工程热力学与传热学(中文) 第8章 热量传递的基本方式

8-3-1 热辐射的有关概念
辐射能的现象辐射：是指物体受某种因素的激发而向外发射 2. 热辐射：物体由于受热而向外发射辐射能的现象。
经典的电磁理论认为： 辐射能是由电磁波（electromagnatic）传输的能量。 热辐射的波长范围
理论上 ：0— （整个波谱） 日常生活, 工业上常见的温度范围 ：0.1— 100 µm （包括部分紫外线，可见光，部分红外线）
λ Φ
x
tw1 tw2 ф r1 r r2 dr r
大平壁的稳态导热
（3）热量以对流换热方式从低温流体壁面 传给低温流体，有时还有与周围环境的辐射换热
8-4-2 传热过程举例
考察 一个大平壁, 导热系数=常数，厚度 平壁左侧流体 t f 1, 表面传热系数 h 1, 平壁右侧流体 t f 2 ,表面传热系数 h 2, 且t f 1 > t f 2 ， 设平壁两侧流体温度和表面传热系数不随时间变化。 分析 （1）传热过程 （2）通过平壁传递的热量
流动方向 u ∞ u tw wall
tf t
Φ
平壁上的对流换热
8-2-2 牛顿冷却公式（Newton’s law of cooling）
对流换热的基本计算公式
Ah(t w t f ) q h(t w t f ) ht
式中
1701年， 牛顿提出
流动方向 u ∞ u tw
tf t
凝结换热
管子 外壁
导热
管子 内壁
对流换热
冷却 水
8-4-1 传热过程
1. 传热过程：热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面
传递到另一侧流体的过程。
t
t
2. 传热过程的三个环节
（1）热量以对流换热的方式从高温流体 传给壁面，有时还有辐射换热 （2）热量以导热方式由高温流体壁面传 给低温流体壁面
t w1 t (x) t w2 0 δ


t w1 t w 2
A

t w1 t w 2 R
0
δ
低温侧：
t w 2 t f 2 t w 2 t f 2 Ah 2 (t w 2 t f 2 ) 1 R h2 Ah 2
稳态导热时， 通过每个热 量 传递环节的 热 流量相等
稳态传热时，通过平壁传导的热量：
1 1 Ah 1 A Ah 2 t f 1 t f 2 t f 1 t f 2 R h1 R R h 2 t f 1 t f 2 Rk
,net
可以不依靠中间媒介，在真空中传播。 q 2
,net
T2
热辐射过程中不仅有能量的传递，而且有能量 形式的转化。
热力学能
辐射能
热力学能
8-4 传热过程
分析传热问题
问题1：暖气片的散热过程
热 对流换热 水 内 壁
导热
外 壁
对流换热 辐射换热
周围 环境
问题2：蒸汽动力装置中冷凝器的放热过程 蒸 汽
8-2-3 对流换热的表面传热系数
1. 表面传热系数的大小反映了对流换热的强弱。 2. 影响因素
（1）流体的物性（热导率, 粘度, 密度, 比热容等） （2）流动的成因（自然对流, 强制对流） （3）流动的形态（层流, 紊流） （4）物体表面的形状和尺寸 （5）换热时物体有无相变（沸腾, 凝结）
8-3 热辐射
工程热力学与传热学
传热学 第八章 热量传递的基本方式
郭煜
中国石油大学（北京）机械与储运工程学院
第八章 热量传递的基本方式
内容要求

传热的基本概念 热传导及一维稳态导热的傅里叶定律 热对流，对流换热及牛顿冷却公式 热辐射及其特点 传热过程简介
传热的基本概念
传热：
传热是物质在温度差的作用下所发生的热量传递过程。
传热热阻：
Rk Rh1 R Rh 2 K /W
t f1 t λ h2 Φ 0 δ t w2 t f2 x
传热系数：
k 1 /( 1 1 ) W /(m 2 K ) h1 h2
t w1 h1
通过平壁的热流量：
t f1
t λ h2 Φ 0 δ t w2 t f2 x
宏观范畴
8-1 热传导
8-1-1 热传导（导热）（Conduction）
物体的各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、 原子、自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递 过程。 说明 无论固，液，气体，只要有温度差， 在接触时就会发生导热现象。
单纯的导热，只能发生在密实的固体中。
8-1-2 一维稳态导热的傅里叶定律
Whenever there is a temperature difference in a medium or between media, heat transfer must occur.
传热学（Heat tranfer）：
是研究热量传递过程中的基本规律及其应用的科学。
热量传递的基本方式
热传导（Conduction） 热对流（Convection） 热辐射（Radiation）
A — 换热表面积（the surface area）。 t — 壁面及流体间的总温差 h — 对流换热的表面换热系数
wall （the overall temperature difference）。
Φ
。W/m2.K
平壁上的对流换热
（the convection heat transfer coefficient）
8-2 热对流
8-2-1 热对流和对流换热
1. 对流（Convection）：
是指流体各部分之间发生相对位移时，冷热流体相互 掺混所引起的热量传递现象 。
2. 对流换热（Convection heat transfer）：
流体流过另一个物体表面时， 对流和导热联合起作用的热量 传递现象。 平壁表面的 传热机理
3. 辐射换热（Radiation heat transfer）
当物体之间存在温差时，以热辐射方式进行的热量 传递现象。 两物体温度不同时，高温物体失去热量 两物体温度相同时，辐射换热量为零
发射，吸收 辐射能
4. 热辐射的特点
所有温度大于 0K 的实际物体都具有 发射热辐射的能力。
T1 q1
t w1 t (x) t w2 0
Φ
δ x
法国数学—物理学家 Joseph.Fourier提出的。
大平壁的稳态导热
一维稳态
温度梯度 的方向？
热量传递 的方向？
负号的含义
A
dt dx
W
式中
q W / m2 A
Φ — 热流量（Heat transfer-rate） 单位时间通过给定面积传递的热量。W, kW q — 热流密度（Heat flux） 单位时间通过单位面积传递的热量。W/m2 dt/dx — 热流方向上的温度梯度。 λ— 导热系数 （the thermal conductivity） 反映了材料的导热能力。 W/(m.K)
t f1 t λ h2 Φ 0 δ t w2 t f2 x
t w1 h1
高温侧：
Ah 1 (t
f 1 t w1 )
t
f1
t w1 t f 1 t w1 1 R h1 Ah 1
t f1
t λ h2 Φ t w2 t f2 x
t w1 h1
平壁：
A t w1 t w 2
A k (t f 1 t f 2 )
t w1 h1
Φ
模拟热路
t f1 R h1 tw1 Rλ t w2 R h2 t f2

1 1 Ah 1 A Ah 2
t f 1 t f 2

t f 1 t f 2 R h1 R R h 2

t f 1 t f 2 Rk
（Fourier’s law of one-dimensional steady state heat-conduction）
分析
两个表面均维持均匀温度的大平板导热
t
一维稳态导热的傅里叶定律：
t w1 t w 2 dt A A W dx t w1 t w 2 dt q W / m2 A dx
传热学和热力学的关系
举例 水桶内灼热钢棒的冷却过程
热力学
研究平衡体系。计算系统由一种平衡状态转化为 另一种平衡状态所需的能量。 钢棒和水这一体系最终的平衡温度。
传热学
连续介质
需要多长的时间才能达到平衡状态，即热传播的速率。
在达到平衡状态前某一时刻钢棒温度是多少？ 即钢棒和水的温度随时间的变化规律。