三种传热方式的异同

绪 论

一、概念

1．传热学：研究热量传递规律的科学。

2．热量传递的基本方式：热传导、热对流、热辐射。

3．热传导(导热)：物体的各部分之间不发生相对位移、依靠微观粒子的热运动产生的热量传递现象。（纯粹的导热只能发生在不透明的固体之中。）

4．热流密度：通过单位面积的热流量(W／m2)。

5．热对流：由于流体各部分之间发生相对位移而产生的热量传递现象。热对流只发生在流体之中，并伴随有导热现象。

6．自然对流：由于流体密度差引起的相对运功c

7．强制对流：出于机械作用或其他压差作用引起的相对运动。

8．对流换热：流体流过固体壁面时，由于对流和导热的联合作用，使流体与固体壁面间产生热量传递的过程。

9．辐射：物体通过电磁波传播能量的方式。

10．热辐射：由于热的原因，物体的内能转变成电磁波的能量而进行的辐射过程。

11．辐射换热：不直接接触的物体之间，出于各自辐射与吸收的综合结果所产生的热量传递现象。

12．传热过程；热流体通过固体壁而将热量传给另一侧冷流体的过程。

13．传热系数：表征传热过程强烈程度的标尺，数值上等于冷热流体温差1时所产生的热流密度)/(2kmW。

14．单位面积上的传热热阻：kRk1

单位面积上的导热热阻：R。

单位面积上的对流换热热阻：hR1

对比串联热阻大小就可以找到强化传热的主要环节。

15．导热系数

是表征材料导热性能优劣的系数，是一种物性参数，不同材料的导热系数的数值不同，即使是同一种材料，其值还与温度等参数有关。对于各向异性的材料，还与方向有关。

常温下部分物质导热系数：银：427；纯铜：398；纯铝：236；普通钢：30-50；水：0.599；空气：0.0259；保温材料：<0.14；水垢：1-3；烟垢：0.1-0.3。 16．表面换热系数h

不是物性参数，它与流体物性参数、流动状态、换热表面的形状、大小和布置等因素都有关。

17．稳态传热过程（定常过程）：物体中各点温度不随时间而变。

传热学辅导

1.试⽤简练的语⾔说明导热、对流换热及辐射换热三种传递⽅式之间的联系与区别？

答：导热、对流换热及辐射换热是热量传递的三种⽅式。导热主要依靠微观粒⼦运动⽽传递热量；对流换热是流体与固体壁⾯之间的换热，依靠流体对流和导热的联合作⽤⽽产⽣热量传递；辐射换热是通过电磁波传播能量，是物体之间辐射和吸收的综合效果。⼀个传热现象往往是⼏种传热⽅式同时作⽤。2、试举5个隔热保温的措施，并⽤传热学理论阐明其原理?

答：⑴在热⼒管道上敷设保温材料，以增加传热热阻，减少管道损失；

⑵保温材料外敷设防⽔材料，以避免受潮⽽降低保温效果‘

⑶保温层外采⽤发射率低材料，以降低辐射散热量；

⑷对于管道保温，将导热系数⼩的材料包在内层，以增加保温层热阻；

⑸采⽤遮热板，增加系统辐射热阻，以减少⾼温物体的辐射散热。3、采⽤温度计套管测量⽓体温度时，辐射和导热会引起测温误差，请提出提⾼测温精度的措施？

答：⑴采⽤导热系数较⼩的材料作套管，尽量增加套管⾼度，减少套管的壁厚，从⽽降低套管顶端与根部间的导热量；

⑵强化套管与流体间的换热，从⽽降低套管顶端与⽓体的温差；

⑶在⽓体测量段或⽓体容器外部进⾏保温处理和减少套管表⾯⿊度，从⽽降低套管与⽓体容器壁⾯的辐射换热量；

⑷降低温度计探头与套管内壁的接触热阻，从采⽤导热油、⽔银、导热硅胶等。4、试⽐较竖壁上⾃然对流与膜状凝结的异同？

答：⑴都是竖壁表⾯与流体的换热，⾃然对流主要作⽤⼒是浮升⼒和粘性⼒，膜状凝结主要作⽤⼒是重⼒和粘性⼒；

⑵都存在层流和湍流两种状态，其中⾃然对流是⽓体的流动状态，膜状凝结指的是液膜中凝结液的流动状态。5、简述⾮稳态导热的基本特点？

答：⑴随着导热过程的进⾏ , 导热体内温度不断变化, 好象温度会从物体的⼀部分逐渐向另⼀部分转播⼀样 , 习惯上称为导温现象。这在稳态导热中是不存在的。

⑵⾮稳态导热过程中导热体⾃⾝参与吸热（或放热），即导热体有储热现象，所以即使对通过平壁的⾮稳态导热来说，在与热流⽅向相垂直的不同截⾯上的热流量也是处处不等的，⽽在⼀维稳态导热中通过各层的热流量是相等的。

三、 传热过程中基本问题与传热机理

传热过程中的基本问题可以归结为：

1、 载热体用量计算

2、 传热面积计算

3、 换热器的结构设计

4、 提高换热器生产能力的途径。

解决这些问题，主要依靠两个基本关系。

（1） 热量衡算式 根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则热流体放出的热量等于冷流体取得的热量。即Q热=Q冷， 称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热体的用量。

（2） 传热速率式 换热器在单位时间内所能交换的热量称为传热速率，以Q表示，其单位［W］。实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差△tm及传热面积S成正比，即：

Q=KS△tm (3-1)

S=nπd L (3-2)

式 中：Q──传热速率，W；

S──传热面积，m2；

△tm──温度差，0C；

K── 传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2· ℃ ；

n ──管数；

d ──管径，m；

L ──管长，m。

若将式（3-1）变换成下列形式：

Q/S=△tm/(1/K) (3-3)

式中：△tm──传热过程的推动力， ℃

1/K ──传热总阻力（热阻），m2· ℃/W。

则单位传热面积的传热速率正比于推动力，反比于热阻。因此，提高换热器的传热速率的途径是提高传热推动力和降低热阻。

另一方面，从式（3-1）可知，如杲工艺上所要求的传热量Q己知，则可在确定K及△tm的基础上算传热面积S，进而确定换热器的各部分尺寸，完成换热器的结构设计。

本章主要介绍应用这两个基本关系解决上述四个问题。介绍的范围以稳定传热为限。所谓稳定传热是指传热量与时间无关，即每单位时间内的传热量为定值。反之，传热量随着时间而变的则是不稳定传热，一般在化工连续生产中都属稳定传热。

就传热机理而言，任何热量传递总是通过传导、对流、辐射三种方式进行的。传热可依靠其中一种方式或几种方式同时进行，净的热流方向总是由高温处向低温处流动

1、冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打以后，效果更明显。解释其原因。

答：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小（20℃，1.01325×10^5Pa时，空气导热系数为0.0259W/(m.k)),具有良好的保温性能，而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。

2、夏季在维持20℃的室内工作，穿单衣会感到很舒适，而冬季在保持22℃的室内工作时，却必须穿羽绒衣才觉得舒服。从传热学分析原因。

答：首先，冬季和夏季最大的区别就是室外温度不同，夏季室外温度高于室内温度，因此通过墙壁的热量的传递方式是由室外传向室内，而冬季则相反，因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因此尽管冬季室内温度略高于夏季，但是人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多，由于人体对于冷感的感受主要是散热量，所以在冬季要传一些后的衣服。

3、冬天，在相同的室外条件下，为什么有风比无风时感觉更冷一些？

答：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属于自然对流换热。而空气的强制对流换热比自然对流强烈，因而在有风时人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。

4、利用同一台冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？

答：当其他条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室之间增加了一个附加热阻，因此，要达到相同的制冷温度，必然要求蒸发器处于更低的温度，所以结霜的冰箱耗电量更大。

5、试分析室内暖气片的散热过程，各环节都有哪些热量传递方式？

答：有以下换热环节和热传递方式：（1）由热水到暖气片管道内壁，热传递方式是对流换热（强制对流）；（2）由暖气片管道内壁至外壁，热传递方式为导热；（3）由暖气片外壁至室内环境和空气，热传递方式有辐射换热和对流换热。