传热原理课件

1第二章传热原理2本章节主要内容：传热的基本概念传导传热对流换热辐射传热3传热学概述传热学是研究热量传递规律的学科，其基础为热力学第一定律和热力学第二定律。在材料技术领域大量存在传热问题4在材料技术领域存在节能问题52.1传热基本概念2.1.1传热基本条件传热热量传递的过程基本条件物体间存在温度差tRtkq低温端高温端6特点：物体各部位不发生宏观相对位移热量从铁丝的高温端传递到低温端，但铁丝外观未变化。2.1.2传热的基本方式（1）传导传热：依靠物体微观粒子的热运动而传递热量。7导热机理：气体－分子不规则运动时相互碰撞；导电固体－自由电子；非导电固体－晶格振动产生的弹性波；液体－兼有气体和非导电固体的机理。8（2）对流传热：依靠流体质点的宏观位移而传热。火焰通过周围气体的运动对流能将热量从周围向其它地方传递单纯对流传热发生于流体内、流体之间流体与固体表面之间的传热对流换热（3）辐射传热：不借助于媒介物，热量以热射线形式从高温物体传向低温物体太阳能以辐射形式透过广阔真空，传递到地球，不需要媒介。10导热、对流、辐射的评述①导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。②在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。11在辐射时，辐射体内热能→辐射能；在吸收时，辐射能→受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。③辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。12④辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又称其为非接触性传热。⑤热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。⑥物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。13稳定温度场：t=f(x,y,z)热量从高温面向其对面传递2.1.3温度场等温面等温线温度梯度（1）温度场定义：传热过程中，物体内部所有点的温度分布情况。不稳定温度场：t=f(x,y,z,τ)类型一维稳定温度场：t=f(x)14热量从高温面向侧面、对面传递二维稳定温度场：t=f(x,y)15热量从高温面向两侧面、对面、上下底面传递三维稳定温度场：t=f(x,y,z)16等温面被平面所切产生等温线定义：温度场中所有温度相同的点构成的面。（2）等温面（3）等温线定义：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇。17等温面与等温线的特点：（1）温度不同的等温面或等温线，彼此不能相交。（2）在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界上。（3）同一等温面、线上无热流，不同的等温面、线之间存在热流。（4）若温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。18（4）温度梯度定义：温度场中，两等温面间温度差与其法线方向两等温面间距离比值的极限。ntgradt(℃/m)dxdtgradt(℃/m)注意：温度梯度方向指向温度升高方向，与热流方向相反数学表达式：单向稳定温度场：tt-Δtt+Δt192.1.4热流传热量温度场内有温度差存在时，热量将从高温流向低温。热流定义：单位时间内，通过单位面积传递的热量称为热流，用q表示，单位W/m2。热流是矢量，与温度梯度方向相反。传热量：单位时间内，通过总传热面积F传递的热量，用Q表示。qFQ（W）202.1.5稳定传热与不稳定传热0ddt0ddq稳定传热稳定温度场内的传热传热量不随时间变化0ddt0ddq不稳定传热不稳定温度场内的传热传热量随时间变化212.2传导传热2.2.1导热的基本定律（傅立叶定律）dndtFQq数学表达式热流的方向与温度梯度相反（w/m2）导热系数单位时间、单位面积上通过的热量与温度梯度成正比。内容22应用傅立叶定律时注意点：1、负号“—”表示热量传递指向温度降低的方向，n是通过该点的等温线上法向单位矢量，指向温度升高的方向；2、热流方向总是与等温线（面）垂直；3、物体中某处的温度梯度是引起物体内部及物体间热量传递的根本原因；4、傅立叶定律是实验定律，是普遍适用的，即不论是否变物性，不论是否有内热源，不论物体的几何形状如何，不论是否非稳态，也不论物质的形态（固、液、气），傅立叶定律都是适用的。232.2.2导热系数dndtq(w/m.℃）物体内温度梯度为1℃/m时，单位时间、单位面积上的传热量。2.2.2.1气体导热系数大小：0.0058～0.58W/m.℃特点：（1）t↑,λ↑（2）在不太大的压力下,可以认为λ与压力无关（3）混合气体的导热系数不遵循加和法则。242.2.2.2液体的导热系数λ=0.093～0.7W/m.℃特点：除水、甘油外，一般液体t↑,λ↓2.2.2.3固体导热系数（1）金属λ=2.3～418W/m.℃，纯银最大，纯铜次之特点：t↑,λ↓λ合金λ纯金属（2）建筑材料λ=0.16～2.2W/m.℃25（4）绝热材料λ≦0.25W/m.℃特点：t↑,λ↑t1（3）耐火材料λ=1.1～16W/m.℃特点：t↑,λ↑，镁质耐火材料例外。特点：t↑,λ↑λ与材料结构、空隙率、湿度、密度等因素有关。26说明：导热系数λ是表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，与材料的种类和温度有关。单位：W/m·℃。272.2.2.4影响λ的因素温度的影响λ与温度间呈线性关系λt=λ0+bt密度↑,λ↑密度的影响湿度的影响湿度↑，λ↑28xdQdxxdQzdQdyydQydQdzzdQQd导热微分方程热焓的增量=传入物体的热量—传出物体的热量292.2.3稳定导热传热量的计算2.2.3.1单层平壁导热dxdtbtdxdtFQq)(0分离变量并积分:dtbtdxqxxtt)(21210dxtxs2t1t1x2x据付立叶定律30平均温度时平壁的导热系数221tttRtttttq2121单层壁的导热热阻：单层壁的导热量：tR热阻分析法适用于一维、稳态、无内热源的情况31导热比较RUI电流从高电位到低电位电流产生电流的基本条件是电位差物体对电流有电阻热流量与温度差成正比与热阻成反比热流从高温到低温热流产生热流的基本条件是温度差物体对热流有热阻热流量与温度差成正比与热阻成反比tRtq导电32计算所需保温层的厚度已知q，λ，t1，t2，求δ计算物质的导热系数已知q，t1，t2，δ求λ工程上的应用：计算炉墙等物体的散热损失已知λ，t1，t2，δ，求q33计算炉墙等物体的内外壁温度已知q，λ，δ，t1（t2），求t2（t1）【例】假设某窑炉耐火砖壁厚0.5米，内壁面温度为1000℃，外壁面温度0℃，耐火砖导热系数为：λ=1.16（1+0.001t）w/m.℃，求通过炉壁的热流及炉壁内的温度分布？推算炉壁不同厚度处的温度分布xttttx21134（2）平壁的平均导热系数：74.1)500001.01(16.1)001.01(16.1t（3）平壁的热流：（w/m.℃）)/(34805.00100074.1221mWsttq【解】（1）炉壁的平均温度:)(5002010002021Cttt352.2.3.2多层平壁的导热多层平壁：由几层不同材料组成例：房屋的墙壁—白灰内层、水泥沙浆层、红砖（青砖）主体层等组成假设各层之间接触良好，可以近似地认为接合面上各处的温度相等36如图：三层壁厚度分别为δ1、δ2、δ3，平均导热系数分别为λ1、λ2、λ3，各层材料间接触良好，相接触的两表面具有相同的温度。33221141ttq稳定传热q=q1=q2=q3据单层平壁导热公式可推得：37n层平壁的导热：nitinniiinRttttq11111多层壁的导热与串联电路类似总热阻为各层热阻之和38应用公式注意的问题（1）多层壁中，壁与壁的接触应良好，相接的两表面应具有相同的温度。避免接触热阻产生大的计算误差。（2）导热系数与温度有关，而中间层温度未知时，各层材料的λ平均值无法求得，可采用尝试误差法求解。392.1260012001055.070.03161.021006001044.046.032交界面温度未知193061.023.020.123.01001200221131ttq热流（W/m.℃）（W/m.℃）(W/m2)【例】设有一窑墙，用粘土砖和红砖砌筑，厚度均为230毫米，窑墙内表面温度1200℃，外表面温度100℃，求每平方米窑墙散热损失（λ粘土砖=0.70+0.55×10-3t，λ红砖=0.46+0.44×10-3t）。【解】假设交界面温度为600℃，则：40校核交界面温度：83020.123.0193012001112sqtt（℃）%3.38600600830与假设相比，误差=重新假设交界面温度为830℃26.1283012001055.070.031（W/m.℃）66.021008301044.046.032（W/m.℃）误差超过5%热流208066.023.026.123.01001200q(W/m2)4182020.123.0208012001112sqtt（℃）校核交界面温度：(%)2.1820820830与假设温度相比，误差＝由此可知窑墙散热损失2080w/m2。误差小于5%42【例】：某窑炉炉墙由耐火粘土砖、硅藻土砖与红砖砌成，硅藻土砖与红砖的厚度分别为40mm和250mm，导热系数分别为0.13和0.39W/m℃，如果不用硅藻土层，但又希望窑炉墙的散热维持原状，则红砖必须加厚到多少毫米？432.2.3.3复合平壁导热55443322111BAtttRtq复合壁：高度和宽度方向上，由几种不同材料砌成。λ2、λ3、λ4应接近利用热阻串联和并联的方法确定总热阻ΣR442.2.3.4单层圆筒壁导热1221ln2)(rrLttQrLdrdtqFQ2drrLQdtrrtt21211.2据付立叶定律可导出公式:45tavavRtFttLrrrttQ2112212:对数平均半径1212lnrrrrrav对数平均面积LrFvaav2圆筒壁热阻vatFLrrR2ln12公式另一表达式:当r2/r12筒壁可看作平壁12rr462.2.3.5多层圆筒壁传热tniiinniiiinRtrrLttrrLttQ11111111ln21ln12niaviiinFsttQ111或利用单层平壁与多层平壁的关系可得此公式47减少筒壁散热量的措施：Ari+1/ri↑,（筒壁厚度↑），Q↓Bλi↓（生产中采用保温材料），Q↓CFav↓（单位产量有效散热面积↓），Q↓48【例】蒸汽管道内径、外径各为0.16m、0.17m，外包两层绝缘材料，第一层厚度0.03m，第二层厚度0.05m，管壁及两层绝缘材料的平均导热系数各等于λ1=81.5w/m.℃，λ2=0.174w/m.℃，λ3=0.093w/m.℃，管道内表面温度为t1=300℃，第二层绝缘材料外表面温度t4=50℃，试求每米长蒸汽管道的热损失和各层交界面温度t2、t3。【解】d1=0.16md2=0.17md3=0.17+0.06=0.23m,06.016.017.0lnln12dd362.0ln,302.0ln3423ddddd4=0.23+0.1=0.33m49交界面温度：9.299)06.05.811(14.3292.278300)ln1(212112ddqttl（℃）9.222)30