熱流密度

2024年3月31日發(fā)(作者：火鍋英語)

熱流密度

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概述

熱流密度、溫度和熱傳遞

熱流密度的測量儀器

熱流密度（Heat Flux，Thermal Flux）

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概述

也稱熱通量，一般用q表示

定義為：單位面積（1平方米）的截面內(nèi)單位時間（1秒）通過的熱量

q=Q/(S*t) ——Q為熱量 t為時間 S為截面面積

熱流密度與熱流的關(guān)系：

熱流密度q=熱流J/S ——S為截面面積

熱流密度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系：

材料熱流密度q=∧(T1-T2)/d

——∧--表示材料導(dǎo)熱系數(shù) T1--表示熱表面的溫度 T2--表示冷表面的溫度 d--表示材料厚度

熱流密度是考察器件或設(shè)備散熱性能的重要指標(biāo)

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熱流密度、溫度和熱傳遞

雖然溫度測量可通用并容易接受，但熱流密度（熱通量）測量常常需要考慮。

溫度是物質(zhì)的基本屬性之一。此外，由于溫度可以通過人類的感官測定，多數(shù)人熟悉其含義。相反，熱流密度（熱通量）

是一種不易感測的導(dǎo)出量。然而，只在大多數(shù)熱系統(tǒng)中測量溫度是不夠的。

通常，熱能流通方式和位置與溫度的流通方式和位置同等重要，或比溫度的流通方式和位置更重要。

例如，人類皮膚的溫度可顯示人體的舒適程度，但與分散到環(huán)境中的能量有少許關(guān)系，尤其是在同時發(fā)生蒸發(fā)的情況下。

除了氣溫之外，風(fēng)冷因素是對流傳熱重要性的另一常見例子。

熱量的傳遞（轉(zhuǎn)移）與科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活息息相關(guān)：

1、 針對居住者的最大舒適度加熱和冷卻生存空間的觀點(diǎn)已開始被接受；

2、 通過測量大地?zé)崃鳎l(fā)現(xiàn)各地生態(tài)環(huán)境以及城市氣候的優(yōu)劣與區(qū)域大地?zé)崃鞯母叩陀忻芮械年P(guān)系。

（在農(nóng)業(yè)氣象學(xué)中為了優(yōu)化作物灌溉——特別是缺水區(qū)域——，在描述表面溫度、露的形成或結(jié)霜條

件、以及土壤熱平衡的重要部分：熱存儲等的產(chǎn)生方式中，正確地土壤熱流測量是非常重要的。）

3、 許多工業(yè)制造過程需要緊密控制材料整個加工過程的溫度，以建立所需的特性和質(zhì)量控制。（例如，

陶瓷和薄膜中的熱應(yīng)力控制、等離子體沉積、玻璃和金屬的退火、許多材料的熱處理、塑料纖維紡

絲、薄膜干燥、電子薄膜和晶體的增加以及激光表面處理。）

4、 材料的溫度控制需要用已知的控制方式將能量傳遞到固體和液體中，或從固體和液體中傳出。因此，

設(shè)備（如干燥器、熱交換器、鍋爐、冷凝器和熱導(dǎo)管）的合理設(shè)計(jì)變得至關(guān)緊要。（電子、推進(jìn)力和

發(fā)電設(shè)備中更高的功率密度恒定驅(qū)動器不斷挑戰(zhàn)相關(guān)冷卻系統(tǒng)的極限。）

因此，在現(xiàn)代社會材料與過程的熱管理正成為一門高精的學(xué)科。在許多系統(tǒng)中最大化或最小化熱能傳遞對于發(fā)揮系統(tǒng)最佳

性能至關(guān)重要。因此，可用于直接感測熱流密度（熱通量）的傳感器（儀器）極其重要。

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熱流密度的測量儀器

用于測量熱流密度的傳感器稱為熱流密度傳感器，簡稱熱流傳感器。

用于測量熱流密度的儀器稱為熱流密度計(jì)（熱通量計(jì)），簡稱熱流計(jì)。

臨界熱流密度

critical heat flux

此時，有更多的汽泡生成。但熱流密度增至c點(diǎn)后，如 果繼

續(xù)增加熱流密度，則由于汽泡密度太大，以致聯(lián)成 汽膜。這種

汽膜將 加熱面與冷卻劑隔 開，從而使傳熱能 力急劇下降，壁

溫 將由c點(diǎn)急劇上升 到。‘點(diǎn).。點(diǎn)的熱流 密度(亦即c‘點(diǎn)的 熱

流密度)即定義 為臨界熱流密度。 達(dá)到臨界熱流密度 時出現(xiàn)的

壁溫急劇 升高，可能造成釋 熱元件表面過熱， 甚至燒毀。所

以臨 界熱流密度有時也 被稱作燒毀熱流密 t01卿l伽執(zhí)j[0儀

專屯1 八r.丫、 沸騰工況下熱流與沮壓的關(guān)系 a以下是液體自

然對流工況.a一b是 自然對流和泡核沸璐混合的工況;b- 。是泡

核沸璐工況;c一d是泡核沸璐 和膜態(tài)沸腸混合的工況.d一e是

膜態(tài) 沸腸工況.e一f是膜態(tài)沸騰加輻射的 工況 度。由于在此

熱流密度下開始偏離泡核沸騰而向膜態(tài) 沸騰過渡，故又叫偏離

泡核沸騰熱流密度。 臨界熱流密度與實(shí)際(或設(shè)計(jì)的)熱流密度

之比稱為 偏離泡核沸騰比。設(shè)計(jì)上應(yīng)保證偏離泡核沸騰比大于

1。 影響臨界熱流密度的主要因素有冷卻劑流速、壓 力和含汽

量等。通常液流中含汽量愈大、流速愈低、則 臨界熱流密度愈

小。而壓力的影響則不是單調(diào)的，低壓 下，臨界熱流密度隨壓

力的增加而增大;高壓下，則隨 壓力的增加而減小。 實(shí)驗(yàn)的臨

界熱流密度數(shù)據(jù)一般概括成經(jīng)驗(yàn)公式的 形式，其中的臨界熱流

密度表示為各種自變t(有時還 有一些因變量)的函數(shù)。這些公式

都只在嚴(yán)格規(guī)定的各 自變t范圍內(nèi)是最佳的，不推薦外推到這

個范圍之外。 例如下述的W一3公式，臨界熱流密度qcr表示

為 叮。，=3 .154Xlo‘〔(2.022一6.23sxlo一色P) +(0.1722一

1.43xlo一呂P)exp(18.177 一5 .987xlo一’P)蘇〕〔(0.1484一

l.596x. +。·1729蘇.二})x些甕黔+1·。37〕 X(1 .157一0.869濃)

〔0.2664 +0.8357exP(一124D。)〕(0.8258 +0.34lX10一8△

H.)FW/mZ 式中p為冷卻劑工作壓力，Pa;G為冷卻劑質(zhì)t流密

度，kg/(h·m，);從為當(dāng)t直徑，m;不為計(jì)算點(diǎn)處 的含汽量;△

月一H一H.。為冷卻劑在進(jìn)口處的欠熱焙 差，H.為工作壓力下

冷卻劑的飽和熔，J/kg;Hln為冷 卻劑在進(jìn)口處的熔，J/kg，F(xiàn)為

格架修正因子。公式的 適用范圍為:P=(6.59~15·86)x 10‘pa;G，

(4·88 ~24·41)X lo6kg/(h·mZ);De一(5·08~17·78)X 10一3m;X.

簇o·15;H，。)930·4 X 10，J/kg。 I一n]舊rel舊m一du 臨

界熱流密度(eritieal heat flux)由泡核 沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰時的