傳熱學

傳熱學

傳熱學(heat transfer)是研究熱量傳遞規律的科學,是研究由溫差(temperature difference)引起的熱能傳遞規律的科學。大約在上世紀30年代,傳熱學形成了獨立的學科。

  • 中文名稱
    傳熱學
  • 外文名稱
    Heat Transfer
  • 所屬學科
    物理學
  • 傳熱模式
    熱傳導、熱對流、熱輻射 

研究簡史

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傳熱學作為學科形成于19世紀。在熱對流方面,英國科學家牛頓于1701年在估算燒紅鐵棒的溫度時,提出了被後人稱為牛頓冷卻定律的數學表達式,不過它並沒有揭示出對流換熱的機理。

對流換熱的真正發展是19世紀末葉以後的事情。1904年德國物理學家普朗特的邊界層理論1915年努塞爾的因次分析,為從理論和實驗上正確理解和定量研究對流換熱奠定了基礎。1929年,施密特指出了傳質與傳熱的類同之處。

熱傳導方面,法國物理學家畢奧于1804年得出的平壁導熱實驗結果是導熱定律的最早表述。稍後,法國的傅裏葉運用數理方法,更準確地把它表述為後來稱為傅裏葉定律的微分形式。熱輻射方面的理論比較復雜。1860年,基爾霍夫通過人造空腔模擬絕對黑體,論證了在相同溫度下以黑體的輻射率(黑度)為最大,並指出物體的輻射率與同溫度下該物體的吸收率相等,被後人稱為基爾霍夫定律

1878年,斯忒藩由實驗發現輻射率與絕對溫度四次方成正比的事實,1884年又為玻耳茲曼在理論上所證明,稱為斯忒藩-玻耳茲曼定律,俗稱四次方定律。1900年,普朗克在研究空腔黑體輻射時,得出了普朗克熱輻射定律。這個定律不僅描述了黑體輻射與溫度、頻率的關系,還論證了維恩提出的黑體能量分布的位移定律。

傳熱的基本方式有熱傳導熱對流熱輻射三種。熱傳導是指在不涉及物質轉移的情況下,熱量從物體中溫度較高的部位傳遞給相鄰的溫度較低的部位,或從高溫物體傳遞給相接觸的低溫物體的過程,簡稱導熱。熱對流是指不同溫度的流體各部分由相對運動引起的熱量交換。工程上廣泛遇到的對流換熱,是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過程,它是熱傳導和熱對流綜合作用的結果。決定換熱強度的主要因素是對流的運動情況。熱輻射是指物體因自身具有溫度而輻射出能量的現象。它是波長在0.1~100微米之間的電磁輻射,因此與其他傳熱方式不同,熱量可以在沒有中間介質的真空中直接傳遞。太陽就是以輻射方式向地球傳遞巨大能量的。每一物體都具有與其絕對溫度的四次方成比例的熱輻射能力,也能吸收周圍環境對它的輻射熱。輻射和吸收所綜合導致的熱量轉移稱為輻射換熱。實際傳熱過程一般都不是單一的傳熱方式,如火焰對爐壁的傳熱,就是輻射、對流和傳導的綜合,而不同的傳熱方式則遵循不同的傳熱規律。為了分析方便,人們在傳熱研究中把三種傳熱方式分解開來,然後再加以綜合。

20世紀以前,傳熱學是作為物理熱學的一部分而逐步發展起來的。20世紀以後,傳熱學作為一門獨立的技術學科獲得迅速發展,越來越多地與熱力學流體力學、燃燒學、電磁學和機械工程學等一些學科相互滲透,形成多相傳熱、非牛頓流體傳熱、燃燒傳熱、電漿傳熱和數值計算傳熱等許多重要分支。

研究內容

傳熱學是研究不同溫度的物體,或同一物體的不同部分之間熱量傳遞規律的學科。

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導熱

溫度不均勻的物體內部或不同溫度的物體直接接觸時,由于物質的分子、原子運動而引起熱量的傳遞。發動機中受熱零部件的溫度分布極不均勻,這些零部件中的熱量是以導熱方式從高溫區向低溫區傳遞的。 導熱系數,反映物質的熱傳導能力。按傅裏葉定律(見熱傳導),其定義為單位溫度梯度(在1m長度內溫度降低1K)在單位時間內經單位導熱面所傳遞的熱量。各種物質的熱導率數值主要靠實驗測定,其理論估算是近代物理和物理化學中一個活躍的課題。

熱導率一般與壓力關系不大,但受溫度的影響很大。純金屬和大多數液體的熱導率隨溫度的升高而降低,但水例外;非金屬和氣體的熱導率隨溫度的升高而增大。傳熱計算時通常取用物料平均溫度下的數值。此外,固態物料的熱導率還與它的含濕量、結構和孔隙度有關。一般含濕量大的物料熱導率大。如幹磚的熱導率約為0.27W/(m·K)而濕磚熱導率為0.87W/(m·K)。物質的密度大,其熱導率通常也較大。金屬含雜質時熱導率降低,合金的熱導率比純金屬低。各類物質的熱導率〔W/(m·K)〕的大致範圍是:金屬為50~415,合金為12~120,絕熱材料為0.03~0.17,液體為0.17~0.7,氣體為0.007~0.17。

對流傳熱

流體流過固體表面時與固體表面之間的傳熱過程,是流體的巨觀運動(對流)和微觀運動(導熱)共同作用的結果。燃氣渦輪發動機燃燒室、渦輪、液體火箭發動機的推力室等都採用對流傳熱進行冷卻。依靠流體微團的巨觀運動而進行的熱量傳遞。這是熱量傳遞的三種基本方式之一。化工生產中處理的物料大部分是流體,流體的加熱和冷卻都包含對流傳熱。在化工生產中,對流傳熱在習慣上專指流體與溫度不同于該流體的固體壁面直接接觸時相互之間的熱量傳遞。這實際上是對流傳熱和熱傳導兩種基本傳熱方式共同作用的傳熱過程。例如間壁式換熱器中的流體與間壁側面之間的熱量傳遞,反應器中固體物料或催化劑與流體之間的熱量傳遞,都是這樣的傳熱過程。

傳熱阻

傳熱阻以往稱總熱阻,現統一定名為傳熱阻。傳熱阻R0是傳熱系數K的倒數,即R0=1/K,單位是平方米度/瓦(㎡K/W)圍護結構的傳熱系數K值愈小,或傳熱阻R0值愈大,保溫性能愈好。

輻射傳熱

任何物體在任何溫度下都在向外界發射各種波長的電磁波,物體發射電磁波的能量稱為輻射能,這種現象稱為熱輻射。輻射能不需要任何物體作介質,可以在真空中傳播,輻射能被其他物體吸收後轉變為熱能。所有落在物體上的輻射能完全被該物體吸收,這類物體稱為黑體。所有落在物體上的輻射能都能穿透過去的物體稱為透熱體,空氣是近似的透熱體,大多數固體和液體都是不透熱體。所有落在物體上的輻射能全部被亂反射的物體稱為白體。對于一般物體,落在物體表面上的輻射能一部分被吸收,其餘部分被亂反射,這類物體稱為灰體。被灰體吸收的輻射能與落在灰體上的總輻射能之比稱為灰體的黑度。例如,燃燒室中燃氣內含有碳粒時能使燃氣的黑度增加。

發展

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傳熱學理論廣泛套用于飛行器及其推進系統的設計。飛行器及發動機的防冰系統,高速飛行器表面氣動加熱的防護,發動機高溫部件的冷卻(見發動機冷卻),滑油散熱,以及電子控製設備的恆溫裝置等都需要套用傳熱學理論。

機械工程仍不斷地向傳熱學提出大量新的課題。如澆鑄和冷凍技術中的相變導熱,切削加工中的接觸熱阻和噴射冷卻,等離子工藝中帶電粒子的傳熱特徵,核工程中有限空間的自然對流,動力和化工機械中超臨界區換熱,小溫差換熱,兩相流換熱,復雜幾何形狀物體的換熱,湍流換熱等。

隨著雷射等新的實驗技術的引入和電腦的套用,為傳熱學的發展提供了廣闊前景。

相關學科

機械學、工效學機械動力學、摩擦學、汽車力學、地面車輛力學、燃燒學、機構學、機械製圖、工程熱力學人機工程學、系統 工程學。

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