第6章傳熱機(jī)理與熱流速率方程講述

1、1 第第 章章 6.1 引言引言6.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)6.3 對(duì)流與對(duì)流換熱對(duì)流與對(duì)流換熱6.4 熱輻射熱輻射2 傳熱學(xué)傳熱學(xué)是研究熱量傳遞的普遍規(guī)律及其工程應(yīng)用是研究熱量傳遞的普遍規(guī)律及其工程應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。的一門(mén)科學(xué)。 只要存在只要存在溫度差溫度差，熱量將自發(fā)地從高溫物體傳向，熱量將自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，這是典型的不可逆過(guò)程。低溫物體，這是典型的不可逆過(guò)程。 由于溫度差在自然界、工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中由于溫度差在自然界、工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中普遍存在，所以普遍存在，所以熱量傳遞熱量傳遞無(wú)疑是世界上存在最普無(wú)疑是世界上存在最普遍遍、發(fā)生最頻繁的物理現(xiàn)象。發(fā)生最頻繁的物理現(xiàn)象。3我國(guó)的經(jīng)

2、濟(jì)已經(jīng)連續(xù)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)已經(jīng)連續(xù) 20 20 多年保持高速發(fā)展，總量多年保持高速發(fā)展，總量已經(jīng)躋身世界前列。但是我們也為此付出了非常高已經(jīng)躋身世界前列。但是我們也為此付出了非常高昂的昂的能源、資源和環(huán)境能源、資源和環(huán)境代價(jià)。在各工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，代價(jià)。在各工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，如能源、冶金、化工、建筑、建材、交通，乃至機(jī)如能源、冶金、化工、建筑、建材、交通，乃至機(jī)械、輕工等行業(yè)中，我國(guó)的單位產(chǎn)值能耗比發(fā)達(dá)國(guó)械、輕工等行業(yè)中，我國(guó)的單位產(chǎn)值能耗比發(fā)達(dá)國(guó)家高得多。家高得多。 為了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，必須把為了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，必須把節(jié)能節(jié)能和和減排減排放在放在首要地位。首要地位。 4傳熱原理在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)傳熱原理在傳

3、統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用舉例：域中的應(yīng)用舉例： 正在吊裝的電站鍋爐的正在吊裝的電站鍋爐的尾部換熱管束尾部換熱管束5 浙江華能玉環(huán)電廠浙江華能玉環(huán)電廠 我國(guó)自制我國(guó)自制 的首臺(tái)超超臨界的首臺(tái)超超臨界 1 000 MW 發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)組6煉鋼與軋鋼煉鋼與軋鋼 焦?fàn)t出焦焦?fàn)t出焦在冶金工業(yè)中在冶金工業(yè)中7傳熱原理在高傳熱原理在高新技術(shù)領(lǐng)域中新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用舉例：的應(yīng)用舉例：8長(zhǎng)征火箭長(zhǎng)征火箭 矗立在發(fā)射臺(tái)架上矗立在發(fā)射臺(tái)架上神州號(hào)隔熱瓦細(xì)部神州號(hào)隔熱瓦細(xì)部9航天飛機(jī)腹部的隔熱瓦航天飛機(jī)腹部的隔熱瓦10紅外技術(shù)用于乳腺腫瘤的診斷紅外技術(shù)用于乳腺腫瘤的診斷11用鉆石加工出來(lái)的微尺度換熱銅板：用鉆石加工出來(lái)的微

4、尺度換熱銅板：厚厚125 m，整體尺寸為，整體尺寸為 25mm25mm電子設(shè)備冷卻用的小型熱管電子設(shè)備冷卻用的小型熱管12 三種基本傳熱方式三種基本傳熱方式導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，有不同的導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，有不同的傳遞機(jī)理和熱流速率方程傳遞機(jī)理和熱流速率方程。求解各種傳熱問(wèn)題時(shí)，必。求解各種傳熱問(wèn)題時(shí)，必須遵循這些機(jī)理和熱流方程。須遵循這些機(jī)理和熱流方程。 能量（熱量）守恒定律能量（熱量）守恒定律也不可或缺。也不可或缺。 一切傳熱問(wèn)題都必須在這兩類(lèi)基本規(guī)律的指導(dǎo)下求解。一切傳熱問(wèn)題都必須在這兩類(lèi)基本規(guī)律的指導(dǎo)下求解。能量守恒定律是貫穿傳熱學(xué)始終的基本規(guī)律能量守恒定律是貫穿傳熱學(xué)始終的基本規(guī)律。 13

5、 分析物體的傳熱現(xiàn)象時(shí)，必須注意區(qū)分所取的研分析物體的傳熱現(xiàn)象時(shí)，必須注意區(qū)分所取的研究對(duì)象是一個(gè)究對(duì)象是一個(gè)控制容積控制容積還是一個(gè)還是一個(gè)控制表面控制表面，這兩，這兩者的能量守恒關(guān)系存在原則性的差別。者的能量守恒關(guān)系存在原則性的差別。 控制容積的瞬時(shí)能量守恒原則是控制容積的瞬時(shí)能量守恒原則是 ：進(jìn)入進(jìn)入控制容積的熱流量控制容積的熱流量流出流出控制容積的熱控制容積的熱流量控制容積中流量控制容積中內(nèi)熱源內(nèi)熱源的瞬時(shí)熱功率的瞬時(shí)熱功率 控制容積中控制容積中儲(chǔ)熱量的增加速率儲(chǔ)熱量的增加速率 表面不具備蓄熱能力表面不具備蓄熱能力，針對(duì)控制表面的能量守恒，針對(duì)控制表面的能量守恒關(guān)系中體積蓄熱項(xiàng)將不存在

6、（面熱源項(xiàng)仍可以存關(guān)系中體積蓄熱項(xiàng)將不存在（面熱源項(xiàng)仍可以存在），即：在），即：如果沒(méi)有內(nèi)熱源的話，進(jìn)出熱流量將如果沒(méi)有內(nèi)熱源的話，進(jìn)出熱流量將隨時(shí)保持相等隨時(shí)保持相等。14 注意掌握注意掌握正確的學(xué)習(xí)方法正確的學(xué)習(xí)方法和和解題思路解題思路。 注重對(duì)基本物理概念的理解，學(xué)會(huì)注重對(duì)基本物理概念的理解，學(xué)會(huì)正確運(yùn)用正確運(yùn)用這些這些概念，而不能僅滿足于背誦概念的內(nèi)容。概念，而不能僅滿足于背誦概念的內(nèi)容。 正確的解題步驟正確的解題步驟包括：細(xì)致地審題包括：細(xì)致地審題；判斷問(wèn)題所判斷問(wèn)題所屬的類(lèi)型屬的類(lèi)型；應(yīng)該做出哪些合理的假設(shè)應(yīng)該做出哪些合理的假設(shè)，以便使問(wèn)以便使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化題得到簡(jiǎn)化，但又不歪曲問(wèn)題

7、的本質(zhì)但又不歪曲問(wèn)題的本質(zhì)；選用恰當(dāng)選用恰當(dāng)?shù)挠?jì)算公式求解的計(jì)算公式求解，并對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入的分析并對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入的分析討論。討論。156.2.1 傅里葉定律：導(dǎo)熱的熱流速率方程傅里葉定律：導(dǎo)熱的熱流速率方程16 導(dǎo)熱導(dǎo)熱，也稱為，也稱為熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)，是指具有較高能級(jí)的粒子，是指具有較高能級(jí)的粒子向較低能級(jí)的粒子傳遞能量的過(guò)程，它是一種建向較低能級(jí)的粒子傳遞能量的過(guò)程，它是一種建立在物質(zhì)微觀粒子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上的擴(kuò)散行為。立在物質(zhì)微觀粒子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上的擴(kuò)散行為。 常用術(shù)語(yǔ)、概念常用術(shù)語(yǔ)、概念 溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)，溫度梯度溫度梯度，穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) ，非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 或或 瞬態(tài)溫度

8、場(chǎng)瞬態(tài)溫度場(chǎng) ，一維溫度場(chǎng)一維溫度場(chǎng) ，等溫面等溫面 ，等溫線等溫線 等等。 等溫線（面）的基本性質(zhì)等溫線（面）的基本性質(zhì)。17 物體內(nèi)任意點(diǎn)物體內(nèi)任意點(diǎn)P溫度變化率最大的方向位于等溫線的法線溫度變化率最大的方向位于等溫線的法線方向上。稱該最大溫度變化率為方向上。稱該最大溫度變化率為溫度梯度溫度梯度，記做，記做 grad t kjinztytxtnttgrad18 通過(guò)大平壁的通過(guò)大平壁的熱流量熱流量（傳熱速率傳熱速率）與兩側(cè)表面的溫度差和傳熱面積成與兩側(cè)表面的溫度差和傳熱面積成正比，而與平壁的厚度成反比正比，而與平壁的厚度成反比 12ttqAAA txtAddxtAqdd 該式稱為該式稱為

9、傅里葉定律傅里葉定律 。 式中式中：q 為導(dǎo)熱的為導(dǎo)熱的熱流密度熱流密度，表示通過(guò)單位導(dǎo)熱面積的導(dǎo)熱熱流，表示通過(guò)單位導(dǎo)熱面積的導(dǎo)熱熱流量，量，W/m2； 是壁面的是壁面的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)，表明材料導(dǎo)熱能力的大小表明材料導(dǎo)熱能力的大小，W/(m K)。 式中負(fù)號(hào)僅用來(lái)表示式中負(fù)號(hào)僅用來(lái)表示熱量傳遞的方向永遠(yuǎn)和溫度梯度熱量傳遞的方向永遠(yuǎn)和溫度梯度 dt /dx 的正的正方向相反方向相反。 傳熱面積傳熱面積 A 必須與傳熱方向垂直必須與傳熱方向垂直，或是傳熱方向上的投影面積。，或是傳熱方向上的投影面積。 19Baron Jean Baptiste Joseph Fourier （1768 1830

10、） 20 材料的材料的熱物性熱物性分分成兩大類(lèi)成兩大類(lèi)：一類(lèi)一類(lèi)是是熱力學(xué)性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)，指系統(tǒng)所處的平指系統(tǒng)所處的平衡狀態(tài)參數(shù)，如衡狀態(tài)參數(shù)，如密度、比熱容等密度、比熱容等；另一類(lèi)是另一類(lèi)是輸運(yùn)性輸運(yùn)性質(zhì)質(zhì)，像導(dǎo)熱系數(shù)，像導(dǎo)熱系數(shù)以及動(dòng)量擴(kuò)散率以及動(dòng)量擴(kuò)散率等。在傳熱學(xué)中等。在傳熱學(xué)中這兩類(lèi)性質(zhì)均會(huì)這兩類(lèi)性質(zhì)均會(huì)用到，后者尤其用到，后者尤其顯得重要。顯得重要。 21 不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，而且物質(zhì)的純凈程度以及物不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，而且物質(zhì)的純凈程度以及物理狀態(tài)的變化（密度、溫度、壓力、含濕量等）有所不同。理狀態(tài)的變化（密度、溫度、壓力、含濕量等）有所不同。 保溫材料保溫材料，

11、或稱，或稱隔熱材料隔熱材料 受到特別關(guān)注。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，平受到特別關(guān)注。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，平均溫度在均溫度在350以下時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)不超過(guò)以下時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)不超過(guò) 0.12 W/(m K) 的才的才稱為保溫材料。實(shí)際應(yīng)用中一般經(jīng)常選用導(dǎo)熱系數(shù)在稱為保溫材料。實(shí)際應(yīng)用中一般經(jīng)常選用導(dǎo)熱系數(shù)在 0.070.03 W/(m K) 。 注意導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度是變化的，而且必須在允許的溫度范圍注意導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度是變化的，而且必須在允許的溫度范圍內(nèi)使用。內(nèi)使用。 航天工程與超低溫中的航天工程與超低溫中的超級(jí)絕熱材料表觀導(dǎo)熱系數(shù)超級(jí)絕熱材料表觀導(dǎo)熱系數(shù) 只有只有（0.10.5）10 4 W/(m K)，且一般具有各向異

12、性的特，且一般具有各向異性的特點(diǎn)。點(diǎn)。 材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化可表示為以下的線性函數(shù)材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化可表示為以下的線性函數(shù) ：= 0 （1+bt） 0 代表代表0時(shí)材料導(dǎo)熱系數(shù)的理論值，時(shí)材料導(dǎo)熱系數(shù)的理論值，b 表示導(dǎo)熱系數(shù)的溫表示導(dǎo)熱系數(shù)的溫度變化率。度變化率。22 熱擴(kuò)散率熱擴(kuò)散率，也稱為，也稱為導(dǎo)溫系數(shù)導(dǎo)溫系數(shù)。表示在加熱或冷卻過(guò)程中物。表示在加熱或冷卻過(guò)程中物體內(nèi)溫度趨于均勻一致的能力，單位是體內(nèi)溫度趨于均勻一致的能力，單位是 m2 /s： 在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題中在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題中 a 不會(huì)出現(xiàn)，但在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題中它不會(huì)出現(xiàn)，但在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題中它非常重要。非常重要。 ac23

13、熱對(duì)流熱對(duì)流 指存在溫度差的條件下，伴隨流體的宏觀移動(dòng)發(fā)生指存在溫度差的條件下，伴隨流體的宏觀移動(dòng)發(fā)生的因冷流體與熱流體互相摻混而導(dǎo)致的熱量遷移。的因冷流體與熱流體互相摻混而導(dǎo)致的熱量遷移。 工程上最感興趣的問(wèn)題是發(fā)生在具有不同溫度的運(yùn)動(dòng)流體和工程上最感興趣的問(wèn)題是發(fā)生在具有不同溫度的運(yùn)動(dòng)流體和與之相接觸的各類(lèi)表面之間的熱量傳遞，稱為與之相接觸的各類(lèi)表面之間的熱量傳遞，稱為 對(duì)流換熱對(duì)流換熱。 對(duì)流換熱是導(dǎo)熱和熱對(duì)流兩種傳熱方式聯(lián)合作用的結(jié)果對(duì)流換熱是導(dǎo)熱和熱對(duì)流兩種傳熱方式聯(lián)合作用的結(jié)果。 強(qiáng)迫對(duì)流強(qiáng)迫對(duì)流 自然對(duì)流自然對(duì)流 對(duì)流換熱的對(duì)流換熱的熱流速率方程熱流速率方程是是 稱為牛頓冷卻公式

14、稱為牛頓冷卻公式. 其中：其中：A是對(duì)流換熱的表面積；是對(duì)流換熱的表面積；h 是對(duì)流換是對(duì)流換熱的熱的 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) (以前稱為對(duì)流換熱系數(shù)以前稱為對(duì)流換熱系數(shù)) ，W/(m2 K) 。fwtthA24 熱輻射熱輻射指物質(zhì)內(nèi)部因微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而激發(fā)出來(lái)的電磁指物質(zhì)內(nèi)部因微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而激發(fā)出來(lái)的電磁波（或光量子）能量波（或光量子）能量 。 熱輻射的波長(zhǎng)范圍一般在熱輻射的波長(zhǎng)范圍一般在0.1 100 m。 黑體黑體的理想化模型的理想化模型 黑體不僅具有最高發(fā)射能力，同時(shí)也具有最高的吸收能力，黑體不僅具有最高發(fā)射能力，同時(shí)也具有最高的吸收能力，它吸收全部外來(lái)的它吸收全部外來(lái)的投射輻

15、射投射輻射能量。能量。4bbTq 實(shí)際物體表面發(fā)射熱輻射的能力均低于相同溫度的黑體。一實(shí)際物體表面發(fā)射熱輻射的能力均低于相同溫度的黑體。一般用般用發(fā)射率發(fā)射率 （亦可稱為亦可稱為黑度黑度）描述實(shí)際物體與黑體熱輻射能描述實(shí)際物體與黑體熱輻射能力的差別。力的差別。 實(shí)際物體表面只能吸收外來(lái)投射輻射中的一部分實(shí)際物體表面只能吸收外來(lái)投射輻射中的一部分 ，吸收比吸收比 4bqTabsAG25 輻射熱交換輻射熱交換 輻射熱平衡輻射熱平衡 物體表面與其環(huán)境之間的輻射熱物體表面與其環(huán)境之間的輻射熱交換交換 復(fù)合換熱復(fù)合換熱 或稱或稱 綜合換熱綜合換熱 44wsurqTTh 稱為稱為復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，hr 則稱為則稱為 輻射換熱的表面?zhèn)鬏椛?/p>