传热过程基础--传热过程导论

1. 传热在工业生产中的应用   
2. 传热的基本方式
3. 传热速率与热通量
4. 稳态传热与非稳态传热  
  —2.1 热传导（导热）    
  —2.2 热对流（对流）    
  —2.3 热辐射

物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程，称为热量的传递，简称传热。换句话说,传热是冷热物体间的热量交换。既，传热学是研究在温差作用下热能传递规律的科学。  
  根据热力学第二定律，只要有温度差就将有热量自发地从高温处传到低温处，既：传热方向是从高温到低温，推动力是温差。由于自然界和生产技术中几乎到处存在着温度差，所以热量传递就成为自然界、工程技术和生产技术领域中一种非常普遍的现象。   
  由于在现代各个生产领域中所遇到的大多数技术问题，乃至自然界中的许多现象都与热能的传递有关，而且几乎任何一种形式的能量最终都是以热能的形式耗散于环境及宇宙之中，因此研究热能的传递、转换与控制的传热学与工程热力学（一般合称热工课程）是大多数工科专业的一门重要的技术基础课程。   
  传热学在生产即使领域中的应用非常广泛。在能源动力、化工制药、材料冶金、机械制造、电气电信、建筑工程、交通运输、航空航天、纺织印染、农业林业、生物工程、环境保护和气象预报等部门中存在大量的热量传递问题，而且还起着关键作用。例如，航天器在重返地球时以当地音速的15～20倍的极高速度进入大气层，在航天器表面附近发生剧烈的摩擦加热现象，致使气流局部温度高达500～15000K。为保证航天器的安全飞行，有效的冷却及隔热方法研究就成为其关键问题。实际上，近20年来，现代科学技术的进步，特别是高参数大容量发电机组的发展，原子能、太阳能、地热能等新能源的开发利用，航天技术的飞速发展，超导、大规模集成电路、微型机械和生物工程等一系日趋完善、内容不断充实，已经成为现代技术科学中充满活力的主要基础学科之一。  
     
  1. 传热在工业生产中的应用  
  工业生产与传热问题更为密切，无论是化学反应过程，还是物理性操作过程，几乎都伴有热量的引入或导出。因此，传热是重要的工业单元操作之一，其应用主要包括以下几方面：   
  （1）加热或冷却流体，符合化学反应或单元操作的需要；  
  （2）对设备或管道进行保温、隔热，以减少热量（或冷量）损失；  
  （3）合理使用热源，进行热量的综合回收利用。  
     
  2. 传热的基本方式  
  根据传热的机理不同，传热分为三种基本方式：  
  2.1 热传导（导热）  
  定义：热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传递现象。  
  特点：   
   由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传热方向上无物质的宏观位移。  
   存在于固体、静止流体及滞流流体中。  
  发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从高温部分传向低温部分。  
  从微观角度看，气体、液体、导电固体和非导电固体的机理各不相同：  
   气体：是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低温区的大。热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相互碰撞的结果，热量就由高温区传递到低温区。  
   导电固体：有许多的自由分子在晶格之间运动，正如这些自由电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递到低温区。  
   非导电固体：导热是通过晶格结构的振动（即原子、分子在其平衡位置附近的振动）来实现的。物体中温度较高部分的分子，因振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部分传递给后者。  
  一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递的热量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因。  
   液体：  
  ★ 一种观点认为它定性地和气体类似，只是液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多，因而更复杂  
  ★ 另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振 动的平衡位置间歇地发生移动  
  总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。本章只讨论导热现象的宏观规律。  
  2.2 热对流（对流）  
  定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程  
  特点：  
   热对流只发生在流体中；  
   流体各部分间产生相对位移。  
  产生对流的原因：  
   由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下产生流体质点的相对位移，使轻者上浮，重者下沉，称为自然对流；  
   由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动，称为强制对流。  
  流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同时常常伴随有自然对流。  
  工业生产中，常遇到的并非是单纯的热对流方式，而是流体流过固体表面时发生的热对流和热传导联合作用的传热过程，即热由流体传递到固体表面（或反之）的过程，通常将它称为对流传热(也称给热)。其特点是靠近固体壁面附近的流体中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式传热。  
  可见，对流传热与流体流动状况密切相关。  
  虽然热对流是一种基本的传热方式，但由于热对流总伴随热传导，要将二者分开处理是困难的。因此一般不讨论单纯热对流，而着重讨论具有实际意义的对流传热。  
  2.3 热辐射  
  定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。  
  自然界中一切物体都在不停地发射辐射能，同时又不断地吸收来自其它物体的辐射能，并将其转化为热能。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传递向低温物体。  
  特点：  
   可在真空中传播；  
   能量传递同时伴随有能量的转换。  
  任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。  
  实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出现，而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种方式为主。  
     
  3. 传热速率与热通量（热流密度）  
  衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。  
   传热速率dQ（W）：单位时间内通过传热面的热量  
   热通量q（W/m2）：每单位面积的传热速率  
  〖说明〗  
   传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标；  
  ★ q↗，换热器性能愈  
   由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所对应的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准面积；  
   对不同的传热方式，传热速率、热通量的名称略有差异。

传热方式	传热速率Q	热通量q
导热	导热速率	导热热通量
对流传热	对流传热速率	对流传热热通量
辐射传热	辐射传热速率	辐射传热热通量

4. 稳态传热与非稳态传热  
   稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式。  
  显著特点是传热速率q为常量。连续传热过程属于稳态传热。  
   非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。  
  显著特点是传热速率q为变量。间歇传热过程属于非稳态传热。
 

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