程中常见的传热方式及其特点

传热有三种基本方式：热传导、对流和辐射。工程中遇到的传热现象通常是几种方式共同作用的结果。

1.热传导

导电体通过电流温度升高，与其接触的其它零部件的温度也会升高。这种靠物体之间直接接触，或物体内部各部分之间发生的传热就是热传导。其机理是不同温度的物体或物体不同温度的各部分之间分子动能的相互传递，即动能较大（温度较高）的分子把能量传给邻近动能较小（温度较低）的分子。此外还能依靠自由电子运动来传递能量，热传导在固体、液体、气体中都可以进行。

分析热传导现象须用到傅里叶定律：单位时间内通过物体单位面积的热量与该处的温度梯度成正比，即

q=-λgradθ （4-147）

式中 λ——热导率；

负号表示热量的传递方向与温度梯度相反，即向温度降低的方向传递。

热导率是表征物体传热能力的重要参数，λ越大热传导能力越强。λ与材料、温度等许多因素有关。多数材料在一定的温度范围内λ与θ近似成线性关系。不同物质在常温下的热导率见表4-20和表4-21。

热传导现象与电学中的导电现象是相似的。在热传导中的各个量都可以在导电现象中找出对应量，见表4-22。

表4-20 物质的热导率

表4-21 空气和氢气的热导率

表4-22 电传导与热传导的对应

2.热对流

如果在温度较高的导电杆周围有变压器油或空气等流体时，导电杆首先将热量通过热传导方式传给与它紧贴的流体层，即边界层。边界层流体受热后，体积膨胀，密度变化，向上流动。边界层以外未受热的，密度较大的流体流过来填充，填充来的流体又受热向上流动，如此循环，从导电杆表面不断带走热量，这种传热方式是对流换热。

对流换热与流体的流动有关。当流体内部存在温度差时，由于流体密度随温度改变而促使流体自由流动称为自然对流；依赖外力使流体强迫流动的称为强迫对流。对流换热仅在液体和气体中进行，它不仅决定于热的过程，而且决定于气体或液体的动力学过程。

对流换热在计算上采用牛顿提出的热流量Φ（W）公式：

Φ=αA（θ₁-θ₂） （4-148）

式中 A——与流体接触的壁面面积（m²）；

α——对流换热系数（W·m^-2·K^-1）；

θ₁——壁面温度（K）；

θ₂——流体平均温度（K）。

图4-151为牛顿公式的示意图。

图4-151 牛顿对流换热公式图示

由式（4-148）可知，热流量Φ与对流换热系数α成正比，也与壁面面积A及流体温度与壁面温度的温度差成正比。因此，计算对流换热量就变成如何根据各种具体情况计算对流换热系数α的问题。

对流换热是一个很复杂的现象，简单地来说影响对流换热的因素有两方面：

1）流体的物理性质，如密度、黏度、膨胀系数、热导率、比热等；

2）流体流动的情况：自然对流还是强迫对流，层流还是紊流。

对流换热不仅受导热规律的支配，也受到流体流动规律的支配。根据相似理论可以得到不同条件下的对流换热系数，其计算方法可参考传热学方面的书籍。

3.热辐射

在此只限于讨论由于温度差引起的电磁波传播，这种电磁波辐射称为热辐射。热辐射是一种依靠电磁波来传递能量的过程，热辐射比热传导和对流换热复杂得多。首先物体一部分热能转变为电磁波的能量，通过传递电磁波的介质如空气、真空等向周围传出去。当电磁波遇到其它物体时，一部分电磁波的能量被其它物体吸收转变为热能，剩余的一部分能量则被反射回来。

热传导与对流换热都必须在发热体与其它物体或流体相互接触的情况下才能进行，但是电磁波的辐射则不同，热可以在真空中进行传递。

在真空或空气中，孤立物体在单位时间内辐射出去的辐射能Φ决定于物体的性质、表面状况（如颜色、粗糙度等）、表面积大小及表面温度等。(www.xing528.com)

理想的辐射体称为黑体，在单位时间内辐射出去的换热量Φ（W）为

Φ=σ_bAT⁴ （4-149）

式中 A——物体的辐射表面积（m²）；

T——表面的绝对温度（K）；

σ_b——斯忒藩-玻尔兹曼常数，其值为5.67×10^-8[W/（m²·K⁴）]。

式（4-149）称为斯忒藩-玻尔兹曼定律。

两个物体间通过辐射交换的净换热量与T⁴成正比，所以

Φ=σ_bA（T⁴₁-T⁴₂） （4-150）

斯忒藩-玻尔兹曼定律只适用于黑体，其它类型的表面，如磨光的金属表面，辐射出的能量不像黑体那么多。考虑到这种表面性质，将另一因子ε引入公式（4-150），可得

Φ=εσ_bA（T⁴₁-T⁴₂） （4-151）

式中 ε——表面黑度，也称辐射率。

绝对黑体ε=1，一般物体ε＜1。物体表面颜色越深，越粗糙，辐射能力越强，ε越接近1。此外，实践表明，物体的黑度越大，接受辐射能力越强，反射能力越小。ε=1时，物体可以接受全部能量，ε=0时，物体反射全部能量。不同表面状况物体的黑度见表4-23。

表4-23 物体的表面黑度

在一般情况下，物体总是处在有限的空间内，如图4-152所示，绝对温度为T₁的物体1放置在绝对温度为T₂的物体2内，且T₁＞T₂，此时物体1所辐射出的能量必然全部落在物体2上被它所吸收，在此情况下由物体1经辐射传到物体2上的能量为

Φ=ε′σ_bA₁（T⁴₁-T⁴₂） （4-152）

式中 ε′——等值的黑度。

式中 ε₁、ε₂——物体1与2的黑度；

A₁、A₂——物体1与2的表面积。

图4-152 在有限空间内的辐射

图4-153所示的两个同心长圆柱体，其内圆柱1所辐射出的能量必然全部落在圆柱体2的内表面上，因而也可以应用式（4-152）来求解其辐射换热。若圆柱体是同心的，则可以用直径比D₁/D₂来代替面积比A₁/A₂。由式（4-153）可见，由于物体2的辐射和反射作用，ε′＜ε₁。当求解一个凸面物体完全被一个非常大的凹面所包围的情况下换热时，式（4-152）非常重要。此时A₁/A₂→0，于是可以得到下面的简单关系式为

Φ=ε₁σ_bA₁（T⁴₁-T⁴₂） （4-154）

应用这个方程很容易计算一个发热体在大房间内的辐射损失，当绝对温度为T₁，表面积为A₁的物体处在空间范围较大的温度为T₂的空气中，可用式（4-154）计算辐射换热。

图4-153 两圆柱表面的辐射换热

4.实际传热情况

在传热的三种基本方式中，工程中遇到的传热现象通常是几种方式共同作用的结果，为了简便起见，常把三种传热方式合并在一起考虑，这就是工程上常用的进行电器发热计算的牛顿公式，它把三种传热方式全部统一于一个综合表面散热系数K：

Φ=KSτ （4-155）

式中 S——散热表面积（m²）；

K——表面散热系数[W/（m²·K）]。

在电器中牛顿公式主要用于电器载流导体和其它部分的发热近似计算。表面散热系数由实验确定，在一定温度范围内K取常数。对电器设备来说，不同表面及散热情况下的散热系数K见表4-24。

表4-24 表面散热系数K