第八章冶金傳輸原理熱量傳輸

熱量傳輸?shù)幕靖拍钅喜髮W(xué)機(jī)電工程學(xué)院王文琴參考書《材料加工冶金傳輸原理》的“熱量傳輸部分”吳樹森編著《冶金傳輸原理》的“熱量傳輸部分”沈頤身等編著《傳熱學(xué)》楊世銘陶文銓編著《HEATTRANSFER》YanhuiFeng等編著《TransportPhenomena》R.ByronBird編著在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題制冷、建筑、環(huán)境、采礦、機(jī)械制造、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…§1-1熱量傳輸概述§1-2熱量傳輸?shù)幕痉绞健?-3傳熱過程與熱阻第一章緒論第一章緒論§1-1熱量傳輸概述一、熱量傳輸研究內(nèi)容：研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。熱量傳遞過程的推動(dòng)力：溫差(熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩础Ｓ袦夭罹蜁?huì)有傳熱)（TheSecondLawofhermodynamics）研究目的：一定條件下熱量傳遞的速率。降低傳熱速率：提高熱效率，減少熱損失，節(jié)能提高傳熱速率：提高生產(chǎn)率第一章緒論傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的異同水，M220oC鐵塊，M1300oC熱力學(xué)：tm,Q傳熱學(xué)：過程的速率傳熱方式5.1熱量傳輸?shù)幕痉绞?/p>

傳導(dǎo)傳熱（導(dǎo)熱）對(duì)流傳熱（對(duì)流）輻射傳熱（輻射）（1）導(dǎo)熱定義：在一連續(xù)介質(zhì)內(nèi)若有溫度差存在，或者兩溫度不同的物體直接接觸時(shí)，在物體內(nèi)沒有可見的宏觀物體流動(dòng)時(shí)所發(fā)生的傳熱現(xiàn)象。條件：溫度差。取決于物體本身的物性。微觀機(jī)制：物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)熱物質(zhì)：固體，液體，氣體5.1熱量傳輸?shù)幕靖拍?/p>

導(dǎo)熱的特點(diǎn)必須有溫差物體直接接觸依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移2.導(dǎo)熱機(jī)理氣體：氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。導(dǎo)電固體：自由電子運(yùn)動(dòng)。非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。液體：很復(fù)雜。3傅里葉定律:1822年，法國數(shù)學(xué)家Fourierq：熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量[W/m2]；平壁的厚度[m]；

：平壁兩側(cè)壁溫之差熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))Thermalconductivity一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱傅里葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式xttw1tw2QQ圖1－1通過無限大平板的導(dǎo)熱讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅立葉(JeanBaptisteJosephFourier，1768–1830)，法國著名數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家，1817年當(dāng)選為科學(xué)院院士，1822年任該院終身秘書，后又任法蘭西學(xué)院終身秘書和理工科大學(xué)校務(wù)委員會(huì)主席，主要貢獻(xiàn)是在研究熱的傳播時(shí)創(chuàng)立了一套數(shù)學(xué)理論。熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）(Thermalconductivity)λ——具有單位溫度差（1K）的單位厚度的物體(1m)，在它的單位面積上(1m2)、每單位時(shí)間(1s)的導(dǎo)熱量(J)熱導(dǎo)率表示材料導(dǎo)熱能力大小；物性參數(shù)；實(shí)驗(yàn)確定例題1-1有三塊分別由純銅(熱導(dǎo)率λ1=398W/(m·K))、木材(熱導(dǎo)率λ2=0.12W/(m·K))和鑄鐵(熱導(dǎo)率λ3=40W/(m·K))制成的大平板，厚度都為10mm，兩側(cè)表面的溫差都維持為tw1–tw2=50℃不變，試求通過每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。解：根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱公式，對(duì)于純銅板，

對(duì)于木板對(duì)于鑄鐵板高爐——銅冷卻壁和鑄鐵冷卻壁炒勺——木質(zhì)手柄二、熱對(duì)流(convection)與對(duì)流換熱Heatedairrises,cools,then

falls.

Airnearheateris

replacedbycoolerair,and

thecyclerepeats.

Whatifcoilswereat

thebottom?1.定義與特征熱對(duì)流：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。

流體中有溫差—熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo)，自然界不存在單一的熱對(duì)流

對(duì)流換熱：流體流過與之溫度不同的固體壁面時(shí)的熱量交換。

Convectionheattransfer對(duì)流換熱的特點(diǎn)對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差2.分類對(duì)流換熱按照不同的原因可分為多種類型

是否相變，分為：有相變的對(duì)流換熱和無相變的對(duì)流換熱流動(dòng)原因，分為：強(qiáng)迫對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱。流動(dòng)狀態(tài)，分為：層流和紊流。3.牛頓冷卻公式（1701）uttwA—熱流量[W]，單位時(shí)間傳遞的熱量q—熱流密度h—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)A—與流體接觸的壁面面積—固體壁表面溫度—流體溫度Convectionheattransfercoefficient表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對(duì)流換熱系數(shù)）（Convectionheattransfercoefficient）——當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量h是表征對(duì)流換熱過程強(qiáng)弱的物理量影響h因素：流動(dòng)原因、流動(dòng)狀態(tài)、流體物性、有無相變、壁面形狀大小等例題1-2

一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為3m2，表面溫度為tw=50℃，和溫度為20℃的室內(nèi)空氣之間自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h=4W/(m2·K)。試問該暖氣片相當(dāng)于多大功率的電暖氣?解：暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對(duì)流換熱，Q=Ah(tw–tf)=3m2×4W/(m2·K)×(50-20)K=360W=0.36kW即相當(dāng)于功率為0.36kW的電暖氣。三、熱輻射（Thermalradiation）1.定義——物體通過電磁波來傳遞熱量的方式。電磁波：在真空中可以傳輸30km/s

物體的溫度越高、輻射能力越強(qiáng)；若物體的種

類不同、表面狀況不同，其輻射能力不同輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞Radiationheattransfer短波輻射長波輻射2.輻射換熱的特點(diǎn)——不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量——在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換物體熱力學(xué)能電磁波能物體熱力學(xué)能——無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量;總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫3.斯蒂芬-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體，或稱絕對(duì)黑體。（Blackbody）黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng)LudwigBoltzmann(1844-1906)committedsuicidebecausehethoughthislife'sworkwasinvain.

黑體向外發(fā)射的輻射能：—絕對(duì)黑體輻射力—黑體表面的絕對(duì)溫度（熱力學(xué)溫度）—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，

實(shí)際物體輻射能力：低于同溫度黑體—實(shí)際物體表面的發(fā)射率（黑度），0~1；與物體的種類、表面狀況和溫度有關(guān)

（Emissivity）對(duì)于兩個(gè)相距很近的黑體表面，由于一個(gè)表面發(fā)射出來的能量幾乎完全落到另一個(gè)表面上，那么它們之間的輻射換熱量為：T1T2QA三種換熱方式機(jī)理不同，但在實(shí)際過程中通常是兩三種熱量傳輸方式同時(shí)出現(xiàn)的。熱流量Φ：單位時(shí)間傳遞的熱量。熱通量（熱流密度）q：單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量。傳熱系數(shù)K：單位時(shí)間、單位面積、溫度差為1℃時(shí)傳遞的熱量，即單位傳熱量。傳熱方程：實(shí)踐證明，各種傳熱過程的傳熱量都和溫度差、傳熱面積A、傳熱時(shí)間成正比。

℃/W

總傳熱面積上的熱阻。