第四章 传 热

I复习提要

一、概述

1.传热原理：凡是有温差存在的地方就有传热过程，且热量总是自动地从高温物体传给低温物体。

2.传热基本方式及特点

传导：由于物体本身分子或电子的微观运动使热量由高温传递到物体低温。传导发生在固体或静止的流体中。

对流：依靠物体质点的宏观运动而进行的热量传递。对流仅仅发生在流体中。 对流的分类：自然对流、强制对流。

辐射：以电磁波的形式传递热能。一切物体都能把热能以电磁波形式发射出去。

热辐射的特点：不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转化。对绝对零度以上的物体→以电磁波的形式向外发射能量→当遇到另一物体，能量则被吸收→重新转化为热能。

注：只有在高温下物体之间温差很大时，辐射才成为主要的传热方式。 辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介。 3.传热在化工生产中的应用：

（1）换热器中传热过程的强化。（2）对各种设备或管道保温以减少热（或冷）的损失。（3）合理用能，提高能量利用率。 4.传热设备：

换热器，重点为间壁换热器。 5. 间壁换热器的传热过程：

（1）热流体以对流给热方式将热量传递到间壁的一侧；（2）热量自间壁一侧以热传导方式传递到另一侧；（3）热量从壁面以对流方式向冷流体传递热量。 6.热量传递快慢的度量：

传热速率Q—单位时间内所传递的热量，W；

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热通量q—单位时间通过单位传热面积所传递的热量，W/m2。

7.定常传热过程：传热系统中各个参数仅随位置而变，但不随时间而变：其特点为在同一热流方向上传热速率Q必为常数。 二、热传导 1.温度场与等温面

一物体内部，只要各点间有温度差存在，热量会自动从高温点向低温点传递，即产生热流，而热流的大小，取决于物体内部的温度分布，物体（或空间）各点温度在时空中的分布，称为温度场。可用下式表示：t = f (x,y,z,?) 式中 t — 某点的温度 x,y,z — 某点的座标

? — 时间

各点的温度随时间而改变的温度场称为不稳定温度场。若各点的温度均不随时间而改变，则称为稳定温度场。

温度相同的点所组成的面称为等温面。因为空间任一点不能同时有两个不同的温度，所以温度不同的等温面彼此不会相交。 2.热传导基本定律——傅立叶定律：

是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律，单位时间内传导的热量与温度梯度以及垂直于热流方向的截面积成正比。

Q = ―λA

dt dnQ—单位时间内传导的热量，单位W λ—材料的导热系数W/m·℃

dt—温度梯度，其正方向是指向温度增加的方向，而热量传递的方向则指向温dn度降低的方向，式中负号表示导热方向与温度梯度方向相反，且传热速率Q一般取正值。

该式适用于均匀材料的一维热传导。 3.导热系数λ

物质的导热系数表示导热能力大小的一个参数，是物质的物性常数。它与物质组成、结构、密度、温度、压力有关。导热系数值越大，该物质的导热能力越强。

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在所有的固体中，金属是最好的导热体。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。金属的导热系数大都随其纯度的增加而增大。

（1）各种材料导热系数的数量级：金属，10+1～102；建筑材料，10-1～101；液体，10-1～100；绝热材料和气体10-2～10-1；单位W/m·K或W/m·℃

（2）导热系数随温度的变化关系：温度升高，金属?减小，非金属固体?增大；液体?减小，气体?增大。

（3）正确计算导热系数的平均值，取两截面平均温度下的?。 4．傅立叶定律的应用——定常热传导

表1平壁和圆筒壁定常热传导的计算

单 层 多 层 平壁热传导 Q?t1?t2???A?t R 圆筒壁热传导 t?t?tQ?12? ?R?AmA=常数 ?R? ?AQq?=常数 A R?? ?AmA?2?rl随半径而变 r?rAm?2?lrm ，rm?21 rln2r1??r2?r1 q?QQ不是常数，常求量为 AlQ??ti?t??i RiiRiQ??ti?t??i RiiRi（1）表中公式适用于一维定常热传导的情况，使用时需取λ为常数；对于多层壁热传导要求各层之间接触良好。

（2）热传导过程的推动力为壁面两边的温度差?t，热阻为R??热过程，传热速率Q都与推动力成正比，与阻力成反比。

（3）多层壁串联定常导热过程中各层的传热推动力和热阻是可以分别相加的，

?A，对任何传

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也即总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和。 （4）各层的温差与热阻成正比，即哪层的温差大，该层的热阻一定大。 （5）和平壁相比，圆筒壁定常热传导的特点是其传热面积A随半径而变化，所以其温度分布是曲线，且热通量q?随半径而变，仍为常数。 （6）应用：设备与管道的保温。

（7）与其他章节联系：在保温层外是空气与保温层壁面之间的对流或辐射对流联合传热。参见习题4-12。

注意：对多层圆筒壁的热传导，在确定各层半径时要注意，特别容易出错。 三、对流给热

（一）、对流给热的基本概念

Q随半径r的增大而减少，但传热速率Q不A1.对流给热中所包括的传热方式：流体与固体壁之间的传热方式有对流和传导两种。

2.对流给热现象：

层流内层中，传热方向上主要以热传导方式进行，由于λ较小,温差较大，温度分布为直线；过渡区中，热传导和质点碰撞传热共同起作用，温度分布曲线斜率逐渐减少；在湍流主体中，流体质点的剧烈碰撞起主要作用，热阻较小，温度基本趋于一致，温度分布曲线较平坦。 3.对流给热中热阻与温差集中的地方

流体与固体壁之间传热时，对于湍流主体，由于流体质点返混较大，内部的温差和热阻都比较小，因此在对流传热中，热阻与温差主要集中在层流内层中。 （二）、牛顿冷却定律——表示对流给热的定律

1. 对流给热模型（虚拟膜理论）：假设流体侧的温度和热阻都完全集中在壁面附近一层厚度为?t的虚拟膜层内，在这层虚拟膜中仅以分子热传导方式传递热量。虚拟膜层以外没有热阻，也没有温差存在。 2. 对流给热基本方程（牛顿冷却定律）

Q =?A?t=

?t?t= 1R?A（1）当流体被加热时，?t?tw?t；当流体被冷却时?t?T?TW。用流动截面上

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