2-传热学基础

AT
4
对于两个相距很近的黑体表面，由于一 个表面发射出来的能量几乎完全落到另 一个表面上，那么它们之间的辐射换热 量为 ：
A T1 Q
Q A (T T )
4 1 4 2
T2
实际物体辐射热流量
AT
4
其中Φ——物体自身向外辐射的热流量， 而不是辐射换热量； ：物体的发射率（黑度），其大小与 物体的种类及表面状态有关。
2
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量
•h是表征对流换热过程强弱的物理量
影响h因素：流动原因、流动状态、流体物性、 有无相变、壁面形状大小等， 而且与流体的
流速有关
一般地，就介质而言：水的对流换热比 空气强烈；就换热方式而言：有相变的 强于无相变的；强制对流强于自然对流。 流动强制对流
1. 定义与特征 定义：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。 对流换热：流体与温度不同的固体壁间接触 时的热量交换过程 Convection heat transfer
对流换热的基本规律 -牛顿冷却公式
流体被加热时，q h(t w t f )
t f 1 t w1 Q A 1
t w1 t w 2
Q A1
Q A 2
t w 2 t w3
Q A2
1
2
t w3 t f 2
四式相加
t Q 1 2 1 1 1 Ak A1 A1 A 2 A 2 t f1 - t f2
表示成热阻的形式，有
Q A 1
t w1 t w 2
Q A1
Q A2
tw2到tw3：
Q A2 (tw2 tw3 ) / 2
1
tw3到冷流体：
Q A 2 (t w3 t f 2 )
t w 2 t w3
t w3 t f 2
Q从热流体tf1到tw1：

传热过程
传递热量的 基本方式： 导热、对流、 热辐射，由 这三个基本 方式组成不 同的传热过 程。如：
传热过程分析
对流换热 导热 对流换热、辐射换热 暖气：热水 管子内壁 管子外壁 室内环境
冷凝器：蒸汽 管子外壁 管子内壁 水
纯铜 398 W ( m C ) ;

水 0 .6 W ( m C ) ;

空气 0 .026 W ( m C ) （20 C ）
导热算例
例 题 1-1 有 三 块 分 别 由 纯 铜 （ 热 导 率 λ1=398W/(m· K) ）、黄铜（热导率 λ2=109W/(m· K) ） 和碳钢（热导率 λ3=40W/(m· K) ）制成的大平板，厚 度都为 10mm ，两侧表面的温差都维持为 tw1 – tw2 = 50℃不变，试求通过每块平板的导热热流密度。
热辐射的基本规律
所谓绝对黑体：把吸收率等于1的物体称黑体， 是一种假想的理想物体。 黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大 的而且辐射热量服从于斯忒藩——玻耳兹曼定律。 黑体在单位时间内发出的辐射热量
；
其中T——黑体的热力学温度K； ：黑体辐射常数，5.67 * 108 w / m 2 * k A——辐射表面积m *m。
对流
导热 辐射 对流
屋内热空气的热量通过墙 壁和保温层传递给屋外冷 空气，这个过程就属于传 热过程。
若屋内空气温度为tf1，屋外的空气温度为tf2， 传热温差= tf1- tf2。若屋内对流和辐射总换热 系数为 1，屋外侧的对流换热系数为 2 ，墙 壁、保温层的厚度分别为 1 和 2 ，墙壁、 保温层的导热系数分别为1 和 2 。
凝结换热
导热
对流换热
分析一个实际传热过程的目的，就是分析该过程由哪些 串联环节组成。以及每一环节中有哪些传热方式起主要 作用，它是解决实际传热的核心基础。 导热、对流、热辐射的基本定律：傅里叶定律、牛顿冷 却公式、斯忒藩—玻耳兹曼定律，适用于稳态和非稳态 热传递过程。
墙体传热过程的分析
1、概念

对流 导热 辐射 对流
表 4.2.2-4
夏热冬冷地区围护结构传热系数和遮阳系数限值 传热系数 K W/(㎡·K) ≤0.70 ≤1.0 ≤1.0 传热系数 K W/(㎡·K) 遮阳系数 SC（东、南、 西向/北向） —— ≤0.55/— ≤0.50/0.60 ≤0.45/0.55 ≤0.40/0.50 ≤0.40
热辐射
物体的温度越高、辐射能力越 强；若物体的种 类不同、表面 状况不同，其辐射能力不同
2.辐射换热的特点
——不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介 质的存在，在真空中就可以传递能量 ——在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能 ——无论温度高低，物体都在不停地相互发射电 磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物 体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总 的结果是热由高温传到低温
流体被冷却时， q h(t f t w )
其中 t w及 t f 分别为壁面温度和流体温 度； t 用表示温差（温压），并取为正，则 牛顿冷却公式表示为
q ht
Q Aht
表面传热系数（对流换热系数）
（Convection heat transfer coefficient）
h Φ ( A(t w t )) W (m C)
Heat Transfer
1. 传热学基础
传热学-基本概念
传热学是研究热量传递规律的学科。
物体内只要存在温差，就有热量从物体的高 温部分传向低温部分； 物体之间存在温差时，热量就会自发的从高 温物体传向低温物体。

由于自然界和生产技术中几乎均有温差 存在，所以热量传递已成为自然界和生 产技术中一种普遍现象。

层流（Re<2300）

紊流
罐壁自然对流散热
对流算例
例题1-2 一室内暖气片的散热面积为 3m2，表面温度 为tw = 50℃，和温度为20℃的室内空气之间自然对流 换热的表面传热系数为h = 4 W/(m2· K)。试问该暖气 片相当于多大功率的电暖气? 解： 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热， Q= Ah(tw – tf) = 3m2×4 W/(m2· K)×(50-20)K = 360W = 0.36 kW
dt q A dx
分析
导热系数λ表征材料导热性能优劣的参数， 是一种物性参数，单位：w/mk。 不同材料的导热系数值不同，即使同一 种材料导热系数值与温度等因素有关。 金属材料最高，良导电体，也是良导热 体，液体次之，气体最小。
热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定
金属 非金属固体 液体 气体
解： 这是通过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板，
q1 1
t w1 t w 2

398 50 / 0.01 1.99 10 W
6
对于黄铜板
q2 2
t w1 t w 2

109 50 / 0.01 0.545 106W
对于碳钢板
q2 3
t w1 t w 2
1 1 1 2 1 rk k 1 1 2 2
[m2 C / w]
单位面积传热热阻
k越大，传热越好。若要增大k，可增大 ,
, 减小
节能审查问题
《公共建筑节能设计标准》 GB50189_2005

4.2.2 根据建筑所处城市的建筑气候分区， 围护结构的热工性能应分别符合表4.2.2-1、 表4.2.2-2、表4.2.2-3、表4.2.2-4、表4.2.25以及表4.2.2-6的规定，其中外墙的传热系 数为包括结构性热桥在内的平均值Km
Φ A
t
W
W m2
：热流量，单位时间传递的热量[W]
q：热流密度，单位时间通过单位
t t w1 t w 2：平壁两侧壁温之差 C 热导率（导热系数） W (m C) Thermal conductivity :

面积传递的热量 : 平壁的厚度[m]； A：垂直于导热方向的截面积[m2]
热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中 去的过程称传热过程。 传热过程一般包括串联着的三个环节组成，即： ①热流体→壁面高温侧； ②壁面高温侧→壁面低温侧； ③壁面低温侧→冷流体。
2、传热过程的组成



若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。
传热过程与热阻
传热过程通常由导热、 热对流、热辐射组合形 成
即相当于功率为0.36kW的电暖气。
热辐射
1）辐射和热辐射

物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因而 发出辐射能的现象称为热辐射。 辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间 的热量传递称辐射换热。
2）辐射换热

自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射，同时 又不断的吸收其他物体发出的辐射热。 说明：辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境 温度处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收 过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。

40 50 / 0.01 0.2 10 W
6
对流
1) 对流：是指由于流体的 宏观运动，从而使流体各 部分之间发生相对位移， 冷热流体相互掺混所引起 的热量传递过程。 对流仅发生在流体中，对 流的同时必伴随有导热现 象。 2) 对流换热：流体流过一 个物体表面时的热量传递 过程，称为对流换热。
t t Q R1 R2 R3 R4 Rt
2.热阻 导热热阻：
Thermal resistance for conduction