傳熱導(dǎo)熱傳熱導(dǎo)熱PPT教程.ppt

1、傳熱學(xué),第二部分,常見現(xiàn)象,常見現(xiàn)象,常見現(xiàn)象,常見現(xiàn)象,傳熱學(xué)是一門研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。凡是有溫度差的地方，熱量就會自發(fā)地由高溫物體向低溫物體傳遞。由于自然界和生產(chǎn)過程中溫度差是到處存在的，因此，熱量傳遞是一種普遍的現(xiàn)象。,本章主要介紹熱量傳遞的基本規(guī)律、基本定律、傳熱量的計算、改善熱量傳遞的有關(guān)途徑。,傳熱學(xué),內(nèi)容,熱傳遞的基本知識 導(dǎo)熱 對流換熱 輻射換熱 綜合傳熱,掌握,傳熱學(xué),1、 傳熱過程在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,加熱或冷卻 換熱 保溫,強化傳熱過程 削弱傳熱過程,2.1 熱傳遞的基本知識,內(nèi)容,1傳熱過程在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 2傳熱的三種基本方式,2、 傳熱的三種基本方式,(1)熱傳

2、導(dǎo)：熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。 它是依靠物質(zhì)的分子、原子或者自由電子等微粒的熱運動來傳遞熱量的。特點：沒有物質(zhì)的宏觀位移,氣體 分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果 固體 導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運動 非導(dǎo)電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動來實現(xiàn)的 液體 機理復(fù)雜,2.1 熱傳遞的基本知識,2.1 熱傳遞的基本知識,(2)、熱對流與對流換熱：,依靠流體的運動，把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象，稱為熱對流。,熱對流是由于流體各部分發(fā)生相對位移而引起的能量傳遞，同時還包括流體各部分之間的導(dǎo)熱。,工程上所遇到的不是純粹的流體內(nèi)部的熱對流

3、，而是流體與固體壁直接接觸時的換熱過程，即對流換熱，它是對流和導(dǎo)熱兩種方式的聯(lián)合作用的結(jié)果。,2、 傳熱的三種基本方式,2.1 熱傳遞的基本知識,2.1 熱傳遞的基本知識,(3)、熱輻射和輻射換熱：,物體以電磁波方式向外傳播熱量的過程稱熱輻射。被傳遞的熱量稱為輻射熱。,高溫物體向低溫物體輻射的能量大于低溫物體向高溫物體輻射的能量，總的結(jié)果是熱量由高溫物體傳向低溫物體。,這種相互不接觸的物體表面之間，或物體表面與周圍氣體之間發(fā)生的相互輻射進行熱量交換的現(xiàn)象，稱輻射換熱。,2、 傳熱的三種基本方式,2.1 熱傳遞的基本知識,說明,以上三種熱傳遞的基本方式，在實際熱量傳遞過程中，往往不是單獨進行的，

4、常常是一種形式伴隨著另一形式而同時出現(xiàn)。是三種基本方式的復(fù)雜組合。,2.1 熱傳遞的基本知識,2.2 導(dǎo) 熱,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律：,主要介紹導(dǎo)熱的基本概念、基本定律、導(dǎo)熱量的計算(平壁、筒壁、球壁),(1) 溫度場：在某一瞬間，物體內(nèi)部所有各點溫度的分布情況。,溫度場內(nèi)各點的溫度有可能各不相同，某一給定點的溫度也可能隨著時間的延續(xù)而發(fā)生變化。所以，溫度場內(nèi)的溫度是空間和時間的函數(shù)。,溫度場表示為,上式的溫度t不僅與坐標x、t、z有關(guān)，而且和時間t有關(guān)，即：,這樣的溫度場 不穩(wěn)定溫度場,分兩種：,加熱 冷卻,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律,2.2 導(dǎo) 熱,當,即溫度不隨時間而變化，稱穩(wěn)定溫度場。

5、,分三種,三維,二維,一維,重點研究一維穩(wěn)定溫度場,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律,2.2 導(dǎo) 熱,(2) 等溫面和等溫線：,同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點連接所構(gòu)成的面，稱等溫面。不同的等溫面與同一平面相交，則在此平面上構(gòu)成一簇線，稱等溫線。,等溫面可以是平面，也可以是曲面。等溫線同樣可以是直線或曲線。,結(jié)論,兩個不同溫度的等溫面或兩條不同溫度的等溫線絕不會彼此相交； 溫度面或等溫線上無熱量的傳遞； 物體內(nèi)溫度場常用等溫面或等溫線表示,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律,2.2 導(dǎo) 熱,自等溫面上的某點出發(fā)，沿不同方向到達另一等溫面，將發(fā)現(xiàn)單位距離溫度變化，即溫度的變化率，具有不同的數(shù)值。,自等溫面上某

6、點到達另一個等溫面，以該點法線方向的溫度變化率為最大。以該點法線方向為方向，數(shù)值也正好等于這個最大溫度變化率的矢量稱溫度梯度。,表示為：,（/m）,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律,2.2 導(dǎo) 熱,(3) 溫度梯度：,溫度梯度的大小等于等溫面法線方向單位距離上溫度改變的數(shù)量，它表示溫度變化的強弱。 它是矢量，其正方向是朝溫度升高的方向。,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律,2.2 導(dǎo) 熱,(4) 熱流和傳熱量：,單位時間內(nèi)通過單位面積上所傳遞的熱量稱熱流。用“q”表示，單位W/m2,熱流是矢量，其正方向朝溫度降低方向，與溫度梯度的正方向相反。,單位時間內(nèi)，通過總傳熱面積上所傳遞的熱量稱傳熱量。用“Q”表示，單位

7、W,即：,（W）,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律,2.2 導(dǎo) 熱,其特點是：,發(fā)生在不穩(wěn)定溫度場中的傳熱稱不穩(wěn)定傳熱。,其特點是：,物體被加熱和被冷,發(fā)生在穩(wěn)定溫度場內(nèi)的傳熱稱穩(wěn)定傳熱。,(5) 穩(wěn)定傳熱和非穩(wěn)定傳熱：,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律,2.2 導(dǎo) 熱,(6) 傅立葉(Fourier J.)定律,單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量與溫度梯度成正比。,對一維溫度場：,（W/m2）,（W/m2）,式中：,在x方向的溫度梯度，/m,- 比例系數(shù)，稱導(dǎo)熱系數(shù)，w/m,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律：,2.2 導(dǎo) 熱,（7）、導(dǎo)熱系數(shù),2) 意義：是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)，隨物質(zhì)的溫度和種類不同而不同，它說明物質(zhì)的導(dǎo)

8、熱能力大小。,3) 導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系為：,或,式中：t 、o 分別為材料在t、0的導(dǎo)熱系數(shù) ，w/m,1)定義：其數(shù)值單位時間內(nèi)，每單位長度上溫度降低1時，單位面積上所通過的熱量。,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律,2.2 導(dǎo) 熱,說明,在實際計算時，導(dǎo)熱系數(shù)值常取物體兩極端溫度的算術(shù)平均值。即：,或：,4)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)：表2-1,大多數(shù)氣體導(dǎo)熱系數(shù)在0.00580.58w/m,與氣體的壓力無關(guān)，隨溫度的升高而增大?；旌蠚怏w的導(dǎo)熱系數(shù)不遵循加和法則，用實驗測定。,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律,2.2 導(dǎo) 熱,5)液體的導(dǎo)熱系數(shù)：表2-2,液體導(dǎo)熱系數(shù)在0.0930.7w/m,除水和甘油外，其它液體的

9、導(dǎo)熱系數(shù)均隨溫度的升高而略有減小。,隨固體的種類不同而不同，其中金屬中的銀導(dǎo)熱性為最好。,金屬：2.3417.6w/m，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而降低。金屬內(nèi)含有雜質(zhì)時，其導(dǎo)熱系數(shù)大大減小。,6)固體的導(dǎo)熱系數(shù)：,2.2 導(dǎo) 熱,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律：,影響該類材料的導(dǎo)熱系數(shù)的因素很多。有溫度、材料的氣孔率、濕度等，一般在0.0253.0w/m。 溫度升高，這類材料除鎂磚外，其導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大。工程上把0.22W/m的材料稱為絕熱材料，它具有多孔結(jié)構(gòu)。,耐火、隔熱和建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)：,結(jié)論,2.2 導(dǎo) 熱,1、導(dǎo)熱的基本概念及定律,2、導(dǎo)熱微分方程式,描述：物體內(nèi)部的溫度分布。,依據(jù)：

10、它是根據(jù)傅立葉定律和能量守恒定律,結(jié)果：描述物體內(nèi)部溫度分布的微分關(guān)系式,2.2 導(dǎo) 熱,假設(shè)物體的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容c、密度均為已知。 并假設(shè)物體有均勻的內(nèi)熱源qV（W/m3）。 取一微元六面體，其各邊長為：dx,dy,dz。 如圖，根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，對微元六面體進行熱平衡分析。 在d時間內(nèi)導(dǎo)入與導(dǎo)出微元六面體的凈熱量，加上內(nèi)熱源的發(fā)熱量，應(yīng)等于微元六面體的熱力學(xué)能的增加。,過程：,2、導(dǎo)熱微分方程式,2.2 導(dǎo) 熱,2、導(dǎo)熱微分方程式,2.2 導(dǎo) 熱,即：,導(dǎo)入與導(dǎo)出微元體的凈熱量+微元體中內(nèi)熱源的發(fā)熱量=微元體熱力學(xué)的增加。,【1】,【2】,【3】,分別計算上式中的【1】【2】【3】

11、,【1】,導(dǎo)入與導(dǎo)出微元體的凈能量可以由x、y、z三個方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體的凈能量相加得到。在d時間內(nèi)，沿x軸方向，經(jīng)x表面導(dǎo)入的熱量為：,2、導(dǎo)熱微分方程式,2.2 導(dǎo) 熱,而：,于是，在d時間內(nèi)，沿x軸方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體的凈熱量分別為：,2、導(dǎo)熱微分方程式,2.2 導(dǎo) 熱,同理，在此時間內(nèi)，沿y軸方向和沿z軸方向，導(dǎo)入和導(dǎo)出微元體的凈熱量分別是：,將x、y、z三個方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體的凈熱量相加得到：,2、導(dǎo)熱微分方程式,2.2 導(dǎo) 熱,【1】=,將傅立葉定律代入上式得：,【1】,在d時間內(nèi)，微元體中內(nèi)熱源的發(fā)熱量為：,【2】,2、導(dǎo)熱微分方程式,2.2 導(dǎo) 熱,在d時間內(nèi)，微元體中熱力

12、學(xué)能的增量為：,【3】=,代入上式整理簡化得：,或?qū)懗桑?傅立葉導(dǎo)熱微分方程式,2、導(dǎo)熱微分方程式,2.2 導(dǎo) 熱,式中：,2是拉普拉斯運算符號 ，2t是對t的拉普拉斯運算子 a 導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s,各參數(shù)的物理意義,拉普拉斯運算子：當為正值時，表示物體被加熱；負時表示物體被冷卻；等于零時表示穩(wěn)定溫度場。,導(dǎo)溫系數(shù)：表示物體被加熱或被冷卻時，物體內(nèi)部各部分溫度趨向于一致的能力。物體的導(dǎo)溫系數(shù)越大，在同樣的外部加熱或冷卻條件下，物體內(nèi)部各處的溫度差就越小。反之，溫差越大。,2、導(dǎo)熱微分方程式,2.2 導(dǎo) 熱,當熱物性參數(shù)為常數(shù)且無內(nèi)熱源時：上式寫成：,當為穩(wěn)定溫度場，,則上式可簡化為：,當為一維

13、穩(wěn)定溫度場時，,討論,上式常寫成：,2、導(dǎo)熱微分方程式,2.2 導(dǎo) 熱,說明,當所分析的對象為軸對稱物體時(圓柱、圓筒或圓球)時，采用圓柱坐標系或圓球坐標系。通過坐標轉(zhuǎn)換可得其導(dǎo)熱方程。,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱的特點：物體的溫度不隨時間發(fā)生變化。并且無內(nèi)熱源，物體的熱物理性質(zhì)為常數(shù)。,2、導(dǎo)熱微分方程式,2.2 導(dǎo) 熱,一維穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱微分方程：,即：,即：,常遇到的工程結(jié)構(gòu)：平壁；圓筒壁；球壁。,研究步驟：先求出各類工程結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度分布(用溫度方程表示)，再依傅立葉定律導(dǎo)出傳熱量的計算關(guān)系式。,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,(1)、平壁的導(dǎo)熱(單層；多層；

14、復(fù)合),單層平壁,溫度分布：解導(dǎo)熱微分方程，得出單層平壁內(nèi)部溫度分布表達式。,傳熱量的計算(平壁；筒壁；球壁),溫度分布 傳熱量公式,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,將d式代入c式中得：,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,將C積分常數(shù)代入上式得：,平壁內(nèi)溫度分布方程，是一根直線,傳熱量：,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,上式可寫成：,熱阻(阻力),推動力,應(yīng)用,計算物體的散熱損失q； 給定的熱損失時，計算保溫層的厚度； 推算爐墻的內(nèi)(外)壁溫度； 計算物體的導(dǎo)熱系數(shù)；,當導(dǎo)熱系數(shù)不是常數(shù)時，用上式計算傳熱量時，導(dǎo)熱系數(shù)為平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)aV,注

15、意,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,多層平壁,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,傳熱量,為各層導(dǎo)熱熱阻總和。可根據(jù)電阻的串聯(lián)進行計算。,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,注意,對于多層平壁導(dǎo)熱計算，必須先求出交界面溫度t1、t2、tn,才能計算出各層材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)1、 2n，才能計算出熱流。用嘗試誤差法求解。,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,在平壁的寬度和高度方向上，由幾種不同材料所組成的平壁，稱復(fù)合平壁。,復(fù)合平壁的導(dǎo)熱：,傳熱量為：,其中總熱阻利用熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)進行計算,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,(2)

16、、圓筒壁的導(dǎo)熱：(單層；多層),單層圓筒壁：,溫度分布 傳熱量公式,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,對數(shù)曲線變化,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,溫度分布：,2.2 導(dǎo) 熱,傳熱量：,為單層筒壁的熱阻,式中,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,多層筒壁：,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,傳熱量：,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,(3)、球壁的導(dǎo)熱：,溫度分布 傳熱量,溫度分布：,傳熱量：,3、無內(nèi)熱源穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱量的計算,2.2 導(dǎo) 熱,4、具有內(nèi)熱源的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱(一維),主要討論的是其溫度分布(溫度分布方程)。,單層平壁； 長圓柱體；

17、圓筒壁； 球體；,2.2 導(dǎo) 熱,(1) 單層平壁：,如圖2-15。設(shè)有一均勻內(nèi)熱源qV，厚度為，導(dǎo)熱系數(shù)為且不隨溫度變化的無限大平壁，兩表面維持均勻而一致的溫度t1和t2(t1t2)。,導(dǎo)熱微分方程：,積分后得：,利用邊界條件求積分常數(shù)C1和C2,4、具有內(nèi)熱源的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱(一維),2.2 導(dǎo) 熱,依邊界條件：,在x=0處，t=t1 在x=處，t=t2,代入上式得：,溫度分布方程,當求壁內(nèi)溫度最高位置時，對上式求導(dǎo)令其為零，則得最高溫度和其位置。,說明,4、具有內(nèi)熱源的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱(一維),2.2 導(dǎo) 熱,導(dǎo)熱微分方程：,積分后得：,邊界條件：,在r=rO處，t=tW,長圓柱體：半徑為rO,表

18、面溫度為tw，均勻內(nèi)熱源qV，一維穩(wěn)定圓柱坐標系導(dǎo)熱。,(2) 長圓柱體和圓筒壁：,4、具有內(nèi)熱源的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱(一維),2.2 導(dǎo) 熱,由于溫度分布的對稱性，其最高溫度必在圓柱體的中心，即：在r=0處，,得：C1=0,將積分常數(shù)代入上式得,溫度分布方程,4、具有內(nèi)熱源的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱(一維),2.2 導(dǎo) 熱,軸心最高溫度：,圓筒壁：,內(nèi)、外半徑為r1、r2，內(nèi)、外壁面溫度為t1、t2，導(dǎo)熱系數(shù)為，均勻內(nèi)熱源為qV。只是邊界條件不同而異。,邊界條件：,r=r1 時，t=t1 r=r2 時，t=t2,4、具有內(nèi)熱源的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱(一維),2.2 導(dǎo) 熱,而：,溫度分布方程,4、具有內(nèi)熱源的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱(一維),2.2 導(dǎo) 熱,(3) 球體,半徑為ro的球體，內(nèi)熱