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1、传 热 学 导热（ 热传导 ）的定义 物体 各部分之间不发生相对位移 时，依靠分子、原子、及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递现象。 单纯的导热只发生在固体中 。 一、 导热理论基础 1.1 导热基本概念 温度场 ： 某一时刻空间所有各点温度分布的总称 。 稳态温度场 ： 温度场不随时间变化 非稳态温度场 ： 温度场随时间和空间变化 ),z,y,x(ft 一、 导热理论基础 ( , , )t f x y z 温度梯度 一、 导热理论基础 kztjytixtg r a d t tgrad t nnr直角坐标系 ： 温度梯度矢量的方向指向温度升高的方向 nnTgr ad Tq 一、 导热理
2、论基础 法线方向的单位向量 1.2 傅里叶定律 xyztqxtqytqz直角坐标系： 表述？ 当导热物体的温度接近于绝对零度时； 当过程的作用时间极短，与材料本身固有的时间尺度相接近时 ； 当过程发生的空间尺度极小，与微观粒子的平均自由行程相接近时 一、 导热理论基础 傅里叶定律不适用的场合 傅里叶定律的适用条件 ： 均匀的连续介质 各向同性介质 g r a d tq一、 导热理论基础 1.3 导热系数 导热系数的定义式 ： 导热系数是 表征材料导热能力的物理量， 是重要的热物性参数 。 大小取决于物质的结构、状态、容重、湿度、密度、压力和温度等 。 一、 导热理论基础 一定温度范围内， 导热
3、系数可认为是温度的线性函数 )1(0 bt 气体的导热机理： 气体的导热是 分子热运动和相互碰撞时所实现的能量传递 。 气体导热系数范围： 0.0060.6W/(m K) 气体的 导热系数一般与压力无关 ； 温度升高，气体的导热系数增大 气体的导热系数 一、 导热理论基础 液体的导热机理： 液体导热是通过晶格的振动来 实现能量的传递 。 液体导热系数范围： 0.070.7W/(m K) 一般液体的 导热系数随 温度的升高而减小， 0-120oC的水及甘油除外。 液体的导热系数 一、 导热理论基础 金属的导热机理： 金属导热主要是通过自由电子相互作用和碰撞来 实现能量的传递 。 金属导热系数范围
4、： 12 418W/(m K) 纯金属的导热系数最高， 合金的导热系数低于纯金属 ；纯金属的 导热系数随 温度的升高而减小，一般合金的导热系数随温度的增加而增加。 金属的导热系数 固体 液体 气体 金属 非金属 一、 导热理论基础 室温条件下， 0 b 2 D 、 1 2 3221 tttt 例题讲解 2. 炉墙平壁用两层同样厚度的保温材料保温，两种材料的导热系数为常数，分别为 1、 2， 且 1 2 ， 下列说法正确的是（） A、将 2 的材料放在内侧保温效果好 B、将 1 的材料放在内侧保温效果好 C、无论保温材料如何放置，效果相同 D、无法确定 例题讲解 3. 热力管道外用两层保温材料保
5、温，两种材料的导热系数为常数，分别为 1、 2， 且 1 2 ， 下列说法正确的是（） A、将 2 的材料放在内侧保温效果好 B、将 1 的材料放在内侧保温效果好 C、无论保温材料如何放置，效果相同 D、无法确定 例题讲解 4. 当导热过程在两个直接接触的固体之间进行，为了减小接触热阻，下列做法错误的是（） A、降低接触面的粗糙度 B、增大接触面的挤压压力 C、在接触面之间衬以导热系数大且硬度大的材料 D、在接触面之间涂上一层导热系数大的油脂 例题讲解 5. 有一房间，外墙厚度为 400mm,室内墙表面温度为 25oC，室外墙表面温度为 -15oC，则外墙的 温度梯度 为（） A、大小为 25
6、oC/m，方向垂直于外墙，指向室外 B、大小为 25oC/m，方向垂直于外墙，指向室内 C、大小为 100oC/m，方向垂直于外墙，指向室外 D、大小为 100oC/m，方向垂直于外墙，指向室内 例题讲解 6. 锅炉炉墙由三层平壁组成，内层是耐火砖层，外层是红砖层，中间是石棉保温层。由内到外三层的厚度和导热系数分别是 1 = 0.23m， 1 = 1.20W/(mK)； 2 = 0.05m， 2 = 0.095W/(mK)； 3 = 0.24m， =0.06W/(mK)。炉墙内侧烟气温度 tf1 = 511oC，烟气侧表面换热系数 h1 = 35W/(m2K) ；炉墙外空气温度 tf2= 22
7、oC，空气侧表面换热系数 h2 = 15W/(m2K) ，该传热过程的传热系数及通过炉墙的热损失为 （） A、 0.82 0.83W/(m2K) ， 400 410W/m2 B、 0.84 0.85W/(m2K) ， 420 430W/m2 C、 1.10 1.12W/(m2K) ， 580 590W/m2 D、 1.201.22W/(m2K) ， 590 600W/m2 例题讲解 6. 锅炉炉墙由三层平壁组成，内层是耐火砖层，外层是红砖层，中间是石棉保温层。由内到外三层的厚度和导热系数分别是 1 = 0.23m， 1 = 1.20W/(mK)； 2 = 0.05m， 2 = 0.095W/(
8、mK)； 3 = 0.24m， =0.06W/(mK)。炉墙内侧烟气温度 tf1 = 511oC，烟气侧表面换热系数 h1 = 35W/(m2K) ；炉墙外空气温度 tf2= 22oC，空气侧表面换热系数 h2 = 15W/(m2K) ，该传热过程的传热系数及通过炉墙的热损失为 （） , 炉墙内外壁的温度？ A、 0.82 0.83W/(m2K) ， 400 410W/m2 B、 0.84 0.85W/(m2K) ， 420 430W/m2 C、 1.10 1.12W/(m2K) ， 580 590W/m2 D、 1.201.22W/(m2K) ， 590 600W/m2 例题讲解 6. 已知
9、一平壁传热过程的传热系数为 100W/(m2K) ，热流体侧的表面传热系数为 200W/(m2K) ，冷流体侧的表面传热系数为250W/(m2K)，平壁单位面积的导热热阻为 （） , A、 0.01 m2K /W B、 0.001 m2K /W C、 0.02 m2K /W D、 0.002 m2K /W 例题讲解 7. 有一厚度为 50mm的无限大平壁，其稳态温度分布为 t = 200 2000x2 ，大平板的导热系数为 40W/(mK) ，大平壁中的内热源强度为 （） , A、 0 B、 8000W/m3 C、 8000W/ m3 D、 160000W/ m3 022 vqx t 例题讲解
10、 8. 半径为 3mm的电线包一层厚 3mm，导热系数为 = 0.086W/(mK) 的橡胶， 设完橡胶厚其外表面与空气间的传热系数为 h1 = 11.6W/(mK) ，计算热绝缘直径，并分析橡胶的作用 （） A、 14.8mm，减少散热 B、 14.8mm，增强散热 C、 12.0mm，增强散热 D、 12.0mm，减少散热 例题讲解 9. 等截面直肋，为提高肋片效率，下列方法正确的是 （） A、 增加肋片的导热系数 B、 增大肋片的表面传热系数 C、 减小肋片厚度 D、 增加肋片的长度 例题讲解 10. 室外电线的电流保持不变，当去掉绝缘层后电缆的温度变化为 （） A、 温度不变 B、 温
11、度降低 C、 温度升高 D、 不能确定 三、 非稳态导热 导热微分方程中 t/不等于 0，意味着 任何非稳态导热过程必伴随着加热或冷却过程 ； 在垂直于热量传递方向上， 每一截面的热流量不相等 ； 非稳态导热可分为 周期性和非周期性 两种类型。非周期性非稳态导热存在受初始条件影响的 非正规状况阶段 和初始条件影响消失只受边界条件和物性影响的 正规状况阶段 数学描述 3.1 非稳态导热的特点 vqztytxttc )(2222223.1 非稳态导热的特点 3.2 对流边界条件下的非稳态导热 Bi 准则 Bi = h/，表示物体 内部的导热热阻 /与 外部对流换热1/h热阻 的比； Bi , 对流
12、换热热阻趋于零，第三类边界条件转化为第一类边界 ； Bi 0， 导热热阻趋于 0， 物体内部温度趋于一致，温度分布与空间位置无关 Bi中定性尺寸的确定： 球、柱体取半径 R； 大平壁取厚度 2的一半 ； 不规则体取体积与表面积的比 V/A 3.2 对流边界条件下的非稳态导热 一维非稳态导热的三种情形 )0(1 Bih )1(1 OBih )(1 Bih3.2 对流边界条件下的非稳态导热 集总参数法 物体内的温度分布 ： 适用条件 ： Bi 0.1，瞬态导热的加热和冷却问题，可用集总参数法 求解 例题讲解 2. 一体积为 20cm 30cm 60cm的铁块，导热系数为 64W/mK，突然置于平均
13、表面换热系数为 12 W/m2 K 的自然对流环境中，求其 Bi数，并判断其是否可采用集总参数法（） A、 0.011，不可以 B、 0.011，可以 C、 0.009，不可以 D、 0.009，可以 例题讲解 3. 一直径为 0.5mm的热电偶，材料的导热系数为 125W/mK， = 8930kg/m3， c = 400J/(kg K) 。热电偶的初始温度为 25oC，突然放入 120oC的气流中，热电偶表面与气流间的对流换热系数为 95 W/m2 K ，求热电偶的过余温度到初始过余温度 1%所需的时间为（） s A、 8 12 B、 13 17 C、 18 22 D、 23 27 )e x
14、 p (0 cVhA 例题讲解 4. 采用集总参数法计算物体非稳态导热时，下列用以分析和计算物体的特征长度的方法中，错误的是（） A、对于无限长圆柱 L= R/2，对于圆球体 L= R/3， R为半径 B、对于无限大平板 L = ， 为平板厚度的一半 C、对于不规则物体 L = V/F D、对于普通圆柱 L = R， R为半径 四、 导热问题的数值解 有限差分法是把物体分割为有限数目的网格， 在网格节点上将微分方程变为代数离散，通过数值计算求解代数方程组求取网格节点的温度 。 4.1 有限差分法的原理 四、 导热问题的数值解 4.2 建立离散方程的方法 泰勒级数展开法 一阶导数展开 kikikittt 1)( 1)( kikikittt向前差分 向后差分 二阶导数展开 2,1,1,2
