传热学(heat transfer)是研究热量传递规律的科学,是研究由温差(temperature difference)引起的热能传递规律的科学。大约在上世纪30年代,传热学形成了独立的学科。传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析,因后者只讨论在平衡状态下的系统。在热对流方面,英国科学家牛顿于1701年在估算烧红铁棒的温度时,提出了被后人称为牛顿冷却定律的数学表达式,不过它并没有揭示出对流换热的机理。传热学理论广泛应用于飞行器及其推进系统的设计。
传热学_传热学 -概念
热管热传递速率曲线图
通常被称为热科学的工程领域包括热力学和传热学。传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析,因后者只讨论在平衡状态下的系统。这些附加的定律是以3种基本的传热方式为基础的,即导热、对流和辐射。 传热学是研究不同温度的物体或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。传热不仅是常见的自然现象,而且广泛存在于工程技术领域。例如,提高锅炉的蒸汽产量,防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等,都是典型的传热学问题。
传热学_传热学 -形成发展
传热学作为学科形成于19世纪。在热对流方面,英国科学家牛顿于1701年在估算烧红铁棒的温度时,提出了被后人称为牛顿冷却定律的数学表达式,不过它并没有揭示出对流换热的机理。
对流换热的真正发展是19世纪末叶以后的事情。1904年德国物理学家普朗特的边界层理论和1915年努塞尔的因次分析,为从理论和实验上正确理解和定量研究对流换热奠定了基础。1929年,施密特指出了传质与传热的类同之处。
在热传导方面,法国物理学家毕奥于1804年得出的平壁导热实验结果是导热定律的最早表述。稍后,法国的傅里叶运用数理方法,更准确地把它表述为后来称为傅里叶定律的微分形式。
热辐射方面的理论比较复杂。1860年,基尔霍夫通过人造空腔模拟绝对黑体,论证了在相同温度下以黑体的辐射率(黑度)为最大,并指出物体的辐射率与同温度下该物体的吸收率相等,被后人称为基尔霍夫定律。
1878年,斯忒藩由实验发现辐射率与绝对温度四次方成正比的事实,1884年又为玻耳兹曼在理论上所证明,称为斯忒藩-玻耳兹曼定律,俗称四次方定律。1900年,普朗克在研究空腔黑体辐射时,得出了普朗克热辐射定律。这个定律不仅描述了黑体辐射与温度、频率的关系,还论证了维恩提出的黑体能量分布的位移定律。
传热学_传热学 -研究内容
传热学是研究不同温度的物体,或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。
传热学
导热
温度不均匀的物体内部或不同温度的物体直接接触时,由于物质的分子、原子运动而引起热量的传递。发动机中受热零部件的温度分布极不均匀,这些零部件中的热量是以导热方式从高温区向低温区传递的。 导热系数,反映物质的热传导能力。按傅里叶定律(见热传导),其定义为单位温度梯度(在1m长度内温度降低1K)在单位时间内经单位导热面所传递的热量。各种物质的热导率数值主要靠实验测定,其理论估算是近代物理和物理化学中一个活跃的课题。
热导率一般与压力关系不大,但受温度的影响很大。纯金属和大多数液体的热导率随温度的升高而降低,但水例外;非金属和气体的热导率随温度的升高而增大。传热计算时通常取用物料平均温度下的数值。此外,固态物料的热导率还与它的含湿量、结构和孔隙度有关。一般含湿量大的物料热导率大。如干砖的热导率约为0.27W/(m・K)而湿砖热导率为0.87W/(m・K)。物质的密度大,其热导率通常也较大。金属含杂质时热导率降低,合金的热导率比纯金属低。各类物质的热导率〔W/(m・K)〕的大致范围是:金属为50~415,合金为12~120,绝热材料为0.03~0.17,液体为0.17~0.7,气体为0.007~0.17。
对流传热
流体流过固体表面时与固体表面之间的传热过程,是流体的宏观运动(对流)和微观运动(导热)共同作用的结果。燃气涡轮发动机的燃烧室、涡轮、液体火箭发动机的推力室等都采用对流传热进行冷却。依靠流体微团的宏观运动而进行的热量传递。这是热量传递的三种基本方式之一。化工生产中处理的物料大部分是流体,流体的加热和冷却都包含对流传热。在化工生产中,对流传热在习惯上专指流体与温度不同于该流体的固体壁面直接接触时相互之间的热量传递。这实际上是对流传热和热传导两种基本传热方式共同作用的传热过程。例如间壁式换热器中的流体与间壁侧面之间的热量传递,反应器中固体物料或催化剂与流体之间的热量传递,都是这样的传热过程。
传热阻
传热阻以往称总热阻,现统一定名为传热阻。传热阻R0是传热系数K的倒数,即R0=1/K,单位是平方米度/瓦(