传热学基本理论简介

时间：2023-06-20 理论教育 版权反馈

【摘要】：传热是因为存在温差而产生热量，且热量从高温区向低温区转移，传热有三种方式，包括热传导、热对流和热辐射。物体单位表面单位时间内吸收的辐照能量可表示为Gabs=αG=ασT4e式中，Gabs表示物体吸收的辐照能量密度；α表示物体的吸收率；G表示辐照能量密度；Te表示外界环境热力学温度。联合方程式和方程式可得出以单位面积表示的辐照换热速率表达式qrad=E-αG=εσT4s-ασT4e式中，qrad表示辐射热流密度。

传热学基本理论简介

传热是因为存在温差而产生热量，且热量从高温区向低温区转移，传热有三种方式，包括热传导、热对流和热辐射。根据物质温度是否随时间变化，传热可分为稳态传热和非稳态传热。稳态传热是指传热系统的温度场不随时间变化的传热，非稳态传热是指传热系统的温度场随时间变化的传热。总传热速率方程是解决传热问题的基本方程，其表达式为

式中，Q表示传热速率（W）；K表示总传热系数[W/（m²·℃）]；A表示传热面积（m²）；ΔT表示温度差（℃），它是热量传递的推动力；为热量传递的总阻力。

热传导是指静态介质中由于存在温度梯度而产生的能量传输，其物理机理是原子或分子的随机活动。热传导的速率方程是傅里叶定律描述的导热方程，其表达式为

式中，q_n表示在n方向上的热流密度（W/m²）；λ表示热导率[W/（m·℃）]，它是材料的一个重要物性；表示沿n方向上的温度梯度（℃/m）。

对于非稳态传热且内部有热源传热，根据傅里叶定律，结合能量守恒原则，可推导出直角坐标系下的导热微分方程为

式中，λ_x、λ_y、λ_z分别表示材料在x、y、z三个坐标方向上的热导率[W/（cm·℃）]；q·表示单位时间单位体积内热源的生成热（W）。

若材料在三个坐标方向上的热导率相同，则式（5-3）可改写为

式中，表示热扩散系数（m²/s）。

在稳态传热条件下，即∂时，方程式（5-4）可简化为泊松方程

在稳态传热条件下，并且内部无热源，传热微分方程则简化为拉普拉斯方程

在非稳态传热条件下，并且内部无热源时，传热微分方程可简化为

热对流是指能量通过流动介质，由空间的一处传播至另一处的传热现象，通常指流体与固体表面间的热量传输。根据流动性质的不同，流体流动可分为受迫流动和自然流动。受迫流动指的是由风机、泵等外部力的作用导致的流动。自然流动指的是由流体内部密度不同（浮升力作用）引起的流体运动。根据流体流动的动力来源不同，对流换热可以分为受迫对流换热和自然对流换热两种。流体受迫流动时的换热为受迫对流换热或强制对流换热，流体自然流动时的换热为自然对流换热。根据流动的流体是否发生相变，对流换热可分为无相变对流换热和相变对流换热。沸腾和凝结是相变对流换热中两种重要的相变形式。

不论对流换热过程的具体特性如何，对流热传递速率方程均可用牛顿冷却定律描述。牛顿冷却定律是一个试验定律，其内容为单位时间内流体流过某一固体壁面发生的热量传递与流体和固体壁面之间的温度差及固体表面积成正比，数学表达式为

Q=hA （T_s-T∞）（5-8）式中，h表示表面传热系数[W/（m²·℃）]；T_s表示固体表面温度（℃）；T∞表示流体温度（℃）。

h是描述对流换热能力大小的参数，其数值与影响换热过程的诸多因素有关，主要包括传热表面的形状、流体的热力学性质、流体的流动状态以及流体有无相变等。

对于不可压缩、无内热源的流体，若忽略重力场和黏性耗散热，在稳态条件下，根据傅里叶定律和牛顿冷却定律，并基于质量守恒、动量守恒和能量守恒定律可推导出由换热微分方程、连续方程、动量方程和能量方程组成的对流换热微分方程组，即(www.daowen.com)

式中，∂T/∂y_y=0表示壁面温度梯度（℃/m）；u、v分别表示质量平均流体速度分量（kg/s）；表示自由流压力梯度（Pa/m）。