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1、第二章 传热原理绪论一、基本概念 1传热学：传热学是研究热量传递规律的学科。1) 物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传向低温部分； 2) 物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体传向低温物体。由于自然界和生产技术中几乎均有温差存在，所以热量传递已成为自然界和生产技术中一种普遍现象。 2热量传递过程：根据物体温度与时间的关系，热量传递过程可分为两类：（ 1 ）稳态传热过程；（ 2 ）非稳态传热过程。 1） 稳态传热过程：凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程。 2） 非稳态传热过程：凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程均称非稳态传热过程。各种热力设备
2、在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热过程。 二、讲授传热学的重要性及必要性 1 传热学是热工系列课程教学的主要内容之一，是热能动力专业必修的专业基础课。是否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到后续专业课的学习效果。 2 传热学在生产技术领域中的应用十分广泛。如：热能动力学、环境技术、材料学、微电子技术、航空航天技术存在着大量的传热学问题，而且起关键性作用。随着大规模集成电路集成温度的不断提高，电子器件的冷却问题越显突出。3 传热学的发展和生产技术的进步具有相互依赖和相互促进的作用。传热学在生产技术发展中已成为一门理论体系初具完善
3、、内容不断充实、充满活力的主要基础科学。高参数大容量发电机组的发展，原子、太阳、地热能的利用，航天技术、微电子技术、生物工程的发展，推动传热学的发展，而传热学的发展又促进生产技术的进步发展。同时，随着生产技术及新兴科学技术的发展，又向传热学提出了新的挑战和新的研究课题。 三、传热学的特点、研究对象及研究方法 1特点 理论性、应用性强。传热学是热工系列课程内容和课程体系设置的主要内容之一。是一门理论性、应用性极强的专业基础课，在热量传递的理论分析中涉及到很深的数学理论和方法。在生产技术领域应用十分广泛，在生产技术发展中已成为一门理论体系初具，内容不断完善、充实，充满活力的主要基础科学。传热学的发
4、展促进了生产技术的进步，而新兴科学技术的发展向传热学提出了新的课题和新的挑战。 2研究对象 传热学研究的对象是热量传递规律。 3研究方法 研究的是由微观粒子热运动所决定的宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻求热量传递的规律，认为研究对象是个连续体，即各点的温度、密度、速度是坐标的连续函数，即将微观粒子的微观物理过程作为宏观现象处理。 第一节 导热一、教学要求【掌握内容】1 传热的基本条件与基本方式2 温度场、等温面、等温线和温度梯度的概念3 热流量和传热量的概念4 掌握稳定传热与不稳定传热的概念5 导热的基本定律的表达式及物理意义6 物质导热系数的意义7 稳定态平壁的导热量计算8 稳定态单层圆
5、筒壁及球壁的导热量计算【理解内容】1 各种传热方式的传热机理2 等温面、等温线的性质3 各种不同物质导热系数的范围及影响因素4 稳定态多层圆筒壁的导热量计算5 稳定态单层球壁的导热量计算【了解内容】1 稳定态复合平壁的导热2 稳定态多层球壁的导热量计算3 稳定态不规则物体的导热量计算4 表面温度不均时平均温度的计算二、教学重点与难点【教学重点】1 温度场、等温面、等温线和温度梯度的概念2 热流量、传热量和稳定传热与不稳定传热的概念3 导热的基本定律及导热系数4 稳定态平壁的导热量计算5 稳定态非平壁的导热量计算【教学难点】1 稳定态多层平壁的导热量计算2 稳定态非平壁的导热量计算三、教学方法从
6、生活或生产上的传热现象引入，讲解基本概念及基本原理，教学中注意分解难点，要讲、练结合，培养学生的分析计算能力。四、教学内容一、导热的基本概念及定律（一）温度场1定义：传热过程中，物体内部所有点的温度分布情况。温度场内各点的温度与位置有关，同一点的温度还随时间推移而有所不同。一般地，物体的温度分布是坐标和时间的函数。 即： t = f (x, y, z, )其中 x、 y、 z 为空间坐标， 为时间坐标。 2温度场分类 稳定温度场：是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随时间的改变而变化的温度场称稳态温度场，其表达式 t = f (x, y, z)。 非稳定温度场：是指在变动工作条件下，物体中各点
7、的温度分布随时间而变化的温度场称非稳态温度场，其表达式 t = f (x, y, z, )。若物体温度仅一个方向有变化，这种情况下的温度场称一维温度场。（二）等温面与等温线和温度梯度1等温面与等温线定义 等温面：温度场中所有温度相同的点构成的面。等温线：等温面与其它任意平面的交线。性质 同一瞬间，不同的等温面、线不可能相交。 连续的温度场中，等温面、线连续。 同一等温面、线上无温度变化，也就没有热量传递，热量传递只发生在不同的等温面、线之间。2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。数学表达式 (/m) 稳定、单向温度场中： (/m)物理意义：说明沿着等温
8、面的法线方向，单位距离的温度变化。注意：温度梯度正方向指向温度升高的方向。（三）热流和传热量传热量-热量：单位时间内，经面积 F 传递的热量，用 Q 表示。单位 J/s 或 W。热流：单位时间内，单位面积上传递的热量，用 q 表示，单位为 W/m2。两者的关系：Q=qF注意：热流是矢量，它的正方向指向温度降低的方向，与温度梯度的方向相反。（四）稳定态传热和不稳定态传热稳定传热：在稳定温度场内的传热，特点是传热量不随时间变化。即： ，不稳定传热：在不稳定温度场内的传热，特点是传热量随时间变化。即： ，（五）傅里叶定律定义：在导热现象中，单位时间内通过给定截面所传递的热量，正比例于垂直于该截面方向
9、上的温度变化率，而热量传递的方向与温度升高的方向相反。一维温度场数学表达式： （Wm 2）xtq（负号表示热量传递方向与温度升高方向相反）xtq式中 导热系数，（ Wm 2）在 x 方向上的温度梯度，mt二、导热系数导热系数是衡量物质导热能力的物理量。导热系数含义：物体内温度梯度为 1 / m 时，单位时间、单位面积的传热量。各种物质的导热系数都是用实验方法测得。（一）气体的导热系数大小：=0.00580.58W/m。气体的导热是由气体分了的热运动和相互碰撞作用而传递能量的。特点：=f ( t) 温度增大导热系数增大在不太大的压力下，可以认为 与压力无关。（二）液体的导热系数大小：0.0930
10、.7 W/m。液体的导热主要是由分子振动产生的一些不规则的弹性波来传递能量的过程。特点：除了水和甘油以外，其余的液体的导热系数随温度的上升略有减小，受压力影响很小。（三）固体的导热系数固体传导热能的形式：晶格的振动和自由电子的迁移。（1）金属金属的导热主要依靠自由电子的迁移，因而良好的导电体就是良好的导热体。大小：2.3428 w/m ，纯银最大，纯铜次之。特点：温度上升导热系数下降，晶格振动影响自由电子的迁移。金属内含杂质时，其导热系数降低， 合金 t2）。是一维稳定的温度场。这类导热问题的数学表达式为： ，02dxt积分得： ，t=C 1x+C2，dx积分常数 C1 和 C2 可根据边界条
11、件：在 x=0 处，t=t 1 求得 在 x= 处，t =t2将其代入积分结果，得：t 1=C2t2=C1 +C2= C1 + t1t可得平壁内的温度分布方程： （），表明平壁内的温度分布是12txt一条直线。根据傅里叶定律， 或 ，ttdxtq12 FtqQ表示单位面积上的热阻，以符号 Ri 表示，单位为 m2W -1。【例】设某窑炉的砖壁厚为 0.5m。内壁面温度为 1000，外壁面温度为 50，耐火砖有导热系数 1.16（10.001t ）,求通过炉壁的热流 q 及炉壁内的温度分布？【解】（1）计算炉壁的平均温度()52ttav（2）计算导热系数：W/(m)7.10.16.avt（3）计
12、算热流：（W/m 2）365.q（4）计算温度分布：分别计算距炉内表面距离 x=0.1，0.2，0.3，0.4m 处的 tx，根据可计算得出分别为：810，620，430，240() 。12txt2多层平壁的导热对每层可按单层平壁导热的计算公式写出： ，在稳定状3421tttq态下，通过各层的热流都相等，又和比定律得： （W/m 2），n 层的情况3214t可依此类推。（二）圆筒壁的导热1单层圆筒壁的导热导热系数为 的材料制成内半径为 r1，外半径为 r2 的单层圆筒壁，内外表面的温度分别为 t1 和 t2。圆筒壁的长度很长，沿长度方向的导热系数的变化忽略不计，温度仅沿半径方向变化。将直角坐标
13、系转化成柱坐标系，则温度仅沿半径方向变化，因此也是一维温度场，可将傅立叶导热微分方程化简为： 02drt列出边界条件：当 r=r1 时，t=t 1当 r=r2 时，t=t 2求解微分方程，并由边界条件确定积分常数，得出圆筒内部温度分布方程： 121121lnlndttrtt 从上式可以看出，温度分布按对数曲线变化，因为有：将其代入傅立叶定律表达式中，则得传热量公式为：rtdrtln12（W）122112 lnlnlndttrrtldrtFQ其中分母部分 是单层筒壁的热阻。12l当 时，可近似得把圆筒壁的问题当作平壁问题来处理，厚度为 r2-r1，导热面积21r按平均半径 求出。一般窑炉的拱顶可
14、按平壁来处理，误差小于 4。22单层圆筒壁的导热可参照前面多层平壁的导热情况进行处理。（三）球壁的导热1单层空心球壁设有单层空心球，内外半径各为 r1 和 r2，内表面温度为 t1，外表面温度为 t2，球壁的导热系数 为常数。根据傅立叶定律，通过球壁的热量为：分离变量：积分得：几何平均面积：球壁厚度或 单层球壁导热热阻：【例】有一中空铁球，内径为 150mm，外径为 300mm，球内、外表面温度分别为 t1=248及 t2=38，已知铁的导热系数为 73（W/m ）求球壁向外的导热量以及球壁中心的温度。【例】球壁厚度 s= = (0.30.15)= 0.075（m）球壁中心处的直径 d = d
15、1+s = 0.15+0.075=0.225(m)球壁向外的导热量= =28900(W)球壁中心处的温度为：= =108()2多层空心球壁参照前面的方法，可以推导出 n 层球壁传热公式：（W）或 （W）【例】蒸汽管道内径、外径各为 0.16 m、0.17 m ，外包两层绝缘材料，第一层厚度0.03m，第二层厚度 0.05 m，管壁及两层绝缘材料的平均导热系数各等于 1=81.5 w/m.，2=0.174 w/m.， 3=0.093 w/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、t 3。【解】已知：d 1=0.16m，d 2=0.17m，d 3=0.17+0.06=0.23m，d 4=0.23+0.1=0.33m，（w/m）交界面温度：（）（）五、有内热源的稳定态导热此部分内容作为自学内容。第二节 对流换热一、教学要求【掌握内容】(1)对流换热及其影响因素；(2)用分析方法求解对流换热问题的实质。【理解内容】(1) 对流换热概述； (2)对流换热的数学描写； (3)对流换热的边界层微分方
