第3章2課傳導(dǎo)

1、 齊齊哈爾大學(xué)齊齊哈爾大學(xué)Chapter 4 Heat Transfer第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)講授內(nèi)容講授內(nèi)容講授內(nèi)容講授內(nèi)容講授內(nèi)容講授內(nèi)容 概概 述述4.1 熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)4.2 對對 流流 傳傳 熱熱4.3 傳傳 熱熱 計計 算算4.4 輻輻 射射 傳傳 熱熱4.5第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)3 3 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)2 2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)4 4圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1 1基本概念和傅立葉定基本概念和傅立葉定 律律4.2

2、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)重點重點傅里葉傅里葉定律定律本節(jié)的重本節(jié)的重點及難點點及難點難點難點圓筒壁的傳熱圓筒壁的傳熱速率計算速率計算4.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n 在概述中簡單介紹了熱傳導(dǎo)是起因在概述中簡單介紹了熱傳導(dǎo)是起因于物體內(nèi)部分子微觀運(yùn)動的一種傳熱于物體內(nèi)部分子微觀運(yùn)動的一種傳熱方式。其微觀機(jī)理非常復(fù)雜，不同形方式。其微觀機(jī)理非常復(fù)雜，不同形態(tài)熱傳導(dǎo)機(jī)理不同。由于只有固體中態(tài)熱傳導(dǎo)機(jī)理不同。由于只有固體中有純導(dǎo)熱，本節(jié)只討論的對象僅為各有純導(dǎo)熱，本節(jié)只討論的對象僅為各向同性、質(zhì)地均勻

3、固體物質(zhì)的熱傳導(dǎo)。向同性、質(zhì)地均勻固體物質(zhì)的熱傳導(dǎo)。1 1基本概念和傅立葉定基本概念和傅立葉定 律律第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n1.1 有關(guān)熱傳導(dǎo)的基本概念有關(guān)熱傳導(dǎo)的基本概念n1.1.1 溫度場和等溫面溫度場和等溫面n溫度場：某一時刻，物體（或空間）各點的溫度分溫度場：某一時刻，物體（或空間）各點的溫度分布總和。布總和。n式中式中 t 某點的溫度，某點的溫度，；n x,y,z 某點的坐標(biāo)；某點的坐標(biāo)；n 時間。時間。n不穩(wěn)定溫度場：各點的溫度隨時間而改變的溫度場。不穩(wěn)定溫度場：各點的溫度隨時間而改變的溫度場。n穩(wěn)定溫度場：任一點的溫度均不隨時間而改變的溫度

4、穩(wěn)定溫度場：任一點的溫度均不隨時間而改變的溫度場。場。 假如穩(wěn)定溫度場中溫度僅隨某一坐標(biāo)方向變化，假如穩(wěn)定溫度場中溫度僅隨某一坐標(biāo)方向變化，稱為一維穩(wěn)定溫度場。稱為一維穩(wěn)定溫度場。1 1基本概念和傅立葉定基本概念和傅立葉定 律律,zyxft 第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n 等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。的點組成的面。n討論討論n 沿等溫面無熱量傳遞，而沿等溫面相交的任何沿等溫面無熱量傳遞，而沿等溫面相交的任何方向上有熱量傳遞。方向上有熱量傳遞。n 不同溫度的等溫面不相交。不同溫度的等溫面不相交。1

5、 1基本概念和傅立葉定基本概念和傅立葉定 律律t1 t2t1t2等溫面第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n1.1.2 溫度梯度溫度梯度n溫度梯度：兩等溫面的溫度差溫度梯度：兩等溫面的溫度差 tn與其間的垂直距離與其間的垂直距離 n之比，在之比，在 nn趨于零時的極限（即表示溫度場趨于零時的極限（即表示溫度場n內(nèi)某一點等溫面法線方向的溫度內(nèi)某一點等溫面法線方向的溫度n變化率）。變化率）。n討論討論 n（1）溫度梯度是個矢量，其正方向是沿溫度梯度增）溫度梯度是個矢量，其正方向是沿溫度梯度增加的方向加的方向 。n（2）一維穩(wěn)定溫度場中溫度梯度表示為）一維穩(wěn)定溫度場中溫度梯

6、度表示為ntnttgradn0lim1 1基本概念和傅立葉定基本概念和傅立葉定 律律溫度梯度與熱流方向的關(guān)溫度梯度與熱流方向的關(guān)系系Qdntt-t t+tdxdttgrad 第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n 熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律可用傅立葉定律來描述。熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律可用傅立葉定律來描述。 n1.2 傅立葉定律傅立葉定律n 通過等溫面某一微元的熱傳導(dǎo)速率（單位時間內(nèi)通過等溫面某一微元的熱傳導(dǎo)速率（單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量）與該微元等溫面的法向溫度梯度及該微傳導(dǎo)的熱量）與該微元等溫面的法向溫度梯度及該微元的導(dǎo)熱面積成正比。元的導(dǎo)熱面積成正比。 n n式中式中 dQ 熱傳導(dǎo)速

7、率，熱傳導(dǎo)速率，W或或J/s；n dA 導(dǎo)熱面積，導(dǎo)熱面積，m2；n t/ n 溫度梯度，溫度梯度，/m或或K/m；n 比例系數(shù)。稱為導(dǎo)熱系數(shù)比例系數(shù)。稱為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)。n - 表示熱流方向總是與溫度梯度方向相反。表示熱流方向總是與溫度梯度方向相反。1 1基本概念和傅立葉定律基本概念和傅立葉定律ddQAtn 第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n討論討論n (1)在實際中，最常見的是一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。在實際中，最常見的是一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。n一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)：一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)：n (2)導(dǎo)熱系數(shù)不僅是個比例系數(shù)也是表征材導(dǎo)熱系數(shù)不僅是個比例系數(shù)也是表征材

8、料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)，單位為料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)，單位為dxdtAQdd1 1基本概念和傅立葉定基本概念和傅立葉定 律律CmwmCmwntAQo02dd第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n分析分析n計算計算QQ關(guān)鍵確定關(guān)鍵確定。n 物理意義：溫度梯度為物理意義：溫度梯度為1 1時，單位時間內(nèi)通過單時，單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積的傳熱量；導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位位傳熱面積的傳熱量；導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，溫度梯度下的熱通量， 越大越大導(dǎo)熱性能越好。從強(qiáng)導(dǎo)熱性能越好。從強(qiáng)化傳熱來看，選用化傳熱來看，選用 大的材料；相反要削弱傳熱，大的材料；相反要削弱

9、傳熱，選用選用 小的材料。小的材料。n 與與 相似，相似，導(dǎo)熱系數(shù)不僅是個比例系數(shù)也是表征導(dǎo)熱系數(shù)不僅是個比例系數(shù)也是表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)，材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)， 越大，導(dǎo)熱性能越好，越大，導(dǎo)熱性能越好， 是分子微觀運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)，與分子運(yùn)動和分子是分子微觀運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)，與分子運(yùn)動和分子間相互作用力有關(guān)，數(shù)值大小取決于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及間相互作用力有關(guān)，數(shù)值大小取決于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成、溫度和壓力等因素。組成、溫度和壓力等因素。ddQAtn 2 2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)ntAQdd第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n 不同形態(tài)的物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)不同的。不同形態(tài)的物質(zhì)導(dǎo)熱系

10、數(shù)不同的。n（1 1）固體固體n 純金屬純金屬T升高，升高， 下降，純金屬比合金的大。下降，純金屬比合金的大。n 非金屬非金屬T升高，升高， 升高，同樣溫度下，升高，同樣溫度下， 越大，越大， 越大。越大。n 在一定溫度范圍內(nèi)（溫度變化不太大），大多數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)（溫度變化不太大），大多數(shù)均質(zhì)固體與均質(zhì)固體與t呈線形關(guān)系，可用下式表示：呈線形關(guān)系，可用下式表示：n t時的導(dǎo)熱系數(shù)，時的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)；n 0 0時的導(dǎo)熱系數(shù)，時的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)；n a 溫度系數(shù)，對大多數(shù)金屬材料為負(fù)值（溫度系數(shù)，對大多數(shù)金屬材料為負(fù)值（a 0）。）。)1 (0at

11、2 2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n（2 2）液體液體n 液體分為金屬液體和非金屬液體兩液體分為金屬液體和非金屬液體兩n類，金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)較高，后者較低。類，金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)較高，后者較低。n而在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。而在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。n 除水和甘油等少量液體物質(zhì)外，絕大除水和甘油等少量液體物質(zhì)外，絕大n多數(shù)液體，多數(shù)液體， T T升高，升高， 下降（略微）。下降（略微）。n一般來說，純液體的大于溶液。一般來說，純液體的大于溶液。2 2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)

12、導(dǎo)n（3 3）氣體氣體n 氣體氣體T升高，升高， 升高。在通常壓力范圍升高。在通常壓力范圍n內(nèi)，內(nèi)，p對對的影響一般不考慮。的影響一般不考慮。n 氣體不利導(dǎo)熱，但可用來保溫或隔熱。固氣體不利導(dǎo)熱，但可用來保溫或隔熱。固n體絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)之所以小，是因為其結(jié)體絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)之所以小，是因為其結(jié)n構(gòu)呈纖維狀或多孔，其空隙率很大，孔隙中含構(gòu)呈纖維狀或多孔，其空隙率很大，孔隙中含n有大量空氣的緣故。有大量空氣的緣故。n 一般來說一般來說n 2 2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)金屬液體固體絕緣材料氣體一般固體非金屬第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo) n的大概范圍：的大概范圍：n

13、金屬固體金屬固體 101102 W/(mK)、 n 建筑材料建筑材料 10-1100 W/(mK)、 n 絕緣材料絕緣材料 10-210-1 W/(mK)、n 液體液體 10-1 W/(mK)、 n 氣體氣體 10-210-1 W/(mK)2 2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n3.1單層平壁的穩(wěn)定熱單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)傳導(dǎo)n3.1.1特點特點n(1)平壁內(nèi)溫度只沿平壁內(nèi)溫度只沿x方向方向變化，變化，y和和z方向上無溫度方向上無溫度變化，各點的溫度不隨時變化，各點的溫度不隨時間而變，即這是一維穩(wěn)定間而變，即這是一維穩(wěn)定溫度場，溫度場， Q與與A均

14、為常數(shù)。均為常數(shù)。 n(2) t僅沿僅沿X方向變化傳熱方向變化傳熱 n(3)平壁面積與厚之比很平壁面積與厚之比很大大 n(4)不隨不隨t變?nèi)〕?shù)或平均變?nèi)〕?shù)或平均值值 3 3平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) A第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n3.1.2 推導(dǎo)推導(dǎo)n式中式中nQ 熱流量，即單位時間通過平壁的熱量，熱流量，即單位時間通過平壁的熱量，W或或J/s；nA 平壁的面積，平壁的面積，m2；nb 平壁的厚度，平壁的厚度，m；n 平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)；n t1, t2 平壁兩側(cè)的溫度，平壁兩側(cè)的溫度，。3 3 平壁的穩(wěn)定熱

15、傳導(dǎo)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)AbttttAbQ2121)(第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n討論討論n式中式中 t1-t2為傳熱推力。為傳熱推力。nb/A為阻力。為阻力。3 3 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)AbttttAbQ2121)(第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n3.2多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)n3.2.1特點特點n(1)不隨不隨t變?nèi)〕?shù)或平均值變?nèi)〕?shù)或平均值 n(2)層間接觸良好層間接觸良好接觸面溫度接觸面溫度n相同。相同。n(3)平壁面與厚之比很大，可忽平壁面與厚之比很大，可忽n略熱損失。略熱損失。n(4)平壁

16、內(nèi)溫度只沿平壁內(nèi)溫度只沿x方向變化，方向變化，y和和z方向上無溫度變方向上無溫度變化，各點的溫度不隨時間而變，即這是一維穩(wěn)定溫度化，各點的溫度不隨時間而變，即這是一維穩(wěn)定溫度場，場， Q與與A均為常數(shù)。均為常數(shù)。 n(5)t僅沿僅沿X方向變化傳熱，方向變化傳熱，t1t2t3 。 t t2 2t t1 1t t3 3t41 1b b2 2b b3 32 2b b1 13A 3 3 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n3.2.2 推導(dǎo)推導(dǎo)n推廣至推廣至n n層：層： nN層單層平壁熱傳導(dǎo)的串聯(lián)層單層平壁熱傳導(dǎo)的串聯(lián)AbttAbttAbtt

17、Q334322321121總熱阻總推動力iiiiRttAbttQ413141QttbAttRniiinniin1111113 3 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)t1t2b11txb2b323t2t4t3第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)4 4圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) n4.14.1單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) n4.1.1 4.1.1 特點特點n(1) (1) 各點溫度不隨時間而變，各點溫度只沿徑向變各點溫度不隨時間而變，各點溫度只沿徑向變化，一維穩(wěn)定的溫度場，以徑向坐標(biāo)表示：化，一維穩(wěn)定的溫度場，以徑向坐標(biāo)表示：t=f(r) t=f(

18、r) 。此時的傅立葉定律可寫為此時的傅立葉定律可寫為 n(2) (2) 不隨不隨t t變?nèi)〕?shù)或變?nèi)〕?shù)或n平均值平均值 n(3) t(3) t沿徑向向四周變化沿徑向向四周變化n(4) (4) 平壁面與厚之比很大平壁面與厚之比很大 n(5) Q(5) Q為常數(shù)為常數(shù),A,A隨隨r r變化。變化。n(6)(6)各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。QAtr dddrr第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n4.1.2 4.1.2 推導(dǎo)推導(dǎo)nQ 熱流量，即單位時間通過圓筒壁的熱量，熱流量，即單位時間通過圓筒壁的熱量，W或或J/s；n 圓筒壁的導(dǎo)

19、熱系數(shù)，圓筒壁的導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m)或或W/(mK)；n t1 , t2 圓筒壁兩側(cè)的溫度，圓筒壁兩側(cè)的溫度，。n r1 , r2 圓筒壁內(nèi)外半徑，圓筒壁內(nèi)外半徑，m。4 4圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)Ql ttrrl ttrr22112211221 ()ln()ln第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n討論討論n(1)上式可以變?yōu)椋荷鲜娇梢宰優(yōu)椋簄其中其中 為對數(shù)平均面積為對數(shù)平均面積n(2)對于對于r2/r12的圓筒壁，以算術(shù)平均值代替對數(shù)平均的圓筒壁，以算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值導(dǎo)致的誤差值導(dǎo)致的誤差4%。作為工程計算，這一誤差可以接。作為工程計算，這一

20、誤差可以接受，此時受，此時 n(3)通過平壁的熱傳導(dǎo)，各處的通過平壁的熱傳導(dǎo)，各處的Q和和q均相等；而在圓均相等；而在圓筒壁的熱傳導(dǎo)中，圓筒的內(nèi)外表面積不同，各層圓筒筒壁的熱傳導(dǎo)中，圓筒的內(nèi)外表面積不同，各層圓筒的傳熱面積不相同，所以在各層圓筒的不同半徑的傳熱面積不相同，所以在各層圓筒的不同半徑r處處傳熱速率傳熱速率Q相等，但各處熱通量相等，但各處熱通量q卻不等。卻不等。4 4圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)熱阻推動力RtAbttAAbAAttrrrrrrttlQm)(ln)(ln)()(22112122112121221AAAAAm2121ln/AAAm122第第 4 4 章章 （第（第 2 2 節(jié)）節(jié)）熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)n4.2 多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)導(dǎo)(3(3層圓筒壁為例）層圓筒壁為例）n4.2.1 4.2.1 特點特點n(1)(1)不隨不隨t t變?nèi)〕?shù)或平均值變?nèi)〕?shù)或平均值 n(2)(2)平壁面與厚之比很大平壁面與厚之比很大 , ,可忽可忽略熱損失略熱損失 n(3)(3)各層之間接觸良好，接觸各層之間接觸良好，接觸面溫度相同。面溫度相同。n(4)(4)一維穩(wěn)定的溫度場一維穩(wěn)定的溫度場, t=f(r), t=f(r)，以徑向坐標(biāo)表示。以徑向坐標(biāo)表示。4 4圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) t t1 t2 t3 t4 r1 r2 t20 r b1