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1、传热理论基础传热理论基础刁乃仁刁乃仁电话：电话：866232579/14/20241一、热量传递的基本方式一、热量传递的基本方式 热量传递有三种基本方式热量传递有三种基本方式: :l导热导热 l对流对流 l辐射辐射 9/14/202421、导热导热 在在物物体体内内部部或或相相互互接接触触的的物物体体表表面面之之间间，由由于于分分子子、原原子子及及自自由由电电子子等等微微观观粒粒子子的热运动而产生的热量传递现象。的热运动而产生的热量传递现象。 纯纯导导热热现现象象可可以以发发生生在在固固体体内内部部，也也可可以发生在静止的液体和气体之中。以发生在静止的液体和气体之中。 9/14/20243大平
2、壁的一维稳态导热大平壁的一维稳态导热 0 xt tw2 tw1 特特点点：平平壁壁两两表表面面维维持持均均匀匀恒恒定定不不变变的的温度，温度， 平壁各处温度不随时间改变；平壁各处温度不随时间改变； 壁内温度只沿垂直于壁面的方向变化；壁内温度只沿垂直于壁面的方向变化； 热量只沿着垂直于壁面的方热量只沿着垂直于壁面的方向传递。向传递。热流量热流量：单位时间传过的热量：单位时间传过的热量: : 材材料料的的导导热热系系数数，表表明明材材料料的的导热能力，导热能力，W/(mK)。W9/14/20244热流密度热流密度 q: :单位时间通过单位面积的热流量单位时间通过单位面积的热流量导热热阻导热热阻称为
3、平壁的导热热阻，表示物体对称为平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为导热的阻力，单位为K/W 。tw1 tw2 热阻网络热阻网络9/14/20245 导热系数导热系数 导热系数物质导热能力的大小。单位：导热系数物质导热能力的大小。单位：导热系数物质导热能力的大小。单位：导热系数物质导热能力的大小。单位：W/m.KW/m.KW/m.KW/m.K。绝大多数材料的导热系数值都可以通过实验测得。绝大多数材料的导热系数值都可以通过实验测得。绝大多数材料的导热系数值都可以通过实验测得。绝大多数材料的导热系数值都可以通过实验测得。9/14/20246物质的导热系数在数值上具有下述特点物质的导热系数在数
4、值上具有下述特点: : (1) (1) (1) (1) 对对对对于于于于同同同同一一一一种种种种物物物物质质质质, , , , 固固固固态态态态的的的的导导导导热热热热系系系系数数数数值值值值最最最最大大大大, , , ,气气气气态态态态的导热系数值最小；的导热系数值最小；的导热系数值最小；的导热系数值最小； (2)(2)(2)(2)一般金属的导热系数大于非金属的热导率一般金属的导热系数大于非金属的热导率一般金属的导热系数大于非金属的热导率一般金属的导热系数大于非金属的热导率 ； (3)(3)(3)(3)导电性能好的金属导电性能好的金属导电性能好的金属导电性能好的金属, , , , 其导热性能
5、也好其导热性能也好其导热性能也好其导热性能也好 ； (4)(4)(4)(4)纯金属的导热系数大于它的合金纯金属的导热系数大于它的合金纯金属的导热系数大于它的合金纯金属的导热系数大于它的合金 。 导导导导热热热热系系系系数数数数数数数数值值值值的的的的影影影影响响响响因因因因素素素素较较较较多多多多, , , , 主主主主要要要要取取取取决决决决于于于于物物物物质质质质的的的的种种种种类类类类、物物物物质质质质结结结结构构构构与与与与物物物物理理理理状状状状态态态态, , , , 此此此此外外外外温温温温度度度度、密密密密度度度度、湿湿湿湿度度度度等等等等因因因因素素素素对对对对导导导导热热热热
6、系系系系数数数数也也也也有有有有较较较较大大大大的的的的影影影影响响响响。其其其其中中中中温温温温度度度度对对对对导导导导热系数的影响尤为重要。热系数的影响尤为重要。热系数的影响尤为重要。热系数的影响尤为重要。 9/14/20247温度对导热系数的影响：温度对导热系数的影响： 一一般般地地说说, , 所所有有物物质质的的导导导导热热热热系系系系数数数数都都是是温温度度的的函函数数, ,不不同同物物质质的的热热导导率率随随温度的变化规律不同。温度的变化规律不同。 纯纯金金属属的的导导导导热热热热系系系系数数数数随随温度的升高而减小。温度的升高而减小。 一一般般合合金金和和非非金金属属的的导导导导
7、热热热热系系系系数数数数随随温温度度的的升升高高而而增大。增大。 9/14/20248 用用用用于于于于保保保保温温温温或或或或隔隔隔隔热热热热的的的的材材材材料料料料。国国国国家家家家标标标标准准准准规规规规定定定定，温温温温度度度度低低低低于于于于350350时时时时导导导导热热热热系系系系数数数数小小小小于于于于0.120.12 W/(mW/(m K)K)的的的的材材材材料料料料称称称称为为为为保保保保温温温温材材材材料料料料。保温材料保温材料保温材料保温材料（或称（或称（或称（或称绝热材料绝热材料绝热材料绝热材料）：）：）：）： 多孔材料的导热系数随温度的升高而增大。多孔材料的导热系数
8、随温度的升高而增大。多孔材料的导热系数随温度的升高而增大。多孔材料的导热系数随温度的升高而增大。 多多多多孔孔孔孔材材材材料料料料的的的的导导导导热热热热系系系系数数数数与与与与密密密密度度度度和和和和湿湿湿湿度度度度有有有有关关关关。一一一一般般般般情情情情况况况况下密度和湿度愈大，热导率愈大。下密度和湿度愈大，热导率愈大。下密度和湿度愈大，热导率愈大。下密度和湿度愈大，热导率愈大。典型材料导热系数的数值范围典型材料导热系数的数值范围纯金属纯金属纯金属纯金属 50-415 W/mK 合金合金合金合金 12-120 W/mK 非金属固体非金属固体非金属固体非金属固体 1-40 W/mK 液体液
9、体液体液体( ( ( (非金属非金属非金属非金属) ) ) ) 0.17-0.7 W/mK 绝热材料绝热材料绝热材料绝热材料 0.03-0.12 W/mK 气体气体气体气体 0.007-0.17 W/mK 9/14/202492 、对流、对流 由于流体的宏观运动使不同温度的流体相由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象。对位移而产生的热量传递现象。 特点：热对流只发生在流体之中，并伴随有特点：热对流只发生在流体之中，并伴随有微观粒子热运动而产生的导热。微观粒子热运动而产生的导热。对流换热对流换热 ：流体与相互接触的固体表面之间：流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，
10、是导热和热对流两种基本传热方的热量传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。式共同作用的结果。牛顿冷却公式牛顿冷却公式: = Ah(tw tf) q = h(tw tf) 9/14/202410tw tf h 称称为为对对流流换换热热的的表表面面传传热热系系数数（习习惯惯称称为为对流换热系数对流换热系数），单位为），单位为W/(m2K)。 对流换热热阻：对流换热热阻： = Ah(tw tf) 称为称为对流换热热阻对流换热热阻，单位为，单位为 W/K。对流换热热阻对流换热热阻网络：网络：9/14/202411表面传热系数的影响因素表面传热系数的影响因素： h 的的大大小小反反映映对
11、对流流换换热热的的强强弱弱，与与以以下下因素有关：因素有关： （1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比流体的物性（热导率、粘度、密度、比热容等）；热容等）；（2）流体流体流动的形态（层流、紊流）；流动的形态（层流、紊流）；（3）流动的成因（自然对流或受迫对流）；流动的成因（自然对流或受迫对流）；（4）物体表面的形状、尺寸物体表面的形状、尺寸；（5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。9/14/202412 表表1-1 1-1 一些表面传热系数的数值范围一些表面传热系数的数值范围 对流换热类型对流换热类型对流换热类型对流换热类型表面传热系数表面传热系数表面传热系数
12、表面传热系数 h W /( m2K) 空气与外墙面自然对流换热空气与外墙面自然对流换热空气与外墙面自然对流换热空气与外墙面自然对流换热225 液体自然对流换热液体自然对流换热液体自然对流换热液体自然对流换热501000 气体强迫对流换热气体强迫对流换热气体强迫对流换热气体强迫对流换热25250 液体强迫对流换热液体强迫对流换热液体强迫对流换热液体强迫对流换热5025000 液体沸腾液体沸腾液体沸腾液体沸腾2500100000 蒸气凝结蒸气凝结蒸气凝结蒸气凝结20001000009/14/2024133 3、热辐射、热辐射 电磁波的波谱电磁波的波谱： 射线射线： 510-5 mX射线射线： 51
13、0-7 510-2 m紫外线紫外线： 410-3 0.38 m可见光可见光： 0.38 0.76 m红外线红外线： 0.76 103 m 9/14/202414微波微波： 103 106 m 微微波波炉炉就就是是利利用用微微波波加加热热食食物物，因因微微波波可可穿穿透透塑塑料料、玻玻璃璃和和陶陶瓷瓷制制品品，但但会会被被食食物物中中水水分分子子吸吸收，产生内热源，使食品均匀加热。收，产生内热源，使食品均匀加热。热辐射热辐射 由由于于物物体体内内部部微微观观粒粒子子的的热热运运动动而而使使物物体体向向外发射辐射能的现象。外发射辐射能的现象。 理理论论上上热热辐辐射射的的波波长长范范围围从从零零到
14、到无无穷穷大大，但但在在日日常常生生活活和和工工业业上上常常见见的的温温度度范范围围内内，热热辐辐射射的的波波长长主主要要在在0.1m至至100m之之间间, ,包包括括部部分分紫紫外外线线、可见光和部分红外线三个波段可见光和部分红外线三个波段 。 9/14/202415热辐射的主要特点：热辐射的主要特点： （1）所所有有温温度度大大于于0 K的的物物体体都都具具有有发发射射热热辐辐射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。发射热辐射时：内热能发射热辐射时：内热能 辐射能辐射能 （2）所有实际物体都具有吸收热辐射的能力所有实际物体都具有吸收热辐射的能力，
15、吸收热辐射时：辐射能吸收热辐射时：辐射能 内热能内热能 ； （3）热热辐辐射射不不依依靠靠中中间间媒媒介介，可可以以在在真真空空中中传传播；播； （4）物物体体间间以以热热辐辐射射的的方方式式进进行行的的热热量量传传递递是是双向的。双向的。 高温高温物体物体低温低温物体物体热热辐辐射射是是热热量量传传递递的基本方式之一的基本方式之一 。9/14/202416辐射换热：辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。以热辐射的方式进行的热量交换。辐射换热的主要影响因素辐射换热的主要影响因素：（1 1）物体本身的温度、表面辐射特性；）物体本身的温度、表面辐射特性； （2 2）物体的大小、几何形状及相对位置
16、。）物体的大小、几何形状及相对位置。 注意：注意：（1 1）热热传传导导、热热对对流流和和热热辐辐射射三三种种热热量量传传递递基基本方式往往不是单独出现的；本方式往往不是单独出现的； （2 2）分分析析传传热热问问题题时时首首先先应应该该弄弄清清楚楚有有那那些些传传热热方方式式在在起起作作用用，然然后后再再按按照照每每一一种种传传热热方方式式的的规律进行计算。规律进行计算。 （3 3）如如果果某某一一种种传传热热方方式式与与其其他他传传热热方方式式相相比比作用非常小，往往可以忽略。作用非常小，往往可以忽略。 9/14/202417二、二、传热过程传热过程 传传热热过过程程是是指指热热量量从从固
17、固体体壁壁面面一一侧侧的的流流体体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。 传热过程由三个相互串联的环节组成传热过程由三个相互串联的环节组成: :高高温温流流体体低低温温流流体体固固体体壁壁 （1 1）热热量量从从高高温温流流体体以以对对流流换换热热（或或对对流流换换热热辐射换热）的方式传给壁面；辐射换热）的方式传给壁面； （2 2）热热量量从从一一侧侧壁壁面面以以导导热热的的方式传递到另一侧壁面；方式传递到另一侧壁面； （3 3）热热量量从从低低温温流流体体侧侧壁壁面面以以对对流流换换热热（或或对对流流换换热热辐辐射射换换热）的方式传给低温流体。热）的方式传给
18、低温流体。 9/14/202418通过平壁的稳态传热过程通过平壁的稳态传热过程 假设：假设： tf1、tf2、h1、h2不随时间变化；不随时间变化；为常数为常数。 （1 1）左侧的对流换热）左侧的对流换热 （2 2）平壁的导热）平壁的导热 tw2 tw1 0 xt h1 tf1 h2 tf2 9/14/202419（3 3）右侧的对流换热）右侧的对流换热 在稳态情况下，在稳态情况下，以上以上三式的热流量相同，可得三式的热流量相同，可得 式中式中 ，Rk称为传热热阻。称为传热热阻。 tw1 tw2 tf1 tf2 传热热阻网络传热热阻网络： 9/14/202420传热系数传热系数 将传热热流量的计算公式写成将传热热流量的计算公式写成 式中式中 k 称称为为传传热热系系数数，单单位位为为 W/(m2K)，t为传热温差。为传热温差。 通过单位面积平壁的热流密度为通过单位面积平壁的热流密度为 利利用用上上述述公公式式, , 可可以以很很容容易易求求得得通通过过平平壁壁的的热流量热流量、热流密度、热流密度q及壁面温度及壁面温度tw1、tw2。 9/14/202421
