传热是自然界和生产领域中非常普遍的现象,凡是有温度差的地方,就会有热量自发地由高温物体传到低温物体,譬如各种建筑物围护结构和各类换热器设备等都存在传热问题。在纺织车间里,墙壁、门、窗等围护结构的传热过程都属于平壁传热。
传热过程以冬季由车间内通过墙壁向车间外传递热的过程为例,整个传热过程可看成三个阶段:
(1)车间内热量由室内空气以对流换热和物体间的辐射换热方式传给墙壁内表面。
(2)由墙壁内表面以固体导热方式把热传递到墙壁外表面。
(3)由墙壁外表面以空气对流换热和物体间的辐射换热方式把热传给室外环境。
显然,传热的动力是室内外温度差,一般来讲,室内、外温差越大传热量就越大。整个传热过程实际上是由导热、对流换热、辐射换热三种基本传热方式组合而成。传热物体各个部分的温度不随时间而变化的传热称之为稳定传热,反之随时间而变化的传热则称之为不稳定传热。实际工程中的传热问题~般为两类:增强传热,希望以最小的换热设备最快的速度传递最多的热量;削弱传热,希望减少热量向周围传递以利节能。1
导热导热是冷热物体之间直接接触时依靠分子、原子及电子等微观粒子热运动而发生的热量传递现象,因此在液体、固体、气体中都可以进行,也可以使热量从一个物体的高温部分传到同一个物体的低温部分。例如,热铁块与冷铁块的接触,热铁块放热而温度降低,冷铁块吸热而温度上升,待两铁块温度相等后,热量传递就停止,这是固体单纯的导热过程。对于液体和气体,当有温差时会出现对流现象,难以维持单纯的导热。
单层平壁的导热量与平壁两侧表面的温度差成正比,与平壁的厚度成反比,并与材料的导热能力有关。平壁导热量的计算式称为傅里叶定律,是导热的基本定律。有时也用热流通量(通过单位面积的热量)来表示。不同物体有不同的导热系数λ值。λ值的物理意义是当平壁两面温差为1K、壁厚为1m、壁面面积为1m2时每小时通过的热量,λ值愈大,表示该材料的导热性能愈好,导热系数还与物质的潮湿程度、温度、密度等有关。导热系数λ小于0.23W/(m·K)的物质称为隔热材料或保温材料,如木材、矿渣棉、软木、泡沫塑料等。1
对流换热流体与同体壁面接触时的换热过程称为对流换热。对流换热时传热量Q(kJ/h)与传热(接触)面积F和传热温差Δt之间的关系也可写为:Q=α·F·Δt,式中Δt表示固体壁面温度与液体或气体温度之差;α-放热系数,kJ/(m2·h·℃)。
α值的物理意义是当流体与壁面温差为1K时,每小时在每平方米换热面上的热交换量,是流体与固体壁面间放热强度的系数。在换热过程中α值愈大,对流换热愈强烈。对流换热是一个很复杂的现象,其计算的一切复杂因素都集中在放热系数α值上面,影响α值的因素有流体的物性、流动速度、流道形状与尺寸、流体与壁面的温差以及流体在换热时有无相变等。液体或气体流动时在壁面附近扰动的程度越剧烈,放热系数就越大。液体或气体在壁面附近产生相态变化时,放热系数也较大。2
辐射换热辐射换热是靠电磁波中的可见光线和红外线来传递热量的。它不需要冷、热两物体直接接触,即使二者之间是高度真空,只要有温度差存在,就能进行辐射换热。例如太阳对地球的热传递就是通过辐射进行的。任何物体不论它的温度高低,都能产生辐射热。物体表面温度越高,辐射的热量越多。当辐射的热量Q投射到某一物体时,其中一部分Qα被吸收,另一部分Qρ被反射出来,若物体是透明的,则还有一部分Qτ透过去。按照能量守恒定律有:Q=Qα+Qρ+Qτ。
影响物体表面吸收比的因素有:(1)壁面的粗糙程度。壁面越粗糙,对红外线的吸收比越大。(2)壁面颜色的深浅。壁面颜色越深,对可见光的吸收比越大。不同温度的物体,向外辐射可见光线与红外线所传递的热量比例也不相同。如在一般工程的高温范围内(1000K),主要是由红外线传递热量。所以影响吸收比的主要因素是壁面的粗糙度。这时颜色的深浅对吸收比影响不大。而对阳光来说,因太阳表面的温度高达6000K,它的红外线与可见光线传递的热量差不多各占一半,这时物体表面的颜色对吸收比的影响也加大了。所以为了削弱对太阳辐射热的吸收,船舶上层建筑和冷藏船船体多漆成白色。为了增强对太阳辐射热的吸收,太阳能吸收器的表面均为粗糙的黑色物体。2
本词条内容贡献者为:
张磊 - 副教授 - 西南大学平壁传热
图文简介
传热是自然界和生产领域中非常普遍的现象,凡是有温度差的地方,就会有热量自发地由高温物体传到低温物体,譬如各种建筑物围护结构和各类换热器设备等都存在传热问题。在纺织车间里,墙壁、门、窗等围护结构的传热过程都属于平壁传热。
- 来源: 科普中国科学百科
- 上传时间:2018-11-17
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