热传递方式及计算

第二章热传递方式及计算

2.1.1 导热（热传导）

1 、概念

定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。

如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。

2、导热的特点

z必须有温差

z物体直接接触

z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

z没有能量形式之间的转化

3、导热的基本规律

1 ）傅立叶定律

1822年，法国物理学家

两个表面分别维持均匀恒定温

度的平板，是个一维导热问题。

考察x方向上任意一个厚度为

dx的微元层。

4 ）导热系数λ

9表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位：w/(m·k) 。

9同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。

9金属材料最高，液体次之，气体最小。

例题:

有三块分别由纯铜（热导率λ1=398W/(m·K)）、黄铜（热导率λ2=109W/(m·K)）和碳钢（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t w1 –t w2= 50℃不变，试求通过每块平板的导热热流密度。

2.1.2 辐射换热

1、基本概念

辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式。

辐射换热：两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程。

2、辐射换热的特点

¾不需要物体直接接触。可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。

¾在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。

辐射时：辐射体内热能→辐射能；

吸收时: 辐射能→受射体内热能。

¾只要温度大于零就有能量辐射。

¾物体的辐射能力与其温度、性质有关。

3、热辐射的基本规律（斯蒂芬-玻尔兹曼定律）（Stefan-Boltzmann 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

Boltzman定律：4

0T A Φσ=Boltzman 黑体辐射常数，5.768×10-8 W/(m 2·K 4)

0σ实际物体：4

0T A ΦΦσεε==ε为表面辐射率，取决于物体的种类及状态

2.1.3 对流换热

1 、基本概念

1) 热对流：是指由于流体的宏观运动，从而使流体

各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。

热对流仅发生在流体中，流体中有温差—对流的同时必伴随有导热现象。自然界不存在单一的热对流。

2) 对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。

2、对流换热的特点

z必须有流体的宏观运动，必须有温差；

z对流换热既有对流，也有导热；对流换热不是基本的热量传递方式；

z流体与壁面必须直接接触；

z没有热量形式之间的转化。

3、对流换热的基本规律< 牛顿冷却公式>流体被加热时：流体被冷却时：)(f w t t h q −=)(w f t t h q −=式中，及分别为壁面温度和流体温度，℃。f t w t 如果把温差（亦称温压）记为，并约定永远取正值，则牛顿冷却公式可表示为t Δt

h q Δ=t

Ah Δ=Φh —比例系数（表面传热系数）单位。()2W/m K ⋅

例题：

一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为t w= 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(t

w –t

f

)

= 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。

2.2 钢板热处理方式

2.2.1 概述

中厚板：

厚度4.5-25.0mm钢板

厚板：

厚度25.0-100.0mm钢板

特厚板：

厚度超过100.0mm钢板用途：

主要应用于建筑工程、机械制造、容器制造、造船、桥梁建造等。

中厚板、厚板？

造船钢板：用于制造海洋及内河船舶船体。9合金化

9塑性变形

9

热处理（包括固溶）

强化方法？

需要什么性能？

强度高、塑性、韧性、冷

弯性能、焊接性能、耐蚀

性能都好。

2.2.2 冷却方式

1、喷雾冷却

z喷雾冷却是利用加压空气使水雾化，水和高压高速气流一起从喷嘴喷出形成雾状喷向高温钢板，使钢板冷却的方式。

优点：喷雾冷却装置的冷却调

节能力范围较大，可以实现

单独风冷、弱水冷和喷雾冷;

同时由于喷雾比较均匀。

缺点：但是喷雾冷却的联合喷

嘴结构和配管系统比较复杂，

且设备费用高、噪音大、车

间雾气较大。

酒钢的克莱西姆ADCO系统

2、高压喷水冷却

z高压喷水冷却是将水用一定压力从喷嘴中喷出，水流为连续的，呈紊流状态的冷却方式。

优点：采用这种高速的水流

(水喷流)冲击钢板表面，

水喷流的质量和速度都很

大，在喷流的冲击区域几

乎不产生蒸汽膜。因此，

高压喷水的冷却能力很强。

缺点：但是这种冷却方法水

的喷溅厉害，所以水的利

用率较差。