学技术会变得更加繁琐，推导出更复杂的情况从而不利于得出结果。
热导率的物理意义为：当相距单位长度的两个平行平面间的温度相差一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传导的热量。
对流传热系数是在对流传热条件下，单位时间内经对流方式从表面S传出的热量与温度差T1-T2和表面积S的比例。
若要测量良导体样品，则样品需做成截面积比较小而传热方向上的长度较大的细长形状。
因为良导体的导热性能好，样品只有做的比较长才能在其两端产生比较明显、易于测量的温差，而做的比较细是为了尽可能减小侧面散热的影响。
需要热电偶的冷端保持温度恒定，实验中采用冰水混合物来保证热电偶的冷端保持0℃；需要尽可能减小样品侧面散热的影响，因此将样品做成薄圆盘状；需要样品的上、下表面各自温度均匀且易于测量，实验中加热盘和散热盘均为金属盘且各自与样品的上、下表面分别密切接触；需要易于散热，实验中采用风扇对散热盘吹风来保证，等等。
理论上对环境温度是先测量还是后测量都是一样的，但是从实际情况分析还是后测量比较准确，这是从减小实验误差的角度考虑的。
实验进行前，由于还没有进行实验，
实验过程中的散热也没有影响，因而实验前的环境温度与实验后相比必然有一定程度的偏低。
而实验中对散热过程的测量是在实验靠后的步骤进行的，此时实验过程中的散热必然已经使环境温度有一定程度的变化，因此最后测量环境温度，测得的结果更接近散热过程测量所需的环境温度。
因此，对环境温度的测量放在了实验的最后一步进行。
二、关于对流系数的警示性说明
流体与固体表面之间的换热能力，比如说，物体表面与附近空气温差1℃，单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。
表面对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及流体的流速等都有密切关系。
物体表面附近的流体的流速愈大，其表面对流换热系数也愈大。
如人处在风速较大的环境中，由于皮肤表面的对流换热系数较大，其散热（或吸热）量也较大。
对流换热系数可用经验公式计算，通常用巴兹公式计算。
我们已经注意到对流系数可以与流体的类型有所不同，流速梯度为不同的几何形状。
正如我们将在经验关系见到的经常有流速的不确定性。
对流换热系数是求解伴有表面对流换热的热传导问题的重要参数之一。
直接测定对流换热系数的方法分为稳态法与瞬态法。
稳态法对实验条件要求苛刻，实验周期长，误差大。
对流换热系数与流体的物理性质、流动状态和速度、固体壁面物理性质、形状位置都有关，比如同样的流体在紊流和层流时换热系数就不一样，所以不同情况下对流换热系数是不一样的，书上的一些换热系数是通过实验方法得到的一些大致范围，自己随意输入一个换热系数是不科学的，应该内置计算公式来根据具体情况去自动求解流体与壁面间的换热。
瞬态法由于实验周期短，误差小，近年来被广泛运用于对流换热系数测量实验，通常所说的瞬态法是通过瞬时提高来流温度或者壁面温度来达到温
度阶跃，测量窄幅热色液晶显色时间，通过求解一维半无限大平板非稳态导热方程得到测量表面的对流换热系数。
实验中要达到温度的阶跃通常不容易实现，只能是近似阶跃，需要进行逐级阶跃或者指数函数进行修正。
这种处理方式可以近似解决入口温度非阶跃响应问题。
三、接触热阻
当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。
产生接触热阻的主要原因是，任何外表上看来接触良好的两物体，直接接触的实际面积只是交界面的一部分，其余部分都是缝隙。
热量通过充满空隙的流体的导热、对流和辐射的方式传递，而它们的传热能力远不及一般的固体材料。
接触热阻使热流流过交界面时，沿热流方向温度发生突然下降，这是工程应用中需要尽量避免的现象。
不同的材料具有不同的热导率，需要设置的情况是求解区域和设备壳体外表面重合时，也就是求解区域刚好包住设备壳体时，才需要设置壳体外表面与周围环境的换热系数，当求解区域远大于设备壳体外形时，不需要设置。
对流换热系数计算起来是很复杂的，它和很多因素有关系，和接触面的粗糙度、形状、大小、布置方式有关系，和流体的导热系数、密度、比热容、黏度有关系，还和流体的流速有密切联系。
所以这就导致对流换热系数计算起来极其复杂，有些情况下准确的计算对流换热系数甚至是不可能的。
不过对于不同的情况会有一些经验公式，如果有兴趣的话可以去看看传热学。
对于自然对流情况下，空气的对流换热系数在1～10之间，水则在200～1000之间；强制对流情况下，空气的对流换热系数在20～100之间，水则在1000～15000之间。
参考文献
[1] 苏汝锵《统计物理学》高等教育出版社
[2] 赵凯华，罗蔚茵《热学》高等教育出版社
[3] 杨玉顺《工程热力学》机械工业出版社
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