§1-1 導(dǎo)熱基本概念與傅里葉定律.ppt

1、Heat Transfer傳熱學(xué),Building Energy Efficiency is the Wave of the Future !,1 導(dǎo)熱理論基礎(chǔ),建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)主干課程之一 !,Chapter1 Heat conduction theory,Heat Transfer,1-1 導(dǎo)熱基本概念與傅里葉定律,一、基 本 概 念,1、溫度場 （Temperature field） （1 ）概念 溫度場是指在各個時刻物體內(nèi)各點溫度分布的總稱。 物體的溫度分布是坐標和時間的函數(shù)：,其中 為空間坐標， 為時間坐標。,Heat Transfer,（2）溫度場分類 1）穩(wěn)態(tài)溫度場（定常溫

2、度場） （Steady-state conduction） 是指在穩(wěn)態(tài)條件下物體各點的溫度分布不隨時間的改變而變化的溫度場稱穩(wěn)態(tài)溫度場，其表達式：,一、基 本 概 念,Heat Transfer,2）非穩(wěn)態(tài)溫度場（非定常溫度場） （Transient conduction） 是指在變動工作條件下，物體中各點的溫度分布隨時間而變化的溫度場稱非穩(wěn)態(tài)溫度場，其表達式： 若物體溫度僅一個方向有變化，這種情況下的溫度場稱一維溫度場。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,穩(wěn)態(tài)溫度場 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,（Steady-state conduction）,非穩(wěn)態(tài)溫度場 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,（Transient c

3、onduction）,三維穩(wěn)態(tài)溫度場：,一維穩(wěn)態(tài)溫度場:,一、基 本 概 念,Heat Transfer,2、等溫面與等溫線,等溫線：用一個平面與各等溫面相交，在這個平面上得到一個等溫線簇,等溫面：同一時刻、溫度場中所有溫度相同的點連接起來所構(gòu)成的面,一、基 本 概 念,Heat Transfer,等溫面與等溫線的特點：,(1) 溫度不同的等溫面或等溫線彼此不能相交,(2) 在連續(xù)的溫度場中，等溫面或等溫線不會中斷，它們或者是物體中完全封閉的曲面（曲線），或者就終止于物體的邊界上,物體的溫度場通常用等溫面或等溫線表示,一、基 本 概 念,Heat Transfer,等溫線圖的物理意義： 若每條

4、等溫線間的溫度間隔相等時，等溫線的疏密可反映出不同區(qū)域?qū)釤崃髅芏鹊拇笮?。如圖所示是用等溫線圖表示溫度場的實例。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,3、溫度梯度（Temperature gradient）,等溫面上沒有溫差，不會有熱傳遞。,不同的等溫面之間，有溫差，有導(dǎo)熱,溫度梯度是用以反映溫度場在空間的變化特征的物理量。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,系統(tǒng)中某一點所在的等溫面與相鄰等溫面之間的溫差與其法線間的距離之比的極限為該點的溫度梯度，記為gradt。,注：溫度梯度是向量；正向朝著溫度增加的方向,一、基 本 概 念,Heat Transfer,4、熱流密度

5、矢量（Heat flux）,熱流密度：單位時間、單位面積上所傳遞的熱量；,熱流密度矢量：等溫面上某點，以通過該點處最大熱流密度的方向為方向、數(shù)值上正好等于沿該方向的熱流密度,一、基 本 概 念,Heat Transfer,溫度梯度和熱流密度的方向都是在等溫面的法線方向。由于熱流是從高溫處流向低溫處，因而溫度梯度和熱流密度的方向正好相反。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)通過給定截面所傳遞的熱量，正比例于垂直于該截面方向上的溫度變化率，而熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反，即：,數(shù)學(xué)表達式：,二、傅里葉定律（Fourier Law）,1、傅里葉定律,Hea

6、t Transfer,（負號表示熱量傳遞方向與溫度升高方向相反）,傅里葉定律用熱流密度表示：,其中： 熱流密度(單位時間內(nèi)通過單位面積的熱流量) 物體溫度沿 x 軸方向的變化率,二、傅里葉定律（Fourier Law）,Heat Transfer,當(dāng)物體的溫度是三個坐標的函數(shù)時，其形式為:,是空間某點的溫度梯度；,是通過該點等溫線上的法向單位矢量，指向溫度升高的方向；,是該處的熱流密度矢量。,二、傅里葉定律（Fourier Law）,Heat Transfer,負號是因為熱流密度與溫度梯度的方向不一致而加上,傅里葉定律可表述為:系統(tǒng)中任一點的熱流密度與該點的溫度梯度成正比而方向相反,注：傅里葉

7、定律只適用于各向同性材料各向同性材料：導(dǎo)熱系數(shù)在各個方向是相同的,二、傅里葉定律（Fourier Law）,Heat Transfer,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） thermal conductivity,1、定義 傅利葉定律給出了導(dǎo)熱系數(shù)的定義 :,w/m,導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度作用下單位時間內(nèi)單位面積的熱量。 導(dǎo)熱系數(shù)是物性參數(shù)，它與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密切相關(guān)，例如物質(zhì)的種類、材料成分、溫度、 濕度、壓力、密度等，與物質(zhì)幾何形狀無關(guān)。 它反映了物質(zhì)微觀粒子傳遞熱量的特性。,Heat Transfer,不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能不同：,0C時：,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） ther

8、mal conductivity,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,2 、保溫材料（隔熱、絕熱材料） 把導(dǎo)熱系數(shù)小的材料稱保溫材料。 我國規(guī)定：350 時， 0.12w/mk 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)界定值的大小反映了一個國家保溫材料的生產(chǎn)及節(jié)能的水平。越小，生產(chǎn)及節(jié)能的水平越高。 我國50年代 0.23W/mk 80年代 GB42

9、72-84 0.14w/mk 90年代 GB427-92 0.12w/mk,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） thermal conductivity,Heat Transfer,保溫材料熱量轉(zhuǎn)移機理 ( 高效保溫材料 ) 高溫時： （ 1 ）蜂窩固體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱 （ 2 ）穿過微小氣孔的導(dǎo)熱 更高溫度時： （ 1 ）蜂窩固體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱 （ 2 ）穿過微小氣孔的導(dǎo)熱和輻射,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） thermal conductivity,Heat Transfer,超級保溫材料 采取的方法： （1）夾層中抽真空（減少通過導(dǎo)熱而造成熱損失） （2）采用多層間隔結(jié)構(gòu)（ 1cm 達十幾層） 特點：間隔材料的反射率很高，減少輻射換熱，垂直于隔熱板上的導(dǎo)熱系數(shù)可達： 10 - 4w/mk,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） thermal conductivity,Heat Transfer,同一種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)也會因其狀態(tài)參數(shù)的不同而改變，因而導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)溫度和壓力的函數(shù)。,一般把導(dǎo)熱系數(shù)僅僅視為溫度的函數(shù)，而且在一定溫度范圍還可以用一種線性關(guān)系來描述,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） thermal conductivity,Heat Transfer,3、各向異性材料 指有些材料（木材，石墨）各向結(jié)構(gòu)不同，各方向上的 也有較大差別，這些材料稱各向異性材料。此類材料 必須