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传热

传热是指由于温度差引起的能量转移,又称热传递。由热力学第二定律可知,凡是有温度差存在时,热就必然从高温处传递到低温处,因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。无论在能源、宇航、化工、动力、冶金、机械、建筑等工业部门,还是在农业、环境保护等其他部门中都涉及许多有关传热的问题。 [1]

【定义】传热是因存在温差而发生的热能的转移。 [2]

【物理量】传递热量的单位为J(焦耳)

传热是一种复杂现象。从本质上来说,只要一个介质内或者两个介质之间存在温度差,就一定会发生传热。我们把不同类型的传热过程称为传热模式。物体的传热过程分为三种基本传热模式,即: 热传导、热对流和热辐射 [3]

热传导,指在物质在无相对位移的情况下,物体内部具有不同温度、或者不同温度的物体直接接触时所发生的热能传递现象。固体中的热传导是源于晶格振动形式的原子活动。非导体中,能量传输只依靠晶格波(声子)进行;在导体中,除了晶格波还有自由电子的平移运动。

我们知道,所有物质都是由基本的分子或者原子构成的。只要物体有温度,分子(原子)就处在不停的运动当中。温度越高,分子的能量也就越大,也就是说振动的能量越大。当临近的分子发生碰撞时,能量就会从能量高的分子向能量低的分子传输。从而,当存在温度梯度时,通过导热的能量传输总是向温度降低的方向进行。

计算热传导的速率方程就是大家熟悉的傅立叶定律:

qx(W/m^2)是与传输方向相垂直的单位面积上的热流速率。它与在该方向上的温度梯度成正比,其中的比例系数 k 就是介质的热导率,是物质最基本的物理性质之一。

对流传热,又称热对流,是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移,冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。

对流传热可分为强迫对流和自然对流。强迫对流,是由于外界作用推动下产生的流体循环流动。自然对流是由于温度不同密度梯度变化,重力作用引起低温高密度流体自上而下流动,高温密度流体自下而上流动。

对流热流密度计算公式,又称牛顿冷却公式 [2]

其中q''是热流密度(W/m^2),Ts是固体壁面温度,

热辐射,是一种物体用电磁辐射的形式把热能向外散发的传热方式。它不依赖任何外界条件而进行,是在真空中最为有效的传热方式。

不管物质处在何种状态(固态、气态、液态或者玻璃态),只要物质有温度(所有物质都有温度),就会以电磁波(也就是,光子)的形式向外辐射能量。这种能量的发射是由于组成物质的原子或分子中电子排列位置的改变所造成的。

实际传热过程一般都不是单一的传热方式,如煮开水过程中,火焰对炉壁的传热,就是辐射、对流和传导的综合,而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便,人们在传热研究中把三种传热方式分解开来,然后再加以综合。

热传递现象无时无处不在,它的影响几乎遍及现代所有的工业部门,也渗透到农业、林业等许多技术部门中。可以说除了极个别的情况以外,很难发现一个行业、部门或者工业过程和传热完全没有任何关系。不仅传统工业领域,像能源动力、冶金、化工、交通、建筑建材、机械以及食品、轻工、纺织、医药等要用到许多传热学的有关知识,而且诸如航空航天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源以及农业工程等很多高新技术领域也都在不同程度上有赖于应用传热研究的最新成果,并涌现出像相变与多相流传热、(超)低温传热、微尺度传热、生物传热等许多交叉分支学科。在某些环节上,传热技术及相关材料设备的研制开发甚至成为整个系统成败的关键因素 [4]


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