第八章 冶金传输原理热量传输

第一章 绪论
• 研究目的： 一定条件下热量传递的速率。 提高传热速率：提高生产率
降低传热速率：提高热效率，减少热损失，节能
传热学与工程热力学的异同
铁块，M1 300oC
热力学：tm , Q 传热学：过程的速率
水，M2 20oC
5.1 热量传输的基本方式
传热方式 传导传热 （导热） 对流传热 （对流） 辐射传热 （辐射）
• What if coils were at the bottom?
1. 定义与特征 • 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。 流体中有温差 — 热对流必然同时伴随着 热传导，自然界不存在单一的热对流 • 对流换热：流体流过与之温度不同的固体 壁面时的热量交换。 Convection heat transfer
三、热辐射（Thermal radiation） 1.定义 ——物体通过电磁波来传递热量的方式。 电磁波：在真空中可以传输 30km/s
物体的温度越高、辐射能力越 强；若物体的种 类不同、表面 状况不同，其辐射能力不同
辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量 传递 Radiation heat transfer
热量传输的基本概念
南昌大学 机电工程学院 王文琴
参考书
• 《材料加工冶金传输原理》的“热量传输部分” 吴树森 编著 • 《冶金传输原理》的“热量传输部分” 沈颐身等 编著 • 《传热学》 杨世铭 陶文铨 编著 • 《HEAT TRANSFER》Yanhui Feng等编著 • 《Transport Phenomena》R.Byron Bird编著
解： 根据傅立叶导热公式，对于纯铜板，
q1 1
t w1 t w 2

398 50 / 0.01 1.99 10 6 W / m 2
对于木板
q 2 2
t w1 t w 2

0.12 50 / 0.01 6.0 10 W / m
2
2
对于铸铁板
q3 3
2.导热机理 • 气体：气体分子不规则热运动时相互碰 撞的结果。 • 导电固体：自由电子运动。 • 非导电固体：晶格结构的振动。 • 液体：很复杂。
3傅里叶定律:1822年，法国数学家Fourier
q
t

dT q dx
Q
t
tw1 Q
一维稳态导热傅里叶定律的数学表达式
q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热 量[W/m2]； 平壁的厚度[m]；
纯铜＝398 W /(m K );
棉花＝0.0589 W /(m K );
水 0.6W (m K ) ; 空气 0.026W (m K ) (20C)
例题1-1 有三块分别由纯铜(热导率λ1=398W/(m· K))、 木 材 ( 热 导 率 λ2=0.12W/(m· K)) 和 铸 铁 ( 热 导 率 λ3=40W/(m· K)) 制成的大平板，厚度都为 10mm ，两 侧表面的温差都维持为tw1 – tw2 = 50℃不变，试求通过 每块平板的导热热流密度。
在下列技术领域大量存在传热问题
制冷、建筑、环境、采矿、机械制造、核 能、航空航天、微机电系统（MEMS）、 新材料、军事科学与技术、生命科学与生 物技术…
第一章 绪论
§1-1 热量传输概述 §1-2 热量传输的基本方式 §1-3 传热过程与热阻
第一章 绪论
§1-1热量传输概述
一、热量传输 研究内容：研究热量传递规律的科学。 热量传递过程的推动力：温差 ( 热力学第二定律：热量可以自发地由高温 热源传给低温热源。有温差就会有传热) （The Second Law of hermodynamics）
• 黑体向外发射的辐射能：
Eb bT 4
Eb — 绝对黑体辐射力
W m
2
— 黑体表面的绝对温度（热力学温度） K -8 2 4 b— 斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67 10 W (m K )
T
• 实际物体辐射能力：低于同温度黑体
E bT
4
W m
2
— 实际物体表面的发射率（黑度），0~1；
• 传热系数K 和 热阻R 是传热中两个极为重要的 概念。
提高传热速率：K R 降低传热速率：K R
t t 1 R KA
1 1 1 1 R Rs R f R
对流换热的特点 • 对流换热与热对流不同，既有热对流，也 有导热；不是基本传热方式 • 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 • 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运 动；也必须有温差
2.分类
对流换热按照不同的原因可分为多种类型
是否相变，分为：有相变的对流换热和无 相变的对流换热 流动原因，分为：强迫对流换热和自然对 流换热。 流动状态，分为：层流和紊流。
短波辐射
长波辐射
2.辐射换热的特点
——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
• •
1 ℃/W 总传热面积上的热阻。 KA 1 2· r m ℃/W 单位传热面积上的热阻。 K R
• 热阻：阻碍热量传递的阻力。
t
T Q 1 kA
t t 1 R KA
tw1 Q tw2
Q
x
图1－1通过无限大平板的导热
•
R
1 KA
℃/W 总传热面积上的热阻。
5.1 热量传输的基本概念
与物体的种类、表面状况和温度有关 （Emissivity）
• 对于两个相距很近的黑体表面，由于一 个表面发射出来的能量几乎完全落到另 一个表面上，那么它们之间的辐射换热 量为 ：
A T1 Q
Q A (T T )
4 1 4 2
T2
三种换热方式机理不同，但在实际过程中通 常是两三种热量传输方式同时出现的。
tw2
x
图1－1通过无限大平板的导热
：平壁两侧壁温之差
热导率(导热系数) Thermal conductivity
让· 巴普蒂斯· 约瑟夫· 傅立叶 (Jean Baptiste Joseph Fourier，1768 –1830)，法国 著名数学家、物理学家，1817 年当选为科学院院士，1822年 任该院终身秘书，后又任法兰 西学院终身秘书和理工科大学 校务委员会主席，主要贡献是 在研究热的传播时创立了一套 数学理论。
5.1 热量传输的基本概念
（1）导热
• 定义：在一连续介质内若有温度差存在， 或者两温度不同的物体直接接触时，在物 体内没有可见的宏观物体流动时所发生的 传热现象。 • 条件：温度差。取决于物体本身的物性。 • 微观机制：物体内部微观粒子的热运动 • 导热物质：固体，液体，气体
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 • 不发生宏观的相对位移
h Φ (A( t w t f ))W (m C)
2
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量
•h是表征对流换热过程强弱的物理量
• 影响h因素：流动原因、流动状态、流体物性、 有无相变、壁面形状大小等
例题 1-2 一室内暖气片的散热面积为 3m2，表面温度 为tw = 50℃，和温度为20℃的室内空气之间自然对流 换热的表面传热系数为h = 4 W/(m2· K)。试问该暖气 片相当于多大功率的电暖气? 解： 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热， Q= Ah(tw – tf) = 3m2×4 W/(m2· K)×(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相当于功率为0.36kW的电暖气。
§1-3 传热过程与热阻
• 传热方程：实践证明，各种传热过程的传热量都 t 和温度差 、传热面积A、传热时间 成正比。
Q K A.t
• 热流量Φ：单位时间传递的热量。 • 热通量（热流密度）q：单位时间通过单位面积传 递的热量。 • 传热系数K：单位时间、单位面积、温度差为1℃ 时传递的热量，即单位传热量。
热导率（导热系数）(Thermal conductivity)
q dT dx
λ—— 具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体 (1m)，在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s) 的导热量(J)
热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定
金 属 非 金 属 固 体 液 体 气 体
3.斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boቤተ መጻሕፍቲ ባይዱtzmann
law）
黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物 体， 或称绝对黑体。（Black body） 黑体的辐射能力与吸收能 力最强
Ludwig Boltzmann (1844-1906) committed suicide because he thought his life's work was in vain.
3.牛顿冷却公式（1701）
u
t A tw
Convection heat transfer coefficient — 热流量[W]，单位时间传递的热量
q — 热流密度 h — 表面传热系数 A — 与流体接触的壁面面积
— 固体壁表面温度
— 流体温度
• 表面传热系数（对流换热系数）
（Convection heat transfer coefficient）
t w1 t w 2