1、第九章 热量传递的基本方式,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,本章主要内容及重点,传热学的研究方法 简要介绍热量传递的基本方式 传热过程简介,1、基本概念2、基本定律,传热学的研究方法传热学研究中的基本假设研究物体中温度、密度、速度等物理参数都是空间的连续函数。,传热学研究方法,1.理论分析：数学分析 求解偏微分方程 解析解（精确解）是传热学理论分析的主要任务。 2.实验研究：通过实验测定是传热学的基本研究方法。 3.数值模拟：通过计算机求解是数值传热学的研究内容，本课程不作介绍。,传热学要解决的主要问题,计算传递的热量增强传热：更好地散热。削弱传热：更好地隔热。 确定物体中各点的温度,工具
2、： 高等数学,传热学是研究热量传递规律的科学,热量传递的基本方式,热量传递有三种基本方式:,导热（热传导）(thermal conduction),热对流(thermal convection),热辐射 (thermal radiation)。,9.1 导热,导热：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。,导热现象发生在固体内部，也可发生在静止的液体和气体之中。,必须有温差 物体直接接触 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量 不发生宏观的相对位移,导热的特点：,9.1 导热,例如：大平壁的一维稳态导热,特
3、点：,1.平壁两表面维持均匀恒定不变温度；,2.平壁温度只沿垂直于壁面的方向发生变化；,3.平壁温度不随时间改变；,4.热量只沿着垂直于壁面的方向传递。,热流量：单位时间内通过某一给定面积的热量。W,: 材料的热导率（导热系数）：表明材料的导热能力，W/(mK)。物性参数,热流密度 q,:单位时间通过单位面积的热流量,称为平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为K/W 。,热阻网络,tw1,tw2,l,例如：大平壁的一维稳态导热,欧姆定律,傅里叶定律,9.2 热对流,热对流:,流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一 处传递到另一处的现象。,热对流只发生
4、在流体之中，并伴随有微观粒子热运动而产生的导热。,对流换热:,流体流过物体表面时，流体与固体壁间的换热。,对流换热特点：,必须有流体的宏观运动，同时必须存在温差； 必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流； 只能发生在流体中； 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层。,9.2 热对流,对流换热分类,没有相变：自然对流换热 如：暖气 强制对流换热 如：换热器 有相变： 液体沸腾 如：液体在热表面上 蒸汽凝结 如：蒸汽在冷表面上,计算公式： 牛顿冷却公式：,比例系数，称表面传热系数或对流换热系数单位：,不是物性参数,对流换热的基本计算公式：,牛顿冷却公式,
5、h 表面传热系数，,对流换热系数,A 与流体接触的壁面面积,固体壁表面温度,流体温度,9.2 热对流,表面传热系数h的影响因素,h 的大小反映对流换热的强弱，与以下因素有关：,（1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比热容等）；,（2）流体流动的形态（层流、紊流）；,（3）流动的成因（自然对流或强迫对流）；,（4）物体表面的形状、尺寸；,（5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。,一些对流换热的h数值范围,tw,tf,对流换热热阻, = Ah(tw tf),称为对流换热热阻，单位为 W/K。,对流换热热阻网络：,9.3 热辐射,辐射：,物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。,热辐射：,物体会因为
6、各种原因发出辐射能。 其中因热的原因而发出辐射能的现象为热辐射。,理论上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在0.1m至100m之间,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段 。,电磁波谱,依靠电磁波传递能量 不需要任何介质 温度高于0K,都有发射辐射粒子的能力。 物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。,热辐射的主要特点,辐射换热不仅有能 量转移,还有能量形 式的变化,辐射换热,辐射换热：,物体间靠热辐射进行的热量传递,热能 辐射能 热能,发射,吸收,发射辐射能是物质的固有属性,辐射换热的主要影响因素,（1）物体本身的温度、表面辐射特性；
7、,（2）物体的大小、几何形状及相对位置。,斯忒藩-玻尔兹曼定律,黑体的热力学温度,斯忒藩-玻尔兹曼常数,计算方法,小 结,（1）导热、热对流和热辐射三种热量传递基本方式往往不是单独出现的；,（2）分析传热问题时首先应该弄清楚有那些传热方式在起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算。,（3）如果某一种传热方式与其他传热方式相比作用非常小，往往可以忽略。,举 例,9.4 传热过程简介,传热过程：,指热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。,传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成,传热过程由三个相互串联的热量传递环节组成:,（1）热量从高温流体以对流换热（或对流换热辐射
8、换热）的方式传给壁面；,（2）热量从一侧壁面以导热的方式传递到另一侧壁面；,（3）热量从低温流体侧壁面以对流换热（或对流换热辐射换热）的方式传给低温流体。,9.4 传热过程简介,通过平壁的稳态传热过程,假设：,tf1、tf2、h1、h2不随时间变化；为常数。,（1）左侧的对流换热,（2）平壁的导热,tw2,tw1,0,x,t,h1,tf1,h2,tf2,（3）右侧的对流换热,在稳态情况下，以上三式的热流量相同，可得,式中,，Rk称为传热热阻。,传热热阻网络：,通过平壁的稳态传热过程,关于传热系数,将传热热流量的计算公式写成,式中,k 称为传热系数，单位为 W/(m2K)，t为传热温差。,通过单
9、位面积平壁的热流密度为,利用上述公式, 可以很容易求得通过平壁的热流量、热流密度q及壁面温度tw1、tw2。,第九章 小结,（1）掌握导热、热对流、热辐射三种热量传递基本方式的机理及特点；,（2）掌握热流量、热流密度、导热系数、对流换热、表面传热系数、传热系数、热阻等基本概念；,（3）灵活运用平壁的一维稳态导热公式、对流换热的牛顿冷却公式、通过平壁的一维传热过程计算公式进行相关的计算、分析。,作业：P142 9-1、9-2、9-4,例 题,设冬天室内空气温度为tf1，室外空气温度为tf2 ，试在该两温度不变的条件下，画出下列三种情形下从室内到室外空气温度分布的示意性曲线：（1）室外平静无风。（2）室外冷空气以一定流速吹过砖墙表面。（3）除了室外刮风，还要考虑砖墙与四周环境间的辐射传热。,tw2,tw1,0,t,h1,tf1,h2,tf2,x,x,t,（1） （2） （3）,tf1,tf2,t,（1） （2） （3）,tf1,tf2,例 题,室内：,tw1,tw2,其中：h1、A、tf1不变,如果：,三种情况，h2不断增大，k ,直线越来越陡,x,同样是25C的房子，为什么夏天可以穿衬 衫，而冬天却要穿毛衣？,例 题,墙壁内侧温度夏天比冬天高，所以人体向外辐射的能量冬天比夏天多，而自然对流和辐射换热处在同一数量级。,本章结束,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,
