熱傳遞的三種方式講解課件

傳熱理論基礎(chǔ)刁乃仁diaonr@電話：8662325712/23/20221傳熱理論基礎(chǔ)刁乃仁12/18/20221一、熱量傳遞的基本方式熱量傳遞有三種基本方式:導(dǎo)熱

對流

輻射

12/23/20222一、熱量傳遞的基本方式熱量傳遞有三種基本方式:導(dǎo)熱對1、導(dǎo)熱在物體內(nèi)部或相互接觸的物體表面之間，由于分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。純導(dǎo)熱現(xiàn)象可以發(fā)生在固體內(nèi)部，也可以發(fā)生在靜止的液體和氣體之中。

12/23/202231、導(dǎo)熱在物體內(nèi)部或相互接觸的物體表面之間，大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

0xt

tw2

tw1

特點(diǎn)：平壁兩表面維持均勻恒定不變的溫度，平壁各處溫度不隨時(shí)間改變；

壁內(nèi)溫度只沿垂直于壁面的方向變化；熱量只沿著垂直于壁面的方向傳遞。熱流量：單位時(shí)間傳過的熱量:材料的導(dǎo)熱系數(shù)，表明材料的導(dǎo)熱能力，W/(m·K)。W12/23/20224大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱0xttw2tw1熱流密度

q:單位時(shí)間通過單位面積的熱流量導(dǎo)熱熱阻稱為平壁的導(dǎo)熱熱阻，表示物體對導(dǎo)熱的阻力，單位為K/W。tw1

tw2

熱阻網(wǎng)絡(luò)12/23/20225熱流密度q:單位時(shí)間通過單位面積的熱流量導(dǎo)熱熱阻稱為平壁的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。單位：W/m.K。絕大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)值都可以通過實(shí)驗(yàn)測得。12/23/20226導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。單位：W/m.物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上具有下述特點(diǎn):(1)對于同一種物質(zhì),固態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)值最大,氣態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)值最??；

(2)一般金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大于非金屬的熱導(dǎo)率；(3)導(dǎo)電性能好的金屬,其導(dǎo)熱性能也好；(4)純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大于它的合金。

導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值的影響因素較多,主要取決于物質(zhì)的種類、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理狀態(tài),此外溫度、密度、濕度等因素對導(dǎo)熱系數(shù)也有較大的影響。其中溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響尤為重要。12/23/20227物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上具有下述特點(diǎn):(1)對于同一種物質(zhì)溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響：

一般地說,所有物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)都是溫度的函數(shù),不同物質(zhì)的熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律不同。

純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減小。

一般合金和非金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。

12/23/20228溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響：一般地說,所有物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)用于保溫或隔熱的材料。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，溫度低于350℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)小于0.12

W/(mK)的材料稱為保溫材料。保溫材料（或稱絕熱材料）：

多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)與密度和濕度有關(guān)。一般情況下密度和濕度愈大，熱導(dǎo)率愈大。典型材料導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值范圍純金屬50--415W/m·K合金12--120W/m·K非金屬固體1--40W/m·K液體(非金屬)0.17--0.7W/m·K絕熱材料0.03--0.12W/m·K氣體0.007--0.17W/m·K12/23/20229用于保溫或隔熱的材料。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，溫度低于350℃時(shí)2、對流由于流體的宏觀運(yùn)動使不同溫度的流體相對位移而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。

特點(diǎn)：熱對流只發(fā)生在流體之中，并伴隨有微觀粒子熱運(yùn)動而產(chǎn)生的導(dǎo)熱。對流換熱

：流體與相互接觸的固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，是導(dǎo)熱和熱對流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。牛頓冷卻公式:

=Ah(tw–tf)

q=h(tw–tf)

12/23/2022102、對流由于流體的宏觀運(yùn)動使不同溫度的流體相對位移tw

tf

h稱為對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（習(xí)慣稱為對流換熱系數(shù)），單位為W/(m2K)。對流換熱熱阻：

=Ah(tw–tf)

稱為對流換熱熱阻，單位為W/K。對流換熱熱阻網(wǎng)絡(luò)：12/23/202211twtfh稱為對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（習(xí)慣稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素：h的大小反映對流換熱的強(qiáng)弱，與以下因素有關(guān)：

（1）流體的物性（熱導(dǎo)率、粘度、密度、比熱容等）；（2）流體流動的形態(tài)（層流、紊流）；（3）流動的成因（自然對流或受迫對流）；（4）物體表面的形狀、尺寸；（5）換熱時(shí)流體有無相變（沸騰或凝結(jié)）。12/23/202212表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素：h的大小反映對流

表1-1一些表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍

對流換熱類型表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

hW/(m2K)

空氣與外墻面自然對流換熱2～25

液體自然對流換熱50～1000

氣體強(qiáng)迫對流換熱25～250

液體強(qiáng)迫對流換熱50～25000

液體沸騰2500～100000

蒸氣凝結(jié)2000～10000012/23/202213表1-1一些表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍對3、熱輻射－電磁波的波譜：射線：

<5×10-5mX射線：5×10-7<<5×10-2m紫外線：4×10-3<<0.38m可見光：0.38<<0.76m紅外線：0.76<<103

m

無線電波：

>103

m12/23/2022143、熱輻射－電磁波的波譜：射線：<5×10-5微波：103<<106

m

微波爐就是利用微波加熱食物，因微波可穿透塑料、玻璃和陶瓷制品，但會被食物中水分子吸收，產(chǎn)生內(nèi)熱源，使食品均勻加熱。熱輻射

由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。

理論上熱輻射的波長范圍從零到無窮大，但在日常生活和工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi)，熱輻射的波長主要在0.1m至100m之間,包括部分紫外線、可見光和部分紅外線三個(gè)波段。12/23/202215微波：103<<106m微熱輻射的主要特點(diǎn)：

（1）所有溫度大于0K的物體都具有發(fā)射熱輻射的能力，溫度愈高，發(fā)射熱輻射的能力愈強(qiáng)。發(fā)射熱輻射時(shí)：內(nèi)熱能輻射能

（2）所有實(shí)際物體都具有吸收熱輻射的能力，吸收熱輻射時(shí)：輻射能內(nèi)熱能；

（3）熱輻射不依靠中間媒介，可以在真空中傳播；

（4）物體間以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量傳遞是雙向的。

高溫物體低溫物體熱輻射是熱量傳遞的基本方式之一。12/23/202216熱輻射的主要特點(diǎn)：（1）所有溫度大于0K的物體都具有輻射換熱：以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量交換。輻射換熱的主要影響因素：（1）物體本身的溫度、表面輻射特性；

（2）物體的大小、幾何形狀及相對位置。

注意：（1）熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種熱量傳遞基本方式往往不是單獨(dú)出現(xiàn)的；

（2）分析傳熱問題時(shí)首先應(yīng)該弄清楚有那些傳熱方式在起作用，然后再按照每一種傳熱方式的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

（3）如果某一種傳熱方式與其他傳熱方式相比作用非常小，往往可以忽略。

12/23/202217輻射換熱：以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量交換。輻射換熱的主要影響因二、傳熱過程

傳熱過程是指熱量從固體壁面一側(cè)的流體通過固體壁面?zhèn)鬟f到另一側(cè)流體的過程。傳熱過程由三個(gè)相互串聯(lián)的環(huán)節(jié)組成:高溫流體低溫流體固體壁

（1）熱量從高溫流體以對流換熱（或?qū)α鲹Q熱＋輻射換熱）的方式傳給壁面；

（2）熱量從一側(cè)壁面以導(dǎo)熱的方式傳遞到另一側(cè)壁面；

（3）熱量從低溫流體側(cè)壁面以對流換熱（或?qū)α鲹Q熱＋輻射換熱）的方式傳給低溫流體。12/23/202218二、傳熱過程傳熱過程是指熱量從固體壁面一側(cè)的流體通過通過平壁的穩(wěn)態(tài)傳熱過程假設(shè)：tf1、tf2、h1、h2不隨時(shí)間變化；為常數(shù)。

（1）左側(cè)的對流換熱（2）平壁的導(dǎo)熱

tw2

tw1

0xt

h1

tf1

h2

tf2

12/23/202219通過平壁的穩(wěn)態(tài)傳熱過程假設(shè)：tf1、tf2、h1、h2不（3）右側(cè)的對流換熱在穩(wěn)態(tài)情況下，以上三式的熱流量相同，可得

式中，Rk稱為傳熱熱阻。

tw1

tw2

tf1

tf2

傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)：

12/23/202220（3）右側(cè)的對流換熱在穩(wěn)態(tài)情況下，以上三式的熱流量相同，可傳熱系數(shù)

將傳熱熱流量的計(jì)算公式寫成

式中

k稱為傳熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)，t為傳熱溫差。通過單位面積平壁的熱流密度為

利用上述公式,可以很容易求得通過平壁的熱流量、熱流密度q及壁面溫度tw1、tw2。

12/23/202221傳熱系數(shù)將傳熱熱流量的計(jì)算公式寫成式中k稱為傳熱系數(shù)傳熱理論基礎(chǔ)刁乃仁diaonr@電話：8662325712/23/202222傳熱理論基礎(chǔ)刁乃仁12/18/20221一、熱量傳遞的基本方式熱量傳遞有三種基本方式:導(dǎo)熱

對流

輻射

12/23/202223一、熱量傳遞的基本方式熱量傳遞有三種基本方式:導(dǎo)熱對1、導(dǎo)熱在物體內(nèi)部或相互接觸的物體表面之間，由于分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。純導(dǎo)熱現(xiàn)象可以發(fā)生在固體內(nèi)部，也可以發(fā)生在靜止的液體和氣體之中。

12/23/2022241、導(dǎo)熱在物體內(nèi)部或相互接觸的物體表面之間，大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

0xt

tw2

tw1

特點(diǎn)：平壁兩表面維持均勻恒定不變的溫度，平壁各處溫度不隨時(shí)間改變；

壁內(nèi)溫度只沿垂直于壁面的方向變化；熱量只沿著垂直于壁面的方向傳遞。熱流量：單位時(shí)間傳過的熱量:材料的導(dǎo)熱系數(shù)，表明材料的導(dǎo)熱能力，W/(m·K)。W12/23/202225大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱0xttw2tw1熱流密度

q:單位時(shí)間通過單位面積的熱流量導(dǎo)熱熱阻稱為平壁的導(dǎo)熱熱阻，表示物體對導(dǎo)熱的阻力，單位為K/W。tw1

tw2

熱阻網(wǎng)絡(luò)12/23/202226熱流密度q:單位時(shí)間通過單位面積的熱流量導(dǎo)熱熱阻稱為平壁的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。單位：W/m.K。絕大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)值都可以通過實(shí)驗(yàn)測得。12/23/202227導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。單位：W/m.物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上具有下述特點(diǎn):(1)對于同一種物質(zhì),固態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)值最大,氣態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)值最?。?/p>

(2)一般金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大于非金屬的熱導(dǎo)率；(3)導(dǎo)電性能好的金屬,其導(dǎo)熱性能也好；(4)純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大于它的合金。

導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值的影響因素較多,主要取決于物質(zhì)的種類、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理狀態(tài),此外溫度、密度、濕度等因素對導(dǎo)熱系數(shù)也有較大的影響。其中溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響尤為重要。12/23/202228物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上具有下述特點(diǎn):(1)對于同一種物質(zhì)溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響：

一般地說,所有物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)都是溫度的函數(shù),不同物質(zhì)的熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律不同。

純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減小。

一般合金和非金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。

12/23/202229溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響：一般地說,所有物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)用于保溫或隔熱的材料。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，溫度低于350℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)小于0.12

W/(mK)的材料稱為保溫材料。保溫材料（或稱絕熱材料）：

多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)與密度和濕度有關(guān)。一般情況下密度和濕度愈大，熱導(dǎo)率愈大。典型材料導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值范圍純金屬50--415W/m·K合金12--120W/m·K非金屬固體1--40W/m·K液體(非金屬)0.17--0.7W/m·K絕熱材料0.03--0.12W/m·K氣體0.007--0.17W/m·K12/23/202230用于保溫或隔熱的材料。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，溫度低于350℃時(shí)2、對流由于流體的宏觀運(yùn)動使不同溫度的流體相對位移而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。

特點(diǎn)：熱對流只發(fā)生在流體之中，并伴隨有微觀粒子熱運(yùn)動而產(chǎn)生的導(dǎo)熱。對流換熱

：流體與相互接觸的固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，是導(dǎo)熱和熱對流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。牛頓冷卻公式:

=Ah(tw–tf)

q=h(tw–tf)

12/23/2022312、對流由于流體的宏觀運(yùn)動使不同溫度的流體相對位移tw

tf

h稱為對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（習(xí)慣稱為對流換熱系數(shù)），單位為W/(m2K)。對流換熱熱阻：

=Ah(tw–tf)

稱為對流換熱熱阻，單位為W/K。對流換熱熱阻網(wǎng)絡(luò)：12/23/202232twtfh稱為對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（習(xí)慣稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素：h的大小反映對流換熱的強(qiáng)弱，與以下因素有關(guān)：

（1）流體的物性（熱導(dǎo)率、粘度、密度、比熱容等）；（2）流體流動的形態(tài)（層流、紊流）；（3）流動的成因（自然對流或受迫對流）；（4）物體表面的形狀、尺寸；（5）換熱時(shí)流體有無相變（沸騰或凝結(jié)）。12/23/202233表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素：h的大小反映對流

表1-1一些表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍

對流換熱類型表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

hW/(m2K)

空氣與外墻面自然對流換熱2～25

液體自然對流換熱50～1000

氣體強(qiáng)迫對流換熱25～250

液體強(qiáng)迫對流換熱50～25000

液體沸騰2500～100000

蒸氣凝結(jié)2000～10000012/23/202234表1-1一些表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍對3、熱輻射－電磁波的波譜：射線：

<5×10-5mX射線：5×10-7<<5×10-2m紫外線：4×10-3<<0.38m可見光：0.38<<0.76m紅外線：0.76<<103

m

無線電波：

>103

m12/23/2022353、熱輻射－電磁波的波譜：射線：<5×10-5微波：103<<106

m

微波爐就是利用微波加熱食物，因微波可穿透塑料、玻璃和陶瓷制品，但會被食物中水分子吸收，產(chǎn)生內(nèi)熱源，使食品均勻加熱。熱輻射

由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。

理論上熱輻射的波長范圍從零到無窮大，但在日常生活和工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi)，熱輻射的波長主要在0.1m至100m之間,包括部分紫外線、可見光和部分紅外線三個(gè)波段。12/23/202236微波：103<<106m微熱輻射的主要特點(diǎn)：

（1）所有溫度大于0K的物體都具有發(fā)射熱輻射的能力，溫度愈高，發(fā)射熱輻射的能力愈強(qiáng)。發(fā)射熱輻射時(shí)：內(nèi)熱能輻射能

（2）所有實(shí)際物體都具有吸收熱輻射的能力，吸收熱輻射時(shí)：輻射能內(nèi)熱能；

（3）熱輻射不依靠中間媒介，可以在真空中傳播；

（4）物體間以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量傳遞是雙向的。

高溫物體低溫物體熱輻射是熱量傳遞的基本方式之一。12/23/202237熱輻射的主要特點(diǎn)：（1）所有溫度大于0K的物體都具有輻射換熱：以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量交換。輻射換熱的主要影響因素：（1）物體本身的溫度、表面輻射特性；

（2）物體的大小、幾何形狀及相對位置。

注意：（1）熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種熱量傳遞基本方式往往不是單獨(dú)出現(xiàn)的；

（2）分析傳熱問題時(shí)首先應(yīng)該弄清楚有那些傳熱方式在起作用，然后