传热学~热工

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1、1传 热 学2n 传热学在生产技术领域中的应用十分广泛 。在能源动力、化工制药、材料冶金、机 械制造、电气电信、建筑工程、交通运输 、航空航天、纺织印染、农业林业、生物 工程、环境保护和气象预报等部门中存在 大量的热量传递问题，而且常常还起着关 键作用。n 例如:随着大规模集成电路集成密度的不 断提高，电子器件的冷却问题越来越突出 。 20世纪70年代每平方厘米集成电路芯片 的功率最高约为10w；3n 20世纪80年代增加到2030w/cm2，而进入 20世纪90年代后这一数字则上升到102w的数 量级。芯片产生的这些热量如果不及时散出 ，将使芯片温度升高而影响到电子器件的寿 命及工作的可靠性

2、，因而电子器件的有效散 热方式已成为获得新一代产品的关键问题之 一。n 又如，航天飞行器在重返地球时以当地音 速的1520倍的较高速度进入大气层，在航 天器表面附近发生剧烈的摩擦加热现象致 使气流局部温度高达500015000K。4n为保证航天器安全飞行，有效的冷却及隔热 方法的研究就成为其关键问题。n 实际上近20年来，现代科学技术的进步 ，特别是高参数大容量发电机组的发展，原 子能、太阳能、地热能等新能源的开发利用 航天技术的飞速发展，超导、大规模集成 电路、微型机械和生物工程等一系列现代科 学技术的巨大进步推动了传热学学科的迅速 发展，它的理论体系日趋完善，内容不断充 实已经成为现代技术

3、科学中充满活力的主 要基础学科之一。51-1 热量传递的三种基本方式n热量传递有三种基本方式：n 导热、对流和热辐射。n1导热n 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为导热(或称热传导)。n 例如，固体内部热量从温度较高的部分传 递到温度较低的部分，以及温度较高的固体 把热量传递给与之接触的温度较低的另一固 体都是导热现象。6n 从微观角度来看，气体、液体、导电固体 和非导电固体的导热机理是有所不同的。气 体中，导热是气体分子不规则热运动时相互 碰撞的结果。n 众所周知，气体的温度越高、其分子的运 动动能越大。不同能量水平的分子相互碰

4、撞 的结果，使热量从高温处传到低温处。导电 固体中有相当多的自由电子，它们在晶格之 间像气体分子那样运动。自由电子的运动在 导电固体的导热中起着主要作用。在非导电 固体中，导热是通过晶格结构的振动，即原 子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的 。7n 晶格结构振动的传递在文献中常称为弹性 波。n 至于液体中的导热机理，还存在着不同的 观点。有一种观点认为定性上类似于气体， 只是情况更复杂，因为液体分子间的距离比 较近分子间的作用力对碰撞过程的影响远 比气体为大。另一种观点则认为液体的导热 机理类似于非导电固体，主要靠弹性波的作 用。导热微观机理的进一步论述已超出本书 的范围，有兴趣的同学可参阅

5、热物性学专著 文献。本书以后的论述仅限于导热现象的宏 观规律。8傅立叶定律n 考察如图1-1所示的两 个表面均维持均匀温度的 平板的导热。这是个一维 导热问题。n 对于x方向上任意一个厚度为dx的微元 层来说，根据傅里叶定律，单位时间内通 过该层的导热热量与当地的温度变化率及 平板面积A成正比，即9式中 是比例系数，称为热导率，又称 导热系数，负号表示热量传递的方向同温 度升高的方向相反。n 单位时间内通过某一给定面积的热量称 为热流量，记为，单位为W。单位时间内 通过单位面积的热流量称为热流密度(或称 面积热流量)，记为q，单位为Wm2。当物 体的温度仅在x方向发生变化时，按照傅里 叶定律，

6、热流密度的表示式为：10n 傅里叶定律又称导热基本定律。式(1-1) 和(1-2)是一维稳态导热时傅里叶定律的数 学表达式。n 由式(1-2)可见，当温度t沿x方向增加时 dt/dx0,而q0，说明此时热量沿x减小 的方向传递；n 反之，当dt/dx0时q0，此时热星则 沿x增加的方向传递。11n 导热系数是表征材料导热性能优劣的参 数，即是一种物性参数，其单位为：W (mK)。n 不同材料的导热系数值不同，即使是同 一种材料，导热系数值还与温度等因素有 关，在后章中将作进一步讨论。n 这里仅指出：金属材料的导热系数最高 ，良导电体，如银和铜，也是良导热体； 液体次之；气体最小。12n2.对流

7、换热 n 对流是指由于流体的宏观运动，从而流 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。n 对流仅能发生在流体中，而且由于流体 中的分子同时在进行着不规则的热运动， 因而对流必然伴随有导热现象。n 工程上特别感兴翅的是流体流过一个物 体表面时的热量传递过程并称之为对流 换热以区别于一般意义上的对流。本书 只讨论对流换热。13n 就引起流动的原因而论，对流换热可区分为自然 对流与强制对流两大类。n 自然对流：是由于流体冷、热各部分的密度不同 而引起的，暖气片表面附近受热控气的向上流动就 是一个例子。n 强制对流:如果流体的流动是由于水泵、风机或其 他压差作用所造成的则称为

8、强制对流。冷油器、 冷凝器等管内冷却水的流动都由水泵驱动，它们都 属于强制对流。n 另外，工程上还常遇到液体在热表面上沸腾及蒸 气在冷表面上凝结的对流换热问题，分别简称为沸 腾换热及凝结换热，它们是伴随有相变的对流换热 。14n 式中，tw及tf分别为壁面温度和流体温 度，。如果把温差(亦称温压)记为t， 并约定永远取正值则牛顿冷却公式可表 示为:n 流体被冷却时：n 流体被加热时：牛 顿 冷 却 定 律：对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式 ：15n 式中，比例系数称为表面传热系数 ，单位是W(m2K)。n 表面传热系数的大小与换热过程中的 许多因素有关。它不仅取决于流体的物 性(、cp等)以

9、及换热表面的 形状、大小与布置，而且还与流速有密 切的关系。n 研究对流换热的基本任务就在于用理 论分析或实验方法具体给出各种场合下 h的计算关系式.16n 表1-1给出了几种对流换热过程表面传 热系数数值的大致范围。n 在传热学的学习中，掌握典型条件下表 面传热系数的数量级是很有必要的。n 由表1-1可见，就介质而言，水的对流 换热比空气强烈；就换热方式而言，有相 变的优于无相变的，强制对流高于自然对 流。例如，空气自然对流换热的为110 的量级而水的强制对流的的量级则是 “成千上万”。17n 3.热辐射n 物体通过电磁波来传递能量的方式称为 辐射。物体会因各种原因发出辐射能其 中因热的原因

10、而发出辐射能的现象称为热 辐射。n 自然界中各个物体都不停地向空间发出 热辐射。同时又不断地吸收其他物体发出 的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就 造成了以辐射方式进行的物体间的热量传 递-辐射换热。n 当物体与周围环境处于热平衡时，辐射 换热量等于零。18n 导热、对流这两种热量传递方式只在有 物质存在的条件下才能实现，而热辐射可 以在真空中传递，而且实际上在真空中辐 射能的传递最有效。这是热辐射区别于导 热、对流换热的基本特点。n 当两个物体被真空隔开时，例如地球与 太阳之间，导热与对流都不会发生，只能 进行辐射换热。辐射换热区别于导热、对 流换热的另一个特点是，它不仅产生能量 的转移，而

11、且还伴随着能量形式的转换， 即发射时从热能转换为辐射能，而被吸收 时又从辐射能转换为热能。19nT-黑体的热力学温度，K；n 实验表明，物体的辐射能力与温度有关 ，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也 大不一样。在探索热辐射规律的过程中，一 种称做绝对黑体(简称黑体)的理想物体的概 念具有重大意义。黑体的吸收本领和辐射本 领在同温度的物体中是最大的。n 黑体在单位时间内发出的热辐射热量由 斯忒藩（JStefan)-玻耳兹曼 (LEBoltzmann)定律揭示：20v 式中称为该物体的发射率(习惯上称黑度)， 其值总小于1，它与物体的种类及表面状态有关， 其余符号的意义同前。n -斯忒藩-玻耳兹

12、曼常量，即通常说的黑体 辐射常数，其值为5.6710-8W(m2 K4)；n A-辐射表面积，m2。n 一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑 体。实际物体辐射热流量的计算总可以采用斯忒藩 -玻耳兹曼定律的经验修正形式： 21n 斯忒藩-玻耳兹曼定律又称四次方定律 ，是辐射换热计算的基础。n 应当指出式(1-7)、(1-8)中的 是 物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射 换热量。n 要计算辐射换热量还必须考虑投到物体 上的辐射热量的吸收过程，即要算收支总 帐，这将在以后详细讨论。22（1-91-9）v 一种简单的辐射换热情形是，在面积 为A1、表面温度为T1、发射率为l的一物 体被包容在一个

13、很大的表面温度为T2的空 腔内，此时该物体与空腔表面间的辐射换 热量按下式计算：v 以上分别讨论了导热、对流和热辐射三 种传递热量的基本方式。在实际问题中，这 些方式往往不是单独出现的。这不仅表现在 互相串联的几个换热环节中，而且同一环节 也常是如此。23表1-124n最后应当指出：n 傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩玻 耳兹曼定律对稳态或非稳态过程都是适用 的。n 对于非稳态过程，式(1-1)、(1-6)及(1- 7)中的温度当然是瞬时值，而且由于温度 不仅仅是x的函数，式(1-1)中的dtdx应 改为t / x。25n(1）材料为铜， = 374 W(mK)；n(2) 材料为钢， = 36

14、.3 W(mK）；n(3) 材料为铬砖 = 2.32 W(mK)；n(4) 硅藻土砖， = 0.242 W(mK)。n解 参见图，据式(1-2)有:n 例题: 一块厚度50 mm的平扳,两侧表面 分 别维持在 tw1=300、tw2=100n试求下列条件下通过单位截面积的导热量：t1t2 xt0 26n在稳态过程中垂直于x轴的任一裁面上 导热量都是相等的。将上式对x作从0到 的积分得：v式(a)是当导热系数为常数时一维稳态导热 的热量计算式。将已知数值代入得:v所以：（a）27v铜v钢v铬砖v硅藻土砖v 由计算可见由于铜与硅藻土砖导热系数 的巨大差别导致在相同的条件下，通过铜 板的导热量比通过

15、硅藻土砖的导热量约大三 个数量级。28n 求：(1)此管道的散热必须考虑哪些热 量传递方式；n (2)计算每米长度管道的总散热量。n 解 (1)此管道的散热有辐射换热和自 然对流换热两种方式。n 例题1-2 一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d583mm，外表面实测平均 温度tw=48、空气温度t1=23此时空 气与管道外表面间的自然对流换热的表面 传热系数h=3.42W/(m2K)，保温层外表面 的发射率0.9。29n 管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射换热 可以按式(1-9)计算，并近似地取这些物体的表面温 度等于室内空气温度。于是每米长度管子上的辐射 换热量为:n (2) 把管道每米长度上的散热量记为q1。当 仅考虑自然对流时据式（1-6）单位长度上的 自然对流换热量为:30n 讨论 计算结果表明，对于表面温度为 几十摄氏度()的一类表面的散热问题自 然对流散热量与辐射散热量具有相同的数 量级，必须同时予以考虑。31n 讨论 注意，计算结果是钢板单位面积上辐射出 去的能量，不是辐射换热量。如果室内环境温度 也是27，那么钢板的辐射换热量是多少呢？n 例题1-3 一块发射率0.8的钢板，温度 为27。试计算单位时间内钢板单位面积上 所发出的辐射能。n 解 按式(1-8)，钢板单位面积上所发出的 辐射能为:322-1-2 传热过程和传热系数下面