1、1 第第 章章 6.1 引言引言6.2 熱傳導熱傳導6.3 對流與對流換熱對流與對流換熱6.4 熱輻射熱輻射2 傳熱學傳熱學是研究熱量傳遞的普遍規(guī)律及其工程應用是研究熱量傳遞的普遍規(guī)律及其工程應用的一門科學。的一門科學。 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程。低溫物體，這是典型的不可逆過程。 由于溫度差在自然界、工業(yè)生產以及日常生活中由于溫度差在自然界、工業(yè)生產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疑是世界上存在最普無疑是世界上存在最普遍遍、發(fā)生最頻繁的物理現象。發(fā)生最頻繁的物理現象。3我國的經

2、濟已經連續(xù)我國的經濟已經連續(xù) 20 20 多年保持高速發(fā)展，總量多年保持高速發(fā)展，總量已經躋身世界前列。但是我們也為此付出了非常高已經躋身世界前列。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。在各工業(yè)產業(yè)領域，代價。在各工業(yè)產業(yè)領域，如能源、冶金、化工、建筑、建材、交通，乃至機如能源、冶金、化工、建筑、建材、交通，乃至機械、輕工等行業(yè)中，我國的單位產值能耗比發(fā)達國械、輕工等行業(yè)中，我國的單位產值能耗比發(fā)達國家高得多。家高得多。 為了經濟的可持續(xù)發(fā)展，必須把為了經濟的可持續(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傳熱原理在傳統工業(yè)領傳熱原理在傳

3、統工業(yè)領域中的應用舉例：域中的應用舉例： 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 我國自制我國自制 的首臺超超臨界的首臺超超臨界 1 000 MW 發(fā)電機組發(fā)電機組6煉鋼與軋鋼煉鋼與軋鋼 焦爐出焦焦爐出焦在冶金工業(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領域中新技術領域中的應用舉例：的應用舉例：8長征火箭長征火箭 矗立在發(fā)射臺架上矗立在發(fā)射臺架上神州號隔熱瓦細部神州號隔熱瓦細部9航天飛機腹部的隔熱瓦航天飛機腹部的隔熱瓦10紅外技術用于乳腺腫瘤的診斷紅外技術用于乳腺腫瘤的診斷11用鉆石加工出來的微尺度換熱銅板：用鉆石加工出來的微

4、尺度換熱銅板：厚厚125 m，整體尺寸為，整體尺寸為 25mm25mm電子設備冷卻用的小型熱管電子設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熱、對流和輻射，有不同的導熱、對流和輻射，有不同的傳遞機理和熱流速率方程傳遞機理和熱流速率方程。求解各種傳熱問題時，必。求解各種傳熱問題時，必須遵循這些機理和熱流方程。須遵循這些機理和熱流方程。 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。 一切傳熱問題都必須在這兩類基本規(guī)律的指導下求解。一切傳熱問題都必須在這兩類基本規(guī)律的指導下求解。能量守恒定律是貫穿傳熱學始終的基本規(guī)律能量守恒定律是貫穿傳熱學始終的基本規(guī)律。 13

5、 分析物體的傳熱現象時，必須注意區(qū)分所取的研分析物體的傳熱現象時，必須注意區(qū)分所取的研究對象是一個究對象是一個控制容積控制容積還是一個還是一個控制表面控制表面，這兩，這兩者的能量守恒關系存在原則性的差別。者的能量守恒關系存在原則性的差別。 控制容積的瞬時能量守恒原則是控制容積的瞬時能量守恒原則是 ：進入進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熱源內熱源的瞬時熱功率的瞬時熱功率 控制容積中控制容積中儲熱量的增加速率儲熱量的增加速率 表面不具備蓄熱能力表面不具備蓄熱能力，針對控制表面的能量守恒，針對控制表面的能量守恒關系中體積蓄熱項將不存在

6、（面熱源項仍可以存關系中體積蓄熱項將不存在（面熱源項仍可以存在），即：在），即：如果沒有內熱源的話，進出熱流量將如果沒有內熱源的話，進出熱流量將隨時保持相等隨時保持相等。14 注意掌握注意掌握正確的學習方法正確的學習方法和和解題思路解題思路。 注重對基本物理概念的理解，學會注重對基本物理概念的理解，學會正確運用正確運用這些這些概念，而不能僅滿足于背誦概念的內容。概念，而不能僅滿足于背誦概念的內容。 正確的解題步驟正確的解題步驟包括：細致地審題包括：細致地審題；判斷問題所判斷問題所屬的類型屬的類型；應該做出哪些合理的假設應該做出哪些合理的假設，以便使問以便使問題得到簡化題得到簡化，但又不歪曲問題

7、的本質但又不歪曲問題的本質；選用恰當選用恰當的計算公式求解的計算公式求解，并對相關問題進行深入的分析并對相關問題進行深入的分析討論。討論。156.2.1 傅里葉定律：導熱的熱流速率方程傅里葉定律：導熱的熱流速率方程16 導熱導熱，也稱為，也稱為熱傳導熱傳導，是指具有較高能級的粒子，是指具有較高能級的粒子向較低能級的粒子傳遞能量的過程，它是一種建向較低能級的粒子傳遞能量的過程，它是一種建立在物質微觀粒子隨機運動基礎上的擴散行為。立在物質微觀粒子隨機運動基礎上的擴散行為。 常用術語、概念常用術語、概念 溫度場溫度場，溫度梯度溫度梯度，穩(wěn)態(tài)溫度場穩(wěn)態(tài)溫度場 ，非穩(wěn)態(tài)溫度場非穩(wěn)態(tài)溫度場 或或 瞬態(tài)溫度

8、場瞬態(tài)溫度場 ，一維溫度場一維溫度場 ，等溫面等溫面 ，等溫線等溫線 等等。 等溫線（面）的基本性質等溫線（面）的基本性質。17 物體內任意點物體內任意點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 通過大平壁的通過大平壁的熱流量熱流量（傳熱速率傳熱速率）與兩側表面的溫度差和傳熱面積成與兩側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 為導熱的為導熱的熱流密度熱流密度，表示通過單位導熱面積的導熱熱流，表示通過單位導熱面積的導熱熱流量，量，W/m2； 是壁面的是壁面的導熱系數導熱系數，表明材料導熱能力的大小表明材料導熱能力的大小，W/(m K)。 式中負號僅用來表示式中負號僅用來表示熱量傳遞的方向永遠和溫度梯度熱量傳遞的方向永遠和溫度梯度 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成兩大類：一類一類是是熱力學性質熱力學性質，指系統所處的平指系統所處的平衡狀態(tài)參數，如衡狀態(tài)參數，如密度、比熱容等密度、比熱容等；另一類是另一類是輸運性輸運性質質，像導熱系數，像導熱系數以及動量擴散率以及動量擴散率等。在傳熱學中等。在傳熱學中這兩類性質均會這兩類性質均會用到，后者尤其用到，后者尤其顯得重要。顯得重要。 21 不同材料的導熱系數差別很大，而且物質的純凈程度以及物不同材料的導熱系數差別很大，而且物質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 受到特別關注。國家標準規(guī)定，平受到特別關注。國家標準規(guī)定，平均溫度在均溫度在350以下時，導熱系數不超過以下時，導熱系數不超過 0.12 W/(m K) 的才的才稱為保溫材料。實際應用中一般經常選用導熱系數在稱為保溫材料。實際應用中一般經常選用導熱系數在 0.070.03 W/(m K) 。 注意導熱系數隨溫度是變化的，而且必須在允許的溫度范圍注意導熱系數隨溫度是變化的，而且必須在允許的溫度范圍內使用。內使用。 航天工程與超低溫中的航天工程與超低溫中的超級絕熱材料表觀導熱系數超級絕熱材料表觀導熱系數 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。點。 材料導熱系數隨溫度的變化可表示為以下的線性函數材料導熱系數隨溫度的變化可表示為以下的線性函數 ：= 0 （1+bt） 0 代表代表0時材料導熱系數的理論值，時材料導熱系數的理論值，b 表示導熱系數的溫表示導熱系數的溫度變化率。度變化率。22 熱擴散率熱擴散率，也稱為，也稱為導溫系數導溫系數。表示在加熱或冷卻過程中物。表示在加熱或冷卻過程中物體內溫度趨于均勻一致的能力，單位是體內溫度趨于均勻一致的能力，單位是 m2 /s： 在穩(wěn)態(tài)導熱問題中在穩(wěn)態(tài)導熱問題中 a 不會出現，但在非穩(wěn)態(tài)導熱問題中它不會出現，但在非穩(wěn)態(tài)導熱問題中它非常重要。非常重要。 ac23

13、熱對流熱對流 指存在溫度差的條件下，伴隨流體的宏觀移動發(fā)生指存在溫度差的條件下，伴隨流體的宏觀移動發(fā)生的因冷流體與熱流體互相摻混而導致的熱量遷移。的因冷流體與熱流體互相摻混而導致的熱量遷移。 工程上最感興趣的問題是發(fā)生在具有不同溫度的運動流體和工程上最感興趣的問題是發(fā)生在具有不同溫度的運動流體和與之相接觸的各類表面之間的熱量傳遞，稱為與之相接觸的各類表面之間的熱量傳遞，稱為 對流換熱對流換熱。 對流換熱是導熱和熱對流兩種傳熱方式聯合作用的結果對流換熱是導熱和熱對流兩種傳熱方式聯合作用的結果。 強迫對流強迫對流 自然對流自然對流 對流換熱的對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是對流換熱的表面積；是對流換熱的表面積；h 是對流換是對流換熱的熱的 表面?zhèn)鳠嵯禂当砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?(以前稱為對流換熱系數以前稱為對流換熱系數) ，W/(m2 K) 。fwtthA24 熱輻射熱輻射指物質內部因微觀粒子的熱運動而激發(fā)出來的電磁指物質內部因微觀粒子的熱運動而激發(fā)出來的電磁波（或光量子）能量波（或光量子）能量 。 熱輻射的波長范圍一般在熱輻射的波長范圍一般在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，同時也具有最高的吸收能力，它吸收全部外來的它吸收全部外來的投射輻射投射輻射能量。能量。4bbTq 實際物體表面發(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）描述實際物體與黑體熱輻射能描述實際物體與黑體熱輻射能力的差別。力的差別。 實際物體表面只能吸收外來投射輻射中的一部分實際物體表面只能吸收外來投射輻射中的