传 热 过 程
传 热过 程 导 论
1. 传热在工业生产中的应用
3. 传热速率与热通量
2. 传热的基本方式
4. 稳态传热与非稳态传热
—2.1 热传导（导热）
—2.2 热对流（对流）
—2.3 热辐射
——物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程，称为热量的传递，简称传热。换句话说,传热是冷热物体间的热量交换。既，传热学是研究在温差作用下热能传递规律的科学。
——根据热力学第二定律，只要有温度差就将有热量自发地从高温处传到低温处，既：传热方向是从高温到低温，推动力是温差。由于自然界和生产技术中几乎到处存在着温度差，所以热量传递就成为自然界、工程技术和生产技术领域中一种非常普遍的现象。
——由于在现代各个生产领域中所遇到的大多数技术问题，乃至自然界中的许多现象都与热能的传递有关，而且几乎任何一种形式的能量最终都是以热能的形式耗散于环境及宇宙之中，因此研究热能的传递、转换与控制的传热学与工程热力学（一般合称热工课程）是大多数工科专业的一门重要的技术基础课程。
——传热学在生产即使领域中的应用非常广泛。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，而且还起着关键作用。例如，航天器在重返地球时以当地音速的15～20倍的极高速度进入大气层，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500～15000K。为保证航天器的安全飞行，有效的冷却及隔热方法研究就成为其关键问题。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日趋完善、内容不断充实，已经成为现代技术科学中充满活力的主要基础学科之一。 1. 传热在工业生产中的应用——工业生产与传热问题更为密切，无论是化学反应过程，还是物理性操作过程，几乎都伴有热量的引入或导出。因此，传热是重要的工业单元操作之一，其应用主要包括以下几方面：——（1）加热或冷却流体，符合化学反应或单元操作的需要；——（2）对设备或管道进行保温、隔热，以减少热量（或冷量）损失；——（3）合理使用热源，进行热量的综合回收利用。2. 传热的基本方式——根据传热的机理不同，传热分为三种基本方式：——2.1 热传导（导热）——定义：热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传递现象。——特点：———
由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传热方向上无物质的宏观位移。———
存在于固体、静止流体及滞流流体中。——发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从高温部分传向低温部分。—— ———
气体：是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低温区的大。热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相互碰撞的结果，热量就由高温区传递到低温区。———
导电固体：有许多的自由分子在晶格之间运动，正如这些自由电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递到低温区。———
非导电固体：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。物体中温度较高部分的分子，因振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部分传递给后者。————一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递的热量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因。———
液体：————★ 一种观点认为它定性地和气体类似，只是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比气体大得多，因而更复杂————★ 另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振动的平衡位置间歇地发生移动——总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。本章只讨论导热现象的宏观规律。——2.2 热对流（对流）——定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程——特点：———
热对流只发生在流体中；———
流体各部分间产生相对位移。——产生对流的原因：———
由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下产生流体质点的相对位移，使轻者上浮，重者下沉，称为自然对流；———
由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动，称为强制对流。——流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同时常常伴随有自然对流。——工业生产中，常遇到的并非是单纯的热对流方式，而是流体流过固体表面时发生的热对流和热传导联合作用的传热过程，即热由流体传递到固体表面（或反之）的过程，通常将它称为对流传热(也称给热)。其特点是靠近固体壁面附近的流体中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式传热。——可见，对流传热与流体流动状况密切相关。——虽然热对流是一种基本的传热方式，但由于热对流总伴随热传导，要将二者分开处理是困难的。因此一般不讨论单纯热对流，而着重讨论具有实际意义的对流传热。——2.3 热辐射——定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。——自然界中一切物体都在不停地发射辐射能，同时又不断地吸收来自其它物体的辐射能，并将其转化为热能。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传递向低温物体。——特点：———
可在真空中传播；———
能量传递同时伴随有能量的转换。——任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。——实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出现，而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种方式为主。3. 传热速率与热通量（热流密度）——衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。———
传热速率dQ（W）：单位时间内通过传热面的热量———
热通量q（W/m2）：每单位面积的传热速率〖说明〗———
传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标；————★ q↗，换热器性能愈———
由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所对应的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准面积；———
对不同的传热方式，传热速率、热通量的名称略有差异。
传热方式 传热速率Q 热通量q
导热 导热速率 导热热通量
对流传热 对流传热速率 对流传热热通量
辐射传热 辐射传热速率 辐射传热热通量
4.稳态传热与非稳态传热
———
稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式。——————————显著特点是传热速率q为常量。连续传热过程属于稳态传热。
———
非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。———————————显著特点是传热速率q为变量。间歇传热过程属于非稳态传热。
热 传导1. 热传导的基本概念
3. 导热系数—1.1 温度场
—3.1 固体的导热系数
—1.2 等温面
—3.2 液体的导热系数
—1.3 温度梯度
—3.3 气体的导热系数
2. 热传导的基本定律——傅立叶定律
—3.4 影响导热系数的因素
上一节：传热过程导论——下一节：对流传热————返回________________________________________
1. 热传导的基本概念
——1.1 温度场
——一物体或系统内部，只要各点存在温度差，热就可以从高温点向低温点传导，即产生热流。因此物体或系统内的温度分布情况决定着由热传导方式引起的传热速率（导热速率）。
——温度场：在任一瞬间，物体或系统内各点的温度分布总和。
——因此，温度场内任一点的温度为该点位置和时间的函数。
〖说明〗
—
若温度场内各点的温度随时间变化，此温度场为非稳态温度场，对应于非稳态的导热状态。
—
若温度场内各点的温度不随时间变化，此温度场为稳态温度场，对应于稳态的导热状态。
—
若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，且不随时间变化，此温度场为一维稳态温度场。
——1.2 等温面
——在同一时刻，具有相同温度的各点组成的面称为等温面。因为在空间同一点不可能同时有两个不同的温度，所以温度不同的等温面不会相交。
——1.3 温度梯度
——从任一点起沿等温面移动，温度无变化，故无热量传递；而沿和等温面相交的任一方向移动，温度发生变化，即有热量传递。温度随距离的变化程度沿法向最大。
——温度梯度：相邻两等温面间温差△t与其距离△n之比的极限。
〖说明〗
—
温度梯度为向量，其正方向为温度增加的方向，与传热方向相反。—
稳定的一维温度场，温度梯度可表示为：grad t = dt/dx2. 热传导的基本定律——傅立叶定律
——物体或系统内导热速率的产生，是由于存在温度梯度的结果，且热流方向和温度降低的方向一致，即与负的温度梯度方向一致，后者称为温度降度。
——傅立叶定律是用以确定在物体各点存在温度差时，因热传导而产生的导热速率大小的定律。
——定义：通过等温面导热速率，与其等温面的面积及温度梯度成正比：
q = dQ/ds = -λ•dT/dX
式中：q 是热通量（热流密度），W/m2
———dQ是导热速率，W
———dS是等温表面的面积，m2
———λ是比例系数，称为导热系数，W/m•℃———dT / dX 为垂直与等温面方向的温度梯度
———“－”表示热流方向与温度梯度方向相反
3. 导热系数
——将傅立叶定律整理，得导热系数定义式：
λ=q/(dT/dX)
——物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。因此，导热系数表征物体导热能力的大小，是物质的物性常数之一。其大小取决于物质的组成结构、状态、温度和压强等。
——导热系数大小由实验测定，其数值随状态变化很大。
——3.1 固体的导热系数
——金属：35～420W/(m•℃)，非金属：0.2～3.0W/ (m•℃)〖说明〗
—
固体中，金属是最好的导热体。纯金属：t↗，λ↘；金属：纯度↗，λ↗—
非金属：ρ，t↗，λ↗。对大多数固体，λ值与温度大致成线性关系：λ=λ0（1+βt）
式中：λ是固体在温度为 t℃时的导热系数，W/(m•℃)———λ0是固体在温度为0℃时的导热系数，W/(m•℃)———β是温度系数，大多数金属：β<0，大多数非金属：β>0
——3.2 液体的导热系数
——液体导热系数：0.07～0.7W/(m•℃)——温度的影响：t↗，λ↘（水、甘油除外）
———★金属液体：其λ比一般液体高，其中纯Na最高———★非金属液体：纯液体的λ比其溶液的大
——3.3 气体的导热系数
——气体的导热系数：0.006～0.67W/(m•℃)——温度的影响：t↗，λ↗
——P的影响：
———★一般压强范围内，λ 随压强变化很小，可忽略
———★过高（>2×105kPa）、过低（<3kPa）时，P↗，λ↗
——气体的导热系数小，对导热不利，但有利于保温、绝热
——3.4 影响导热系数的因素
——
不同的物体有不同的λ，λ金属 > λ固 > λ液 > λ气（与分子距离有关）；——
同种物体的化学组成愈纯、λ 越大； 如纯铜 λ=330，如纯铜中含有微量的砷时λ=122；——
内部结构愈紧密、λ 值愈大； 如聚异氰酸酯塑料 λ=0.18,而聚异氰酸酯泡沫塑料（低温保冷材料）的 λ=0.015～0.023；
——
物理状态： λ冰=1.93，λ水=0.49，λ水蒸气=0.0139；——
湿度：湿材料的导热系数比同样组成的材料要高。因为湿材料含水多，而干材料有空气。（λ水>λ气）；
——
温度：气体，蒸汽，建筑材料和绝热材料的 λ值，随温度升高而增大。大部分液体（水与甘油除外）和大部分金属的 λ 值随温度升高而降低；
——
压强：因为液体可视为不可以压缩，因此压强影响可以忽略。压强对气体的影响（高于2×105或低于3）下，才考虑压强的影响，此时导热系数随压强增高而变大。
——导热本质是分子振动传热，它取决于物质（分子排列）的疏松程度和温度（分子振动的速度）。矛盾的主要方面决定事物的性质，所以气体，蒸汽，建筑材料和绝热材料的λ 值，随温度升高而增大；大部分液体（水与甘油除外）和大部分金属的λ 值随温度升高而降低。
——在工程计算时，温度的变化在不大的范围内，对大部分材料来说，可以认为导热系数随温度是线性关系的，即：
λ = λo(1+b t )
式中：t 为温度
———λo为温度为0℃时的导热系数
———b是由实验测定的常数。在实际计算时，一般可以取其平均温度时的导热系数的数值，在计算中作为常数处理。
——按照guo jia标准（GB4272-92）的规定，凡平均温度不高于350℃，导热系数的数值不大于0.12W/M•K材料称为绝热保温材料（隔热材料或热绝缘材料）。
——特点：是内部有很多细小的空隙，其中充满气体，因而并非为密实固体。但由于其空隙细小，气体在其内部可视为静止的，主要以导热的方式传热，高温时还伴有辐射方式。气体导热系数小，最终使得整个隔热材料的导热系数（也称表观导热系数）的数值非常小，达到隔热保温的作用。
——影响因素：对绝热保温材料，除了要考虑温度的影响以外，还必须注意到湿度的影响。在使用这类绝热保温材料的场合，必须要注意防潮。
对 流传 热
1. 对流传热机理
—3.3 流体的温度
2. 对流传热系数
—3.4 流体的流动状态
3. 对流传热系数的影响因素
—3.5 流体流动的原因
—3.1 流体的种类和相变化情况
—3.6 传热面的形状、位置和大小
—3.2 流体的物性
上一节：热传导——下一节：辐射传热——返回________________________________________
1. 对流传热机理
——对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热，是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传热速率与流动状况有密切关系。
——考察湍流流体：
——
流体流过固体壁面时，由于流体的粘性作用，使靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层。在此薄层内，沿壁面———的法线方向没有热对流，该方向上热的传递仅为热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流底层中的导热热阻
———很大，因此该层中温度差较大，即温度梯度较大。
——
在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡，因此湍流主体中温度差及温度梯度极小，各处的温度 ———基本相同。
——
在湍流主体与滞流底层的过渡层中，热传导和热对流均起作用，在该层内温度发生了缓慢的变化。
——对流传热的热阻主要集中在滞流底层中，因此，减薄滞流底层的厚度是强化对流传热的重要途径。减薄热边界层的厚度，有利于对流传热过程的进行。
2. 对流传热系数
——对流传热是一复杂的过程，包括流体中的热传导、热对流及壁面的热传导过程，因而影响对流传热速率的因素很多。由于过程复杂，进行纯理论计算是相当困难的，故目前工程上采用半经验方法处理，将许多复杂影响因素归纳到比例系数h内。
3. 对流传热系数的影响因素
——对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响h的主要因素是：
——3.1 流体的种类和相变化情况
——h气体h无相变
——3.2 流体的物性
——对h影响较大的流体物性有导热系数λ、粘度μ、比热Cp、密度ρ及对自然对流影响较大的体积膨胀系数β。
——具体地：λ↗、μ、Cp↗、ρ↗、β↗ → h↗
——3.3 流体的温度
——流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差Δt，流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。
——在传热计算过程中，当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。
——3.4 流体的流动状态
——流体呈湍流时，随着Re的增加，滞流底层的厚度减薄，阻力降低，h增大。
——流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂作用，故h较湍流时小。
——即：h滞流
——强制对流：由于外来的作用，迫使流体流动。
——即：h自然对流
辐 射传 热
1. 基本概念和定律
3. 辐射传热基本定律
—1.1 热辐射
—3.1 辐射能力
—1.2 热辐射对物体的作用
—3.2 普朗克定律
—1.3 黑体、镜体、透热体和灰体
—3.3 斯蒂芬-波尔茨曼定律
2. 辐射传热
—3.4 克希霍夫定律
上一节：对流传热——返回________________________________________
——热辐射是热量传递的三种基本方式之一，特别是高温时，热辐射往往成为主要的传热方式。一些加热炉和锅炉中的燃烧加热，高温管道和设备、发动机、火焰燃烧等与周围环境或设备的热量交换等均与辐射传热有关。
1. 基本概念和定律
——1.1 热辐射
——物体由于本身温度或受热而引起内部原子的复杂“鸡动”，产生交替变化的电场和磁场，就会对外发射出辐射能并向四周传播。这种能量是以电磁波的形式进行传递，在一定波长范围内显示为热效应，称为热辐射。当热辐射能量投射在另一物体表面上时，可部分或全部地被吸收，重新转变为热能。
——电磁波的波长范围从零到无穷大，但能被物体吸收而转变为热能的辐射线主要为可见光（0.4～0.8μm ）和红外线（0.8～20μm）两部分，即波长在0.4～20μm之间，统称为热射线。但只有在很高的温度下，才能觉察到可见光线（波长为0.4～0.8μm）的热效应。
——理论上讲，任何物体只要温度在绝对零度以上，都能进行热辐射，但只在高温时才起决定作用。
——1.2 热辐射对物体的作用
——热射线和可见光一样，同样具有反射、折射和吸收的特性，服从光的反射和折射定律，在均一介质中直线传播，在真空和有些气体中可以完全透过，而在固体和液体中则不能透过。根据这些特性，设投在某物体上的总辐射能，总有一部分能量被吸收，一部分能量被反射，其余部分能量穿透过物体。
——1.3 黑体、镜体、透热体和灰体
———
黑体（绝对黑体）：能全部吸收辐射能的物体，即A＝1的物体。自然界中无绝对黑体存在，但有些物体如无光泽的黑漆表面，A＝0.96～0.98，比较接近于黑体。引入黑体只是作为实际物体的一种比较标准，黑体A最大，也具有最大的辐射能力。
———
镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体，即R＝1的物体。实际上镜体也是不存在的，但有些物体如表面磨光的铜，R＝0.97，接近于镜体。
———
透热体：能全部透过辐射能的物体，即D＝1的物体。单原子和对称双原子构成的气体（H2、N2、O2和He等）一般可视为透热体；多原子和不对称双原子气体则能有选择地吸收和反射某一波长范围的辐射能。
———
灰体：以相同吸收率A部分吸收0～∞全部波长辐射能的物体。大多数工程材料均可按灰体处理。因而灰体的特点是：
————★灰体为不透热体，即D=0或A＋R＝1
————★吸收率A不随波长k变化
——物体的A、R和D是和物体的性质、表面状况，所处温度和投射辐射线的波长等有关，一般地：
———
多数固体和液体：不透热体，即D＝0或A＋R＝1。———
气体：不反射能量，即R＝0或A＋D＝1。上述：
———A=物体的吸收率
———R=物体的反射率
———D=物体的投过率
2. 辐射传热
——物体在向外发射辐射能的同时，也会不断地吸收周围其它物体发射的辐射能，并将其重新转变为热能，这种物体间相互发射辐射能和吸收辐射能的传热过程称为辐射传热。若辐射传热是在两个温度不同的物体之间进行，则传热的结果是高温物体将热量传给了低温物体，若两个物体温度相同，则物体间的辐射传热量等于零，但物体间辐射和吸收过程仍在进行。
3. 辐射传热基本定律
——3.1 辐射能力
——物体只要具有一定温度（T>0K）就会不断向空间辐射出各种波长的辐射能。
——物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所能发射出的全部波长范围的总能量，称为该温度下物体的辐射能力，用E表示，单位W/m2。——确定物体的辐射能力先需确定物体辐射某一波长的能力，物体发射特定波长的能力称为单色辐射能力，用Eλ表示，单位W/m2•μm。Eλ的大小不仅与波长 λ 及温度有关，而且与物体的性质有关。
——3.2 普朗克定律
——普朗克定律揭示了黑体的辐射能力E按照波长 λ的分配规律。即表示黑体单色辐射能力和波长、热力学温度之间的函数关系。黑体的辐射系数=5.67 W/(m2•K4)。
——在不同温度下，每个温度有一条能量分布曲线。在指定温度下，黑体辐射各种波长的能量是不同的。但在某一波长可达到最大值。在不太高的温度下，辐射主要集中在波长为0.4～0.8μm的范围内。
——3.3 斯蒂芬-波尔茨曼定律
——斯蒂芬-波尔茨曼定律揭示了黑体的辐射能力E与其表面温度T的关系。它说明了黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比，故又称为四次方定律。
——实验证明：斯蒂芬-波尔茨曼定律也可以应用到灰体。
——不同灰体的辐射系数值不同，它取决于物体性质，表面状况和温度，且总是小于黑体的辐射系数，因此在同一温度下，灰体的辐射能力总是小于黑体，其比值称为物体的黑度。物体的黑度取决于物体的性质、温度以及表面状况（表面粗糙度及氧化程度），是物体本身的特性，与外界情况无关，一般通过实验测定。
——因而只要知道物体的黑度，就可通过斯蒂芬-波尔茨曼定律求得该物体的辐射能力。
——3.4 克希霍夫定律
——克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系。它表明任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，并且只和物体的绝对温度有关。
——根据克希霍夫定律：
———
物体的吸收率A愈大，其辐射能力E也愈大；———
由A＝E/Eb与式ε＝E/Eb比较，A＝ε，即灰体的吸收率在数值上等于同温度下该物体的黑度。因此若测定出了物体的黑度，即可知其吸收率和辐射能力。但A、ε物理意义不同：
————A：吸收率，表示由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数；
————ε：黑度，表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数。
——因物体的A测定比较困难，工程计算中常用 ε 代替。
——工业上常遇到两固体间的相互热辐射，可近似按灰体处理，故较复杂。两固体间辐射传热的净传热量与两物体的温度、形状、相对位置以及物体本身性质有关。
——许多化工设备或管道的外壁温度常常高于周围环境的温度，因此热量将由壁面以对流和辐射两种形式散失。为减少热量散失需进行隔热保温，因此在保温时必须要计算散失的热量，其散热量应为对流传热和辐射传热两部分之和。
1. 传热在工业生产中的应用
3. 传热速率与热通量
2. 传热的基本方式
4. 稳态传热与非稳态传热
—2.1 热传导（导热）
—2.2 热对流（对流）
—2.3 热辐射
——物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程，称为热量的传递，简称传热。换句话说,传热是冷热物体间的热量交换。既，传热学是研究在温差作用下热能传递规律的科学。
——根据热力学第二定律，只要有温度差就将有热量自发地从高温处传到低温处，既：传热方向是从高温到低温，推动力是温差。由于自然界和生产技术中几乎到处存在着温度差，所以热量传递就成为自然界、工程技术和生产技术领域中一种非常普遍的现象。
——由于在现代各个生产领域中所遇到的大多数技术问题，乃至自然界中的许多现象都与热能的传递有关，而且几乎任何一种形式的能量最终都是以热能的形式耗散于环境及宇宙之中，因此研究热能的传递、转换与控制的传热学与工程热力学（一般合称热工课程）是大多数工科专业的一门重要的技术基础课程。
——传热学在生产即使领域中的应用非常广泛。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，而且还起着关键作用。例如，航天器在重返地球时以当地音速的15～20倍的极高速度进入大气层，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500～15000K。为保证航天器的安全飞行，有效的冷却及隔热方法研究就成为其关键问题。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日趋完善、内容不断充实，已经成为现代技术科学中充满活力的主要基础学科之一。 1. 传热在工业生产中的应用——工业生产与传热问题更为密切，无论是化学反应过程，还是物理性操作过程，几乎都伴有热量的引入或导出。因此，传热是重要的工业单元操作之一，其应用主要包括以下几方面：——（1）加热或冷却流体，符合化学反应或单元操作的需要；——（2）对设备或管道进行保温、隔热，以减少热量（或冷量）损失；——（3）合理使用热源，进行热量的综合回收利用。2. 传热的基本方式——根据传热的机理不同，传热分为三种基本方式：——2.1 热传导（导热）——定义：热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传递现象。——特点：———
由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传热方向上无物质的宏观位移。———
存在于固体、静止流体及滞流流体中。——发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从高温部分传向低温部分。—— ———
气体：是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低温区的大。热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相互碰撞的结果，热量就由高温区传递到低温区。———
导电固体：有许多的自由分子在晶格之间运动，正如这些自由电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递到低温区。———
非导电固体：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。物体中温度较高部分的分子，因振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部分传递给后者。————一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递的热量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因。———
液体：————★ 一种观点认为它定性地和气体类似，只是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比气体大得多，因而更复杂————★ 另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振动的平衡位置间歇地发生移动——总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。本章只讨论导热现象的宏观规律。——2.2 热对流（对流）——定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程——特点：———
热对流只发生在流体中；———
流体各部分间产生相对位移。——产生对流的原因：———
由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下产生流体质点的相对位移，使轻者上浮，重者下沉，称为自然对流；———
由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动，称为强制对流。——流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同时常常伴随有自然对流。——工业生产中，常遇到的并非是单纯的热对流方式，而是流体流过固体表面时发生的热对流和热传导联合作用的传热过程，即热由流体传递到固体表面（或反之）的过程，通常将它称为对流传热(也称给热)。其特点是靠近固体壁面附近的流体中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式传热。——可见，对流传热与流体流动状况密切相关。——虽然热对流是一种基本的传热方式，但由于热对流总伴随热传导，要将二者分开处理是困难的。因此一般不讨论单纯热对流，而着重讨论具有实际意义的对流传热。——2.3 热辐射——定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。——自然界中一切物体都在不停地发射辐射能，同时又不断地吸收来自其它物体的辐射能，并将其转化为热能。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传递向低温物体。——特点：———
可在真空中传播；———
能量传递同时伴随有能量的转换。——任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。——实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出现，而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种方式为主。3. 传热速率与热通量（热流密度）——衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。———
传热速率dQ（W）：单位时间内通过传热面的热量———
热通量q（W/m2）：每单位面积的传热速率〖说明〗———
传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标；————★ q↗，换热器性能愈———
由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所对应的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准面积；———
对不同的传热方式，传热速率、热通量的名称略有差异。
传热方式 传热速率Q 热通量q
导热 导热速率 导热热通量
对流传热 对流传热速率 对流传热热通量
辐射传热 辐射传热速率 辐射传热热通量
4.稳态传热与非稳态传热
———
稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式。——————————显著特点是传热速率q为常量。连续传热过程属于稳态传热。
———
非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。———————————显著特点是传热速率q为变量。间歇传热过程属于非稳态传热。
热 传导1. 热传导的基本概念
3. 导热系数—1.1 温度场
—3.1 固体的导热系数
—1.2 等温面
—3.2 液体的导热系数
—1.3 温度梯度
—3.3 气体的导热系数
2. 热传导的基本定律——傅立叶定律
—3.4 影响导热系数的因素
上一节：传热过程导论——下一节：对流传热————返回________________________________________
1. 热传导的基本概念
——1.1 温度场
——一物体或系统内部，只要各点存在温度差，热就可以从高温点向低温点传导，即产生热流。因此物体或系统内的温度分布情况决定着由热传导方式引起的传热速率（导热速率）。
——温度场：在任一瞬间，物体或系统内各点的温度分布总和。
——因此，温度场内任一点的温度为该点位置和时间的函数。
〖说明〗
—
若温度场内各点的温度随时间变化，此温度场为非稳态温度场，对应于非稳态的导热状态。
—
若温度场内各点的温度不随时间变化，此温度场为稳态温度场，对应于稳态的导热状态。
—
若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，且不随时间变化，此温度场为一维稳态温度场。
——1.2 等温面
——在同一时刻，具有相同温度的各点组成的面称为等温面。因为在空间同一点不可能同时有两个不同的温度，所以温度不同的等温面不会相交。
——1.3 温度梯度
——从任一点起沿等温面移动，温度无变化，故无热量传递；而沿和等温面相交的任一方向移动，温度发生变化，即有热量传递。温度随距离的变化程度沿法向最大。
——温度梯度：相邻两等温面间温差△t与其距离△n之比的极限。
〖说明〗
—
温度梯度为向量，其正方向为温度增加的方向，与传热方向相反。—
稳定的一维温度场，温度梯度可表示为：grad t = dt/dx2. 热传导的基本定律——傅立叶定律
——物体或系统内导热速率的产生，是由于存在温度梯度的结果，且热流方向和温度降低的方向一致，即与负的温度梯度方向一致，后者称为温度降度。
——傅立叶定律是用以确定在物体各点存在温度差时，因热传导而产生的导热速率大小的定律。
——定义：通过等温面导热速率，与其等温面的面积及温度梯度成正比：
q = dQ/ds = -λ•dT/dX
式中：q 是热通量（热流密度），W/m2
———dQ是导热速率，W
———dS是等温表面的面积，m2
———λ是比例系数，称为导热系数，W/m•℃———dT / dX 为垂直与等温面方向的温度梯度
———“－”表示热流方向与温度梯度方向相反
3. 导热系数
——将傅立叶定律整理，得导热系数定义式：
λ=q/(dT/dX)
——物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。因此，导热系数表征物体导热能力的大小，是物质的物性常数之一。其大小取决于物质的组成结构、状态、温度和压强等。
——导热系数大小由实验测定，其数值随状态变化很大。
——3.1 固体的导热系数
——金属：35～420W/(m•℃)，非金属：0.2～3.0W/ (m•℃)〖说明〗
—
固体中，金属是最好的导热体。纯金属：t↗，λ↘；金属：纯度↗，λ↗—
非金属：ρ，t↗，λ↗。对大多数固体，λ值与温度大致成线性关系：λ=λ0（1+βt）
式中：λ是固体在温度为 t℃时的导热系数，W/(m•℃)———λ0是固体在温度为0℃时的导热系数，W/(m•℃)———β是温度系数，大多数金属：β<0，大多数非金属：β>0
——3.2 液体的导热系数
——液体导热系数：0.07～0.7W/(m•℃)——温度的影响：t↗，λ↘（水、甘油除外）
———★金属液体：其λ比一般液体高，其中纯Na最高———★非金属液体：纯液体的λ比其溶液的大
——3.3 气体的导热系数
——气体的导热系数：0.006～0.67W/(m•℃)——温度的影响：t↗，λ↗
——P的影响：
———★一般压强范围内，λ 随压强变化很小，可忽略
———★过高（>2×105kPa）、过低（<3kPa）时，P↗，λ↗
——气体的导热系数小，对导热不利，但有利于保温、绝热
——3.4 影响导热系数的因素
——
不同的物体有不同的λ，λ金属 > λ固 > λ液 > λ气（与分子距离有关）；——
同种物体的化学组成愈纯、λ 越大； 如纯铜 λ=330，如纯铜中含有微量的砷时λ=122；——
内部结构愈紧密、λ 值愈大； 如聚异氰酸酯塑料 λ=0.18,而聚异氰酸酯泡沫塑料（低温保冷材料）的 λ=0.015～0.023；
——
物理状态： λ冰=1.93，λ水=0.49，λ水蒸气=0.0139；——
湿度：湿材料的导热系数比同样组成的材料要高。因为湿材料含水多，而干材料有空气。（λ水>λ气）；
——
温度：气体，蒸汽，建筑材料和绝热材料的 λ值，随温度升高而增大。大部分液体（水与甘油除外）和大部分金属的 λ 值随温度升高而降低；
——
压强：因为液体可视为不可以压缩，因此压强影响可以忽略。压强对气体的影响（高于2×105或低于3）下，才考虑压强的影响，此时导热系数随压强增高而变大。
——导热本质是分子振动传热，它取决于物质（分子排列）的疏松程度和温度（分子振动的速度）。矛盾的主要方面决定事物的性质，所以气体，蒸汽，建筑材料和绝热材料的λ 值，随温度升高而增大；大部分液体（水与甘油除外）和大部分金属的λ 值随温度升高而降低。
——在工程计算时，温度的变化在不大的范围内，对大部分材料来说，可以认为导热系数随温度是线性关系的，即：
λ = λo(1+b t )
式中：t 为温度
———λo为温度为0℃时的导热系数
———b是由实验测定的常数。在实际计算时，一般可以取其平均温度时的导热系数的数值，在计算中作为常数处理。
——按照guo jia标准（GB4272-92）的规定，凡平均温度不高于350℃，导热系数的数值不大于0.12W/M•K材料称为绝热保温材料（隔热材料或热绝缘材料）。
——特点：是内部有很多细小的空隙，其中充满气体，因而并非为密实固体。但由于其空隙细小，气体在其内部可视为静止的，主要以导热的方式传热，高温时还伴有辐射方式。气体导热系数小，最终使得整个隔热材料的导热系数（也称表观导热系数）的数值非常小，达到隔热保温的作用。
——影响因素：对绝热保温材料，除了要考虑温度的影响以外，还必须注意到湿度的影响。在使用这类绝热保温材料的场合，必须要注意防潮。
对 流传 热
1. 对流传热机理
—3.3 流体的温度
2. 对流传热系数
—3.4 流体的流动状态
3. 对流传热系数的影响因素
—3.5 流体流动的原因
—3.1 流体的种类和相变化情况
—3.6 传热面的形状、位置和大小
—3.2 流体的物性
上一节：热传导——下一节：辐射传热——返回________________________________________
1. 对流传热机理
——对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热，是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传热速率与流动状况有密切关系。
——考察湍流流体：
——
流体流过固体壁面时，由于流体的粘性作用，使靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层。在此薄层内，沿壁面———的法线方向没有热对流，该方向上热的传递仅为热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流底层中的导热热阻
———很大，因此该层中温度差较大，即温度梯度较大。
——
在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡，因此湍流主体中温度差及温度梯度极小，各处的温度 ———基本相同。
——
在湍流主体与滞流底层的过渡层中，热传导和热对流均起作用，在该层内温度发生了缓慢的变化。
——对流传热的热阻主要集中在滞流底层中，因此，减薄滞流底层的厚度是强化对流传热的重要途径。减薄热边界层的厚度，有利于对流传热过程的进行。
2. 对流传热系数
——对流传热是一复杂的过程，包括流体中的热传导、热对流及壁面的热传导过程，因而影响对流传热速率的因素很多。由于过程复杂，进行纯理论计算是相当困难的，故目前工程上采用半经验方法处理，将许多复杂影响因素归纳到比例系数h内。
3. 对流传热系数的影响因素
——对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响h的主要因素是：
——3.1 流体的种类和相变化情况
——h气体
——3.2 流体的物性
——对h影响较大的流体物性有导热系数λ、粘度μ、比热Cp、密度ρ及对自然对流影响较大的体积膨胀系数β。
——具体地：λ↗、μ、Cp↗、ρ↗、β↗ → h↗
——3.3 流体的温度
——流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差Δt，流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。
——在传热计算过程中，当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。
——3.4 流体的流动状态
——流体呈湍流时，随着Re的增加，滞流底层的厚度减薄，阻力降低，h增大。
——流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂作用，故h较湍流时小。
——即：h滞流
——强制对流：由于外来的作用，迫使流体流动。
——即：h自然对流
辐 射传 热
1. 基本概念和定律
3. 辐射传热基本定律
—1.1 热辐射
—3.1 辐射能力
—1.2 热辐射对物体的作用
—3.2 普朗克定律
—1.3 黑体、镜体、透热体和灰体
—3.3 斯蒂芬-波尔茨曼定律
2. 辐射传热
—3.4 克希霍夫定律
上一节：对流传热——返回________________________________________
——热辐射是热量传递的三种基本方式之一，特别是高温时，热辐射往往成为主要的传热方式。一些加热炉和锅炉中的燃烧加热，高温管道和设备、发动机、火焰燃烧等与周围环境或设备的热量交换等均与辐射传热有关。
1. 基本概念和定律
——1.1 热辐射
——物体由于本身温度或受热而引起内部原子的复杂“鸡动”，产生交替变化的电场和磁场，就会对外发射出辐射能并向四周传播。这种能量是以电磁波的形式进行传递，在一定波长范围内显示为热效应，称为热辐射。当热辐射能量投射在另一物体表面上时，可部分或全部地被吸收，重新转变为热能。
——电磁波的波长范围从零到无穷大，但能被物体吸收而转变为热能的辐射线主要为可见光（0.4～0.8μm ）和红外线（0.8～20μm）两部分，即波长在0.4～20μm之间，统称为热射线。但只有在很高的温度下，才能觉察到可见光线（波长为0.4～0.8μm）的热效应。
——理论上讲，任何物体只要温度在绝对零度以上，都能进行热辐射，但只在高温时才起决定作用。
——1.2 热辐射对物体的作用
——热射线和可见光一样，同样具有反射、折射和吸收的特性，服从光的反射和折射定律，在均一介质中直线传播，在真空和有些气体中可以完全透过，而在固体和液体中则不能透过。根据这些特性，设投在某物体上的总辐射能，总有一部分能量被吸收，一部分能量被反射，其余部分能量穿透过物体。
——1.3 黑体、镜体、透热体和灰体
———
黑体（绝对黑体）：能全部吸收辐射能的物体，即A＝1的物体。自然界中无绝对黑体存在，但有些物体如无光泽的黑漆表面，A＝0.96～0.98，比较接近于黑体。引入黑体只是作为实际物体的一种比较标准，黑体A最大，也具有最大的辐射能力。
———
镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体，即R＝1的物体。实际上镜体也是不存在的，但有些物体如表面磨光的铜，R＝0.97，接近于镜体。
———
透热体：能全部透过辐射能的物体，即D＝1的物体。单原子和对称双原子构成的气体（H2、N2、O2和He等）一般可视为透热体；多原子和不对称双原子气体则能有选择地吸收和反射某一波长范围的辐射能。
———
灰体：以相同吸收率A部分吸收0～∞全部波长辐射能的物体。大多数工程材料均可按灰体处理。因而灰体的特点是：
————★灰体为不透热体，即D=0或A＋R＝1
————★吸收率A不随波长k变化
——物体的A、R和D是和物体的性质、表面状况，所处温度和投射辐射线的波长等有关，一般地：
———
多数固体和液体：不透热体，即D＝0或A＋R＝1。———
气体：不反射能量，即R＝0或A＋D＝1。上述：
———A=物体的吸收率
———R=物体的反射率
———D=物体的投过率
2. 辐射传热
——物体在向外发射辐射能的同时，也会不断地吸收周围其它物体发射的辐射能，并将其重新转变为热能，这种物体间相互发射辐射能和吸收辐射能的传热过程称为辐射传热。若辐射传热是在两个温度不同的物体之间进行，则传热的结果是高温物体将热量传给了低温物体，若两个物体温度相同，则物体间的辐射传热量等于零，但物体间辐射和吸收过程仍在进行。
3. 辐射传热基本定律
——3.1 辐射能力
——物体只要具有一定温度（T>0K）就会不断向空间辐射出各种波长的辐射能。
——物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所能发射出的全部波长范围的总能量，称为该温度下物体的辐射能力，用E表示，单位W/m2。——确定物体的辐射能力先需确定物体辐射某一波长的能力，物体发射特定波长的能力称为单色辐射能力，用Eλ表示，单位W/m2•μm。Eλ的大小不仅与波长 λ 及温度有关，而且与物体的性质有关。
——3.2 普朗克定律
——普朗克定律揭示了黑体的辐射能力E按照波长 λ的分配规律。即表示黑体单色辐射能力和波长、热力学温度之间的函数关系。黑体的辐射系数=5.67 W/(m2•K4)。
——在不同温度下，每个温度有一条能量分布曲线。在指定温度下，黑体辐射各种波长的能量是不同的。但在某一波长可达到最大值。在不太高的温度下，辐射主要集中在波长为0.4～0.8μm的范围内。
——3.3 斯蒂芬-波尔茨曼定律
——斯蒂芬-波尔茨曼定律揭示了黑体的辐射能力E与其表面温度T的关系。它说明了黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比，故又称为四次方定律。
——实验证明：斯蒂芬-波尔茨曼定律也可以应用到灰体。
——不同灰体的辐射系数值不同，它取决于物体性质，表面状况和温度，且总是小于黑体的辐射系数，因此在同一温度下，灰体的辐射能力总是小于黑体，其比值称为物体的黑度。物体的黑度取决于物体的性质、温度以及表面状况（表面粗糙度及氧化程度），是物体本身的特性，与外界情况无关，一般通过实验测定。
——因而只要知道物体的黑度，就可通过斯蒂芬-波尔茨曼定律求得该物体的辐射能力。
——3.4 克希霍夫定律
——克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系。它表明任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，并且只和物体的绝对温度有关。
——根据克希霍夫定律：
———
物体的吸收率A愈大，其辐射能力E也愈大；———
由A＝E/Eb与式ε＝E/Eb比较，A＝ε，即灰体的吸收率在数值上等于同温度下该物体的黑度。因此若测定出了物体的黑度，即可知其吸收率和辐射能力。但A、ε物理意义不同：
————A：吸收率，表示由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数；
————ε：黑度，表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数。
——因物体的A测定比较困难，工程计算中常用 ε 代替。
——工业上常遇到两固体间的相互热辐射，可近似按灰体处理，故较复杂。两固体间辐射传热的净传热量与两物体的温度、形状、相对位置以及物体本身性质有关。
——许多化工设备或管道的外壁温度常常高于周围环境的温度，因此热量将由壁面以对流和辐射两种形式散失。为减少热量散失需进行隔热保温，因此在保温时必须要计算散失的热量，其散热量应为对流传热和辐射传热两部分之和。
回复数 1
切换时间排序
需登录后查阅, 加载中......
