传热方式介绍

传热学是研究热量传递过程规律的科学。

热的传递是由于物体内部或物体之间的温度差引起的。根据热力学第二定律，无外功输入时，热量总是自发地从温度高的地方传递至温度较低的地方，且这个过程符合能量守恒定律（热力学第一定律）。

热能的传递有三种基本方式：热传导、热对流、热辐射，下面分别介绍这三种传热方式。

 

热传导

定义：温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象，称为热传导。

热传导的基本计算公式是傅立叶定律：在单位时间内热传导方式传递的热量与垂直于热流的截面积成正比，与温度梯度成正比，负号表示导热方向与温度梯度方向相反。

 

其中：

Ø  Q表示热流率，单位为W；

Ø  dT / dX为温度梯度，单位为℃⁄m；

Ø  A为导热面积，单位为m²；

Ø  λ为材料的导热系数，又称热导率，单位为W⁄(m•℃)，也可以为W⁄(m•K)。

热导率是材料的固有的物理特性，代表材料的导热能力，导热系数越大，说明材料的导热性能越好。

热传导的特点：

Ø  必须存在温差；

Ø  物体必须直接接触；

Ø  依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动；

Ø  不发生宏观的相对位移（如摩擦生热不是热传导）。

 

热对流

定义：流体中（液体或气体）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，称为热对流。

单纯的热对流无实际意义，工程中常见的是对流换热，即流动的流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程，是热传导与热对流同时存在复杂热传递过程。

热对流的基本计算公式是牛顿冷却公式：

其中：

Ø  Q，A 分别为热流率与面积；

Ø  与分别代表固体表面温度和流体温度；

Ø  h为对流换热系数，表示单位温差作用下通过单位面积的热流率，单位为W⁄(m²℃)，对流换热系数越大，传热越剧烈

对流换热系数与传热过程中的许多因素有关。如，物体的物性，换热表面的形状、大小相对位置，而且还与流体的流速有关。在对流分析中，通常需要使用理论分析或是实验方法来推算出物体表面的对流换热系数。

热对流的特点：

Ø  必须有直接接触（流体和壁面）

Ø  必须有温差

Ø  必须有宏观的相对位移

 

热辐射

定义：物体通过电磁波来传递热量的方式。

物体辐射热流率可根据斯特藩-玻尔兹曼定律来计算。

 

其中：

Ø  T为黑体温度，单位为K；

Ø  为黑体辐射系数，为

Ø  为黑体辐射力，单位为W⁄m²

热辐射的特点：

Ø  不需要接触，也不需要介质

Ø  辐射换热过程伴随能量形式转换：热能→辐射能→热能

Ø  无论温度高低，物体总是相互辐射能量