冶金传输原理 热量传输

第5章 热量传输的基本概念及基本定律5-1 一块厚50mm 的平板，两侧表面分别维持在3001=w T ℃，1002=w T ℃。

试求下列条件下导热的热流密度：（1）材料为铜，)/(389 C m W ⋅=λ;(2)材料为灰铸铁，)/(8.35 C m W ⋅=λ；（3）材料为铬砖，)/(04.5 C m W ⋅=λ。

解 参见式（5.6）有dxdT q λ-=在稳态导热过程中，垂直于x 轴的任一截面上的热流密度是相等的，即q 是常量。

将上式分离变量并积分得⎰⎰-=21w w T T dTdx q δ21w w T T Tqxλδ-=于是 δλδλ2121)(w w w w T T T T q -=--=这就是当导热系数为常数时一维稳态导热的热流密度计算式。

将已知数值代入该式，得铜 26/1056.105.010*******mW q ⨯=-⨯= 灰铸铁 25/1043.105.01003008.35mW q ⨯=-⨯= 铬砖 24/1002.205.010030004.5mW q ⨯=-⨯=5-2 一块温度127℃的钢板。

（1）已知钢板的发射率8.0=ε，试计算钢板发射的热流密度（即单位面积发射出的辐射热流量）。

（2）钢板除本身发射出辐射能散热外，还有什么其它散热方式？（3）已知)/(702C m W h ⋅=,钢板周围的空气温度为27℃，试求自然对流散热的热流密度。

解 （1）按式（5.15），钢板发射出的热流密度为24840/1160)127273(1067.58.0mW TA q =+⨯⨯⨯==Φ=-εσ（2）还有自然对流散热方式。

（3）自然对流散热按牛顿冷却公式（5.11）计算2/700)27127(7)(m W T T h q f w =-⨯=-=5-3 为了测量某种材料的热导率，用该材料制成厚5mm 、直径25mm 的圆形平板试件。

第一次试验时测得通过试件的导热量为0.22W ，试件两侧温度分别为20℃和50℃。

材料加工冶金传输原理自然对流传热的计算（原创实用版）目录一、材料加工冶金传输原理1.动量传输2.热量传输3.质量传输二、自然对流传热的计算1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算三、材料加工冶金传输原理在实践中的应用1.材料加工中的应用2.冶金工程中的应用正文一、材料加工冶金传输原理材料加工冶金传输原理涵盖了流体力学、传热学及传质学课程的内容。

从动量、热量及质量传输的角度，阐述了流体流动过程、传热过程以及传质过程的基本理论。

1.动量传输：动量传输是指流体在运动过程中，流体微团之间及流体与固体壁面之间的相互作用。

动量传输的基本方程是牛顿运动定律在流体力学中的推广，即动量守恒定律。

2.热量传输：热量传输是指流体中温度不同的各部分之间由于温差而引起的热量流动。

热量传输的基本方程是热力学第一定律在流体力学中的推广，即能量守恒定律。

3.质量传输：质量传输是指流体中浓度不同的各部分之间由于浓度差而引起的质量流动。

质量传输的基本方程是质量守恒定律在流体力学中的推广。

二、自然对流传热的计算自然对流传热是指流体在自然对流条件下的传热过程。

对于小型冷藏柜和家用电冰箱等制冷装置中的自然对流空气冷却式冷凝器，可以采用一种比较简单的近似传热计算方法。

1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算：自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算主要包括冷凝器的热负荷、传热系数和传热面积等参数的确定。

通过这些参数的计算，可以得到冷凝器的传热效果。

2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算：强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算需要考虑强制通风对传热效果的影响。

通过对强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算，可以优化制冷装置的性能。

三、材料加工冶金传输原理在实践中的应用材料加工冶金传输原理在材料加工和冶金工程实践中具有广泛的应用。

1.材料加工中的应用：在材料加工过程中，需要对金属进行熔化、铸造、轧制等操作。

在这些过程中，需要对流体流动、传热和传质等过程进行精确控制，以保证材料的性能和加工质量。

传输过程：物理量从非平衡状态朝平衡状态转移的过程动量传输：在垂直于实际流体流动方向上，动量由高速度区向低速度区的转移。

热量传输：是热量由高温区向低温区的转移。

质量传输：质量传输是指物系中的一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。

相对于固体，流体在力学上的特点：＊流体不能承受拉力；＊对于牛顿流体：切应力与应变的时间变化率成比例，而对弹性体（固体）来说，其切应力则与应变成比例。

＊固体只能以静变形抵抗剪切力，流体则连续变形，除非外力作用停止。

流体的粘性：在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动，流体的这种性质叫做流体的粘性。

由粘性产生的作用力叫做粘性阻力或内摩擦力。

流体中出现粘性的原因：由于分子间内聚力（引力）和流体分子的垂直流动方向热运动（出现能量交换）。

在液体中以前者为主，气体中以后者为主，所以液体的粘度随温度升高而减小，由于温度升高时分子间距增大，分子间引力减小；而气体的粘度则随温度的升高而增大，由于此时分子的热运动增强温度对粘度的影响，当温度升高时，液体的粘度降低，但是气体则与其相反，当温度升高时分子间的吸引力减小，粘度值就要降低；而造成气体粘度的主要原因是气体内部分子的杂乱运动的速度加大，速度不同的相邻气体层之间的质量和动量交换随之加剧，所以粘度值将增大。

牛顿流体:实际上，流体都具有粘性，凡流体在流动时，粘性力与速度梯度的关系都能用牛顿粘性定律全部气体和所有单相非聚合态流体(如水及甘油等)均质流体都属于牛顿流体。

理想流体是一种内部不能出现摩擦力，无粘性的流体，既不能传递拉力，也不能传递切力．它只能传递压力和在压力作用下流动，同时它还是不可被压缩的。

非稳定流:如果流场的运动参数不仅随位置改变，又随时间不同而变化;稳定流:如果运动参数只随位置改变而与时间无关;迹线定义：迹线就是流体质点运动的轨迹线迹线的特点是：对于每一个质点都有一个运动轨迹，所以迹线是一族曲线，而且迹线只随质点不同而异，与时间无关连续性微分方程：连续性微分方程的物理意义：流体在单位时间内流经单位体积空间输出与输入的质量差与其内部质量变化的代数和为零。

一、动量传输层流：流体质点在流动方向上分层流动，各层互不干扰和掺混，这种流线呈平等状态的流动称为层流表面力：作用于流体微元界面（而非质点）上的力，该力与作用面的大小成比例流体的流动型态分为层流和紊流作用于流体上的力是表面力和质量力两种不同流体的分界面一定是等压面动量传输方式有物性动量传输和对流动量传输黏性系数：表征流体变形的能力，由牛顿粘性定律所定义的系数，速度梯度为1时，单位面积上摩擦力的大小不可压缩流体：流体密度不会随压强改变而改变或该变化可忽略的流体速度边界层：在靠近边壁处速度存在明显差异的一层流体，即从速度为0到0.99倍的地方成为速度边界层理想流体：不存在黏性力或者其作用可以忽略的流体牛顿流体：符合牛顿粘性定律，流体剪切应力与速度梯度的一次方成正比的流体动量通量：单位时间通过单位面积的动量变化N/m2等压面：1等压面就是等势面2作用在静止流体中任一点的质量力必然垂直于通过该点的等压面3两种不同流体间的分界面一定是等压面流体流动的起因：自然流动、强制流动连续介质：将流体视为由连续不断的质点群构成;内部不存在间隙的介质流体微团（微元体法（精确解））：由质点组成的微小的流体单元控制体（控制体法（近似解））:流场中某一确定的空间区域，其周界称为控制面场：在空间中每点处都对应着某个物理量的精确值，在该空间存在该物理量的场附面层（边界层）：具有黏性的流体，流过固体表面时，由于流体的黏性作用在固体表面附近会形成具有速度梯度的一个薄层区域，此区域叫做附面层梯度：垂直于等值面，指向方向导数最大的方向流体动量传输的阻力损失：摩擦阻力和局部阻力流体流动的基本能量：动能、热能动量传输的实质：力和能量的传递相似理论：具有相同运动规律的同类物理现象作类似现象中，表征过程的同类各物理量之间彼此相似相似条件：1几何相似：两类现象各部分比例为常数2物理相似：物理过程相同，数学描述相同3初始条件和边界条件相似(包括几何和物理)相似的充要条件：相似常数存在，相似准数相等因次（量纲）：物理量单位的种类因此和谐原理：物理方程中各项的因此必须相等Π定理：Π=n-m n：物理量个数，m：基本因次个数Π：独立相似准数个数公式：二、热量传输薄材与厚材：不是指几何性质，而是物体内外温差较小或者趋近于0的是薄材，否则就是厚材热量传输的基本方式：导热、对流、辐射等温面：温度场中，同一瞬间相同温度各点构成的面傅克方程物理意义：包括导热和对流的一般性传热规律平壁和曲壁导热异同：平壁：单位面积热量不变。

材料加工冶金传输原理自然对流传热的计算（原创实用版）目录一、材料加工冶金传输原理1.动量传输2.热量传输3.质量传输二、自然对流传热的计算1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算正文一、材料加工冶金传输原理在材料加工和冶金工程中，流体流动、传热和传质过程是重要的环节，它们对整个工艺过程的产生和影响不容忽视。

为了更好地理解和掌握这些过程，我们需要从动量、热量和质量传输的角度进行深入研究。

1.动量传输动量传输是指流体在运动过程中，由于流速和压力的变化导致动量的传递。

在材料加工和冶金工程中，动量传输通常涉及到流体的输送和混合过程，以及流体与固体颗粒之间的作用力。

2.热量传输热量传输是指热量从高温区域向低温区域传递的过程。

在材料加工和冶金工程中，热量传输主要包括热传导、热对流和热辐射三种方式。

其中，热对流是指由于流体的流动导致热量的传递过程。

3.质量传输质量传输是指物质在流体中传递的过程。

在材料加工和冶金工程中，质量传输通常涉及到溶质、悬浮颗粒和气泡等在流体中的传递和分离过程。

二、自然对流传热的计算在制冷装置中，自然对流空气冷却式冷凝器和强制通风空气冷却式冷凝器是两种常见的传热设备。

下面分别介绍它们的传热计算方法。

1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算通常采用牛顿冷却定律和热传导定律相结合的方法。

首先，需要确定冷凝器的热负荷和传热系数；其次，根据冷凝器的结构和材料，计算出冷凝器的热传导阻力和热容；最后，利用牛顿冷却定律计算出冷凝器的传热速率。

2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算通常采用对流传热公式进行计算。

首先，需要确定冷凝器的热负荷和传热系数；其次，根据冷凝器的结构和材料，计算出冷凝器的对流换热系数；最后，利用对流传热公式计算出冷凝器的传热速率。