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同学们好
本节我们要讲的是
热量传递的三种基本方式
我们知道
热量是从高温物体
传向低温物体的
那么它是如何传递的呢
受哪些因素的影响
如何进行传热量的计算呢
这些就是我们本节要讲的内容
热量传递有三种基本方式
那就是热传导 热对流和热辐射
下面分别进行介绍
一 热传导
热传导也被称之为导热
它是指温度不同的物体
各部分之间或温度不同的
两物体之间直接接触时
依靠分子 原子
以及自由电子等微观粒子热运动
而发生的热量传递
从这个定义我们可以看出
要想发生导热
必须满足
一 有温差
二 物体要直接接触
要么是同一物体的不同部位
要么是不同物体直接接触
三 热量的传递
依靠的是分子 原子
以及自由电子等
微观粒子的热运动而进行
也就是说它没有宏观移动
只要满足这三个条件
在固体 液体和气体中
都可以发生导热
我们知道了热传导是如何进行的
那么导热量是怎样计算呢
依据的是导热的基本定律
Fourier定律
1822年 法国数学家 物理学家
Fourier在《热的解析理论》中
给出了描述
一维稳态导热的计算公式
就是Φ等于负的λAdt/dx
或q等于Φ比A
等于负的λdt/dx
这个公式中
Φ被称之为热流量
它是指单位时间
通过单位给定面积的热量
q被称之为热流密度
它是指单位时间
通过单位面积的热流量
那么A
是垂直于导热方向的截面面积
λ是被称之为导热系数
或者说是热导率
公式中的负号
表明的是
热量传递的方向
与温度梯度的方向相反
即热量是从高温物体
向低温物体进行传递的
导热系数是一个表征材料
导热能力大小的参数
它是一种物性参数
也就是说它只与材料的种类
和温度有关
一般来说对导热系数
金属的导热系数要大于
非金属固体的导热系数
要大于液体的导热系数
要大于气体的导热系数
热量传递的第二种基本方式
是热对流
它是指流体中
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
热对流我们也很常见
比如北方冬季房间内
暖气片附近的热空气
和远离暖气片区域的冷空气
在密度差的作用下
就会产生宏观的移动
进行换热
最后达到整个房间都暖和的效果
我们工程中
更多关心的是
当流体流过一个物体表面时
流体与物体表面间的热量传递
我们也把这种热量传递
称之为叫对流传热
仍以刚才说的暖气片供暖为例
为了保持房间里面的温度
供热负荷必须达到
国家规定的限制
空气流过暖气片时
和暖气片间的传热量大小
决定了每个房间
所需按照暖气片的面积数
这在房屋设计时就需要确定
因此本课程的后续章节
都会讲的是对流传热
而不是我们通常所说的热对流
对流传热的特点
对流传热
我们从它的定义可以看出来
它具有这样的几个特点
首先它是导热与热对流
同时存在的一个复杂热传递过程
那么它的导热来自于
一部分是热对流
在宏观流动的过程中
本身就有它的分子 原子的
这样的一个热运动
那么更多的它来自于是
当流体流过一个固体表面的时候
那么流体和固体表面之间
会形成一个边界层
在边界层里面
流体的速度可以近似地认为
是静止的
那么在这一层里面
那么它符合的是导热的定义
应该发生的是导热
到了主流区
离开边界层之后
那么这个时候
才会发生的是热对流
因此我们说
对流换热它是导热
和热对流同时存在的这样一个
复杂的热传递过程
第二 必须有直接接触
也就是说流体和壁面
它要有一个直接的接触
同时流体要有宏观的移动
另外还需要有温差
因为我们知道
传热的驱动力是温差
那么就是流体和壁面之间
必须要有温差的存在
第三
那么由于流体流过的一个壁面
所以它在整个壁面的附近处
会形成一个
速度梯度很大的边界层
那么对于对流换热来说
根据它的流动起因
我们可以把对流换热分为
强制对流和自然对流
所谓强制对流
就是说它是要有外力的介入
比如说我们在家里面吹电风扇
那么风扇高速运转
会推动室内的空气
流过人体的表面
那么起到这种换热的作用
那么它就是强制对流
那么自然对流是什么呢
比如说我们前面讲到的
冷空气流过暖气的表面
那么它是由于冷空气被加热之后
密度变小 上浮
那么它不需要外力的介入
这个时候产生的这种自然对流
那么根据流体有无相变
我们又可以把对流换热分为
沸腾传热和凝结传热
那么沸腾传热我们最常见的就是
家里边烧开水
这个锅当它达到100度的时候
我们可以看到
这个水在锅里边是上下翻滚的
那么这是一种沸腾状态
那么它的换热
水和锅底的底面
它的换热
就是一个沸腾传热的过程
那么凝结传热
刚好我们在烧开水的时候
假如说我们上面放的是
一个玻璃锅盖
那么实际上我们会发现
在玻璃锅盖的内表面
在烧水的过程中
会陆陆续续凝结出来
很多的小水珠
那么这些小水珠的凝结过程
其实就是一个凝结传热的过程
对流传热量的计算
我们依据的是牛顿冷却公式
就是Φ等于hA乘上一个tw减去t∞
这个里边的tw指的是壁面的温度
t∞指的是流体主流区的温度
或者q等于Φ/A
等于h乘上一个tw减去t∞
那这里边的A指的是什么呢
是流体
和固体壁面之间的接触面积
也就是说流体流过的
这样的一个固体壁面的面积
这个和我们前面讲导热的A值
就有区别
导热的时候我们讲的A值
是穿过垂直与截面的面积
h指的是表面传热系数
那么以前也有人把它称之为叫
对流换热系数
我们需要注意的是h
就是表面传热系数
它不是一个物性参数
影响表面传热系数的因素有很多
比如说流体的流速
比如说流体的物性
比如说壁面的形状大小等等
那我们在今后讲
对流换热部分的时候
其实就要了解这些因素
对对流换热系数有什么样的影响
这个表里面给出来了
我们常见的对流换热系数
它的大致的数值范围
从这张表我们可以看出来
有这样的一个规律
就是有相变的对流换热系数
是要大于无相变的
这种对流换热系数
比如说同样是水
那么水沸腾的对流换热
它的对流换热系数
是2500到35000之间
而水的自然对流也好
还是强制对流也好
那么它的对流换热系数
最大也就是1500左右
那么另外一个就是
液体的对流换热系数
是要大于气体的对流换热系数
还有一个就是
强制对流的对流换热系数
要大于自然对流的对流换热系数
热量传递的第三种基本方式
就是热辐射
什么是热辐射呢
它是由热运动产生的
以电磁波形式传递能量的
这样的一种现象
那么热辐射具有这样的一些特点
第一 任何物体
只要高于绝对零度
它就会不停地向周围空间
发射出热辐射
那么也就是说
我们自然界所有的物体
其实它的温度都高于绝对零度
那么它都具有
热辐射的这样一个能力
第二
就是说热辐射
它可以在真空中传播
我们知道万物生长靠太阳
那么地球上能量的来源
主要依靠的是太阳
那么太阳光照射
到达地球表面的时候
实际上
那么太阳能的这种传递
在太空中就是在真空中传播的
第三
它是伴随着能量形式的转变
热辐射它产生的原因
是由于热而产生的
那么它传递是以电磁波的形式
进行传递的
所以
那么就是热辐射的这个传递
它其实伴随着从热能
向电磁能这样的一个转变过程
第四 它具有强烈的方向性
太阳光具有强烈的这种方向感
当太阳照射到房间里面的时候
我们拉上窗帘
就能把光隔绝开
那么它绕不过窗帘
光线绕不过窗帘能够达到房间
所以它具有很好的方向性
我们要想阻碍
这样一个辐射的时候
我们只要
再加一个遮挡物就可以了
第五
辐射能与温度和波长均有关
第六
发射辐射与温度的4次方
是成正比的
那么与对流换热一样
其实我们工程中
更多的关心的是两物体
或者多物体之间
它们之间的热辐射的
净辐射物热量的交换
那么也就是我们所谓的
辐射传热或者辐射换热
那么它是指的什么呢
是物体间靠热辐射进行的
热量传递
辐射换热的特点
具有一
它不需要冷热物体的直接接触
那么这是由于热辐射的特性
所直接决定的
也就是说它不需要介质的存在
在真空中就可以传递能量
比如我们现在
用得很多的太阳能热水器
那么就有这种真空管的
太阳能热水器
它可以收集太阳能
同时由于真空的存在
减少了热水或者说是集热器
向外界的这样一个
通过导热和对流的散热
第二
在辐射换热过程中
伴随着能量形式的转换
它的转换是 首先
由于物体本身有热量
所以它具有热力学能
然后转变成为电磁能
然后又转变为物体的热力学能
就是说甲物体
那么它的温度热量传过
通过辐射传递给乙物体的时候
那么实际上就完成了这样一个
从热力学能转变成为电磁能
然后又转变成为热力学能的
这样的一个过程
第三
就是无论温度的高低
物体都在不停地
相互发射电磁辐射
因为我们前面讲了热辐射
只要温度高于绝对零度的物体
都具有热辐射
而自然界的物体是没有温度
达到绝对零度的物体的
也就意味着说我们所有的物体
都具备向外界发射
辐射的这种能力
那么两物体之间
它的交换是什么呢
高温物体的辐射能
要大于低温物体的辐射能
最终体现的是高温物体
向低温物体进行传热
对于辐射传热来说
我们通常的研究方法
是假设一种理想的物体
我们把它称之为黑体
那么它只关心热辐射的共性规律
而忽略了一些其他的因素
然后对于真实物体来说
它的辐射
我们则是与黑体进行比较
然后进行修正
那么通过实验获得修正系数
从而获得真实物体的
热辐射的特性
所谓的黑体指的是什么呢
能够吸收投入到它表面上的
所有热辐射能的这种物体
那么显然在相同的温度下
黑体具有最强的吸收能力
黑体辐射的这个计算
是Stefan-Boltzmann定律
也就是说Φ等于A乘上一个σ
乘上T的4次方
或者说是q等于Φ比A
等于σ乘上一个T的4次方
我们要注意这里面的T是大写
那么他用的是热力学温度
和我们前面讲导热
和对流换热的时候
用的都是小写的温度
那么用的是摄氏温度
对于真实物体来说
我们前面讲了
要加一个修正系数
那么显然
对于真实物体Φ就等于
ε乘上一个A乘上一个σ
乘上一个T的4次方
这里面的ε
我们就把它称之为叫
实际物体的发射率或者黑度
就是我们所说的修正系数
对两个表面构成的
一个封闭体系
假如说它是两个黑体的表面
显然表面一会向表面二
发射辐射能
表面二也会向表面一
发射辐射能
那么这两个表面之间的
净辐射换热量
就应该q等于σ乘上
括号T1的4次方减去T2的4次方
或者说是Φ应该等于A乘上σ
乘上括号T1的4次方
减去T2的4次方
那么这是两个物体之间
的净辐射换热量的计算公式
本节就讲到这儿
谢谢大家
-1.1传热学的研究内容及其应用
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-1.2热量传递的三种基本方式
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-第一章--1.2热量传递的三种基本方式
-1.3传热过程与传热热阻
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-第一章--1.3传热过程与传热热阻
-2.1导热基本定律
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-2.2热导率的概念
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-第二章--2.2热导率的概念
-2.3导热微分方程
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-第二章--2.3导热微分方程
-2.4导热微分方程单值条件
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-第二章--2.4导热微分方程单值条件
-2.5平板稳态导热问题
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-第二章--2.5平板稳态导热问题
-2.6圆筒壁的稳态导热问题
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-第二章--2.6圆筒壁的稳态导热问题
-2.7球壳稳态导热
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-第二章--2.7球壳稳态导热
-3.1集总参数法-I
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-3.2集总参数法-II
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-第三章--3.2集总参数法-II
-4.1稳态导热解-I
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-4.2稳态导热解-II
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-4.3非稳态导热解
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-第四章--4.3非稳态导热解
-5.1对流传热概说
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-第五章--5.1对流传热概说
-5.2对流传热问题的数学描写
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-第五章--5.2对流传热问题的数学描写
-5.3.1流动边界层与热边界层
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-第五章--5.3.1流动边界层与热边界层
-5.3.2二维稳态边界层型对流传热问题的数学描述
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-第五章--5.3.2二维稳态边界层型对流传热问题的数学描述
-6.1相似原理
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-6.2量纲分析及相似原理的应用
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-第六章--6.2量纲分析及相似原理的应用
-6.3.1管槽内强制对流流动和换热的特点
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-第六章--6.3.1管槽内强制对流流动和换热的特点
-6.3.2管槽内湍流强制对流换热实验关联式
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-第六章--6.3.2管槽内湍流强制对流换热实验关联式
-6.3.3管槽内层流与过渡流动强制对流换热实验关联式
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-6.4外部流动强制对流换热实验关联式
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-第六章--6.4外部流动强制对流换热实验关联式
-6.5.1大空间与有限空间自然对流传热
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-第六章--6.5.1大空间与有限空间自然对流传热
-6.5.2大空间与有限空间自然对流传热的实验关联式
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-6.6射流冲击传热的实验关联式
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-第六章--6.6射流冲击传热的实验关联式
-7.1凝结换热及影响因素-I
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-第七章--7.1凝结换热及影响因素-I
-7.2沸腾换热及影响因素-II
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-第七章--7.2沸腾换热及影响因素-II
-8.1热辐射基本定律
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-第八章--8.1热辐射基本定律
-8.2实际物体辐射特性
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-第八章--8.2实际物体辐射特性
-9.1-角系数
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-第九章--9.1-角系数
-9.2-多表面间的辐射热量-净热量法
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-第九章--9.2-多表面间的辐射热量-净热量法
-9.3多表面间的辐射热量-网络图法-
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-第九章--9.3多表面间的辐射热量-网络图法-
-10.1换热器的类型
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-第十章--10.1换热器的类型
-10.2换热器对数平均温差的计算
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-第十章--10.2换热器对数平均温差的计算
-10.3换热器的热计算：1平均温差法
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-10.4换热器的热计算：2效能-传热单元数法
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