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1、第四章第四章 传热原理传热原理本章教学内容本章教学内容 概概 述述第一节第一节 导导 热热第二节第二节 对流换热对流换热第三节第三节 辐射换热辐射换热第四节第四节 综合传热综合传热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院概概 述述 传热学传热学 传热现象传热现象 传热方式传热方式材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院传热传热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院低温端高温端基本传热方式基本传热方式材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院基本传热方式基本传热方式导热
2、导热 它是由于物体各部分的直接接触、弹性波的作用、原子它是由于物体各部分的直接接触、弹性波的作用、原子或分子的扩散。自由电子的扩散所引起的能量转移。或分子的扩散。自由电子的扩散所引起的能量转移。特点：特点：物体各部分之间不发生宏观相对位移。物体各部分之间不发生宏观相对位移。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院 热量从铁丝的高热量从铁丝的高温端传递到低温端，温端传递到低温端，但铁丝外观未变化。但铁丝外观未变化。 基本传热方式基本传热方式对流对流 在硅酸盐生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面在硅酸盐生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传递
3、。直接接触时的热量传递。 对流只能在流体中出现，不存在单纯的对流现象。对流只能在流体中出现，不存在单纯的对流现象。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院火焰通过周围气体火焰通过周围气体的运动对流能将热的运动对流能将热量从周围向其它地量从周围向其它地方传递方传递基本传热方式基本传热方式辐射辐射是一种由电磁波来传播能量的现象。是一种由电磁波来传播能量的现象。 特点是不仅产生能量的转是一种由电磁波来传播能量特点是不仅产生能量的转是一种由电磁波来传播能量的现象移，而且伴随能量形式的变化。的现象移，而且伴随能量形式的变化。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工
4、程学院材料科学与工程学院太阳能以辐射形式透太阳能以辐射形式透过广阔真空，传递到过广阔真空，传递到地球，不需要媒介。地球，不需要媒介。综合传热综合传热 实际传热过程实际传热过程往往是三种基本方式的复杂组合。往往是三种基本方式的复杂组合。第一节第一节 导导 热热一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律二、导热系数二、导热系数 传热现象传热现象三、导热微分方程三、导热微分方程四、无热源的稳定态导热四、无热源的稳定态导热五、具有内热源热源的稳定态导热五、具有内热源热源的稳定态导热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及
5、定律材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律温温度度场场材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律温温度度场场材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院热量从高温面热量从高温面向其对面传递向其对面传递一维稳定温度场：一维稳定温度场：t=f(x)一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律温温度度场场材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院热量从高温面向热量从高温面向侧面、对
6、面传递侧面、对面传递二维稳定温度场：二维稳定温度场：t=f(x,y)一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律温温度度场场材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院热量从高温面向热量从高温面向两侧面、对面、两侧面、对面、上下底面传递上下底面传递三维稳定温度场：三维稳定温度场：t=f(x,y,z)等等温温面面和和等等温温线线一、一、一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院等温面被平面所切等温面被平面所切产生等温线产生等温线温温度度梯梯度度一、
7、一、一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律 沿等温面法线方向的温度变化率称为沿等温面法线方向的温度变化率称为温度梯度。温度梯度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院注意：温度梯度方向注意：温度梯度方向指向温度升高方向，指向温度升高方向，与热流方向相反与热流方向相反tt-tt+t热热流流和和热热量量一、一、一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院稳稳态态传传热热和和非非稳稳态态传传热热 一、一
8、、一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院傅傅立立叶叶定定律律 一、一、一、一、导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律导热的基本概念及定律 在导热现象中，单位时间内通过单位面在导热现象中，单位时间内通过单位面积的热量与温度梯度成正比，在一维温度场积的热量与温度梯度成正比，在一维温度场中，中，材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院 热流的方向热流的方向与温度梯度相反与温度梯度相反导热系数导热系数二、二、导热系数导热系数材料
9、科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院(w/m.）二、二、导热系数导热系数材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院二、二、导热系数影响因素导热系数影响因素材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院三、三、导热微分方程导热微分方程 根据傅立叶定律：在根据傅立叶定律：在d dt t时间内，沿时间内，沿x, y, x, y, z z轴通过相应面传入的热量：轴通过相应面传入的热量：材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院三、三、三、三、导热微分方程导热微分方程导热微分方程导热微分
10、方程 在在d dt t时间内，沿时间内，沿x x轴通过相应面传出的热量：轴通过相应面传出的热量： 由热导引起的净热量：由热导引起的净热量：材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院三、三、三、三、导热微分方程导热微分方程导热微分方程导热微分方程 在在d dt t时间内，在时间内，在y,zy,z轴由热导引起的净热轴由热导引起的净热量：量： 总的净热量总的净热量：材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院傅傅立立叶叶导导热热微微分分方方程程三、三、三、三、导热微分方程导热微分方程导热微分方程导热微分方程热量流入引起热焓的增量：热量流入引起
11、热焓的增量：则有：则有：a为导温系数。为导温系数。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院三、三、三、三、导热微分方程导热微分方程导热微分方程导热微分方程材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院三、三、三、三、导热微分方程导热微分方程导热微分方程导热微分方程材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院四、四、无热源的稳定态导热无热源的稳定态导热（一）平壁导热（一）平壁导热（二）圆筒壁导热（二）圆筒壁导热（三）球壁导热（三）球壁导热（四）形状不规则物体的导热（四）形状不规则物体的导热（五）表面温度不均匀时
12、平均温度的计算（五）表面温度不均匀时平均温度的计算（六）接触热阻（六）接触热阻材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（一）平壁导热（一）平壁导热单单层层平平壁壁的的导导热热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院单单层层平平壁壁的的导导热热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院导热与导电的类比导热与导电的类比导热与导电的类比导热与导电的类比材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院导热导热比较比较电流从高电位到
13、低电位电流从高电位到低电位电流电流产生电流的基本条件是电位差产生电流的基本条件是电位差物体对电流有电阻物体对电流有电阻热流量与温度差成正比热流量与温度差成正比与热阻成反比与热阻成反比热流从高温到低温热流从高温到低温热流热流产生热流的基本条件是温度差产生热流的基本条件是温度差物体对热流有热阻物体对热流有热阻热流量与温度差成正比热流量与温度差成正比与热阻成反比与热阻成反比导电导电（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院l l不不为为常常数数时时单单层层平平壁壁的的导导热热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导
14、热（一）平壁导热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院l l不不为为常常数数时时单单层层平平壁壁的的导导热热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热根据边界条件：根据边界条件：x=0, t=tx=0, t=t1 1 材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院l l不不为为常常数数时时单单层层平平壁壁的的导导热热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热根据边界条件：根据边界条件：x=x=d d, t=t, t=t2 2 材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院l l不不
15、为为常常数数时时单单层层平平壁壁的的导导热热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热 b b为正值时，高温为正值时，高温区导热系数比低温区导热系数比低温区大，温度梯度在区大，温度梯度在高温区导热系数比高温区导热系数比低温区小，曲线上低温区小，曲线上凸。反之曲线下凹。凸。反之曲线下凹。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院多多层层平平壁壁的的导导热热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院复复合合平平壁壁的的导导热热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热（
16、一）平壁导热 材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院复复合合平平壁壁的的导导热热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热（一）平壁导热 材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（二）圆筒壁导热（二）圆筒壁导热单单层层圆圆筒筒壁壁的的导导热热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院 若圆筒若圆筒LDLD，而温度仅沿半径而温度仅沿半径发生变化，属于单向稳定传热。发生变化，属于单向稳定传热。单单层层圆圆筒筒壁壁的的导导热热（二）圆筒壁导热（二）圆筒壁导热（二）圆筒壁导热（二）圆筒壁导热材料科学与工程学
17、院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院单单层层圆圆筒筒壁壁的的导导热热（二）圆筒壁导热（二）圆筒壁导热（二）圆筒壁导热（二）圆筒壁导热为单层圆筒壁的热阻。为单层圆筒壁的热阻。 当当r2/r1yd d/5/5材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（五）表面温度不均匀（五）表面温度不均匀时平均温度的计算时平均温度的计算材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（1）表面温度相差不大）表面温度相差不大（2）表面温度变化较大时，可将全部面积划分为若干区，每一区）表面温度变化较大时，可将全部面积划分为若干区，每一区 用上述
18、方法算出平均温度，计算出该区热量，总热量为：用上述方法算出平均温度，计算出该区热量，总热量为：将表面分成将表面分成n块小面积块小面积分区面积相分区面积相等等（六）接触热阻（六）接触热阻 多层平壁、多层圆筒多层平壁、多层圆筒壁和符合平壁中，由于接壁和符合平壁中，由于接触面并非完全光滑，两层触面并非完全光滑，两层的面与面之间只能部分接的面与面之间只能部分接触，不接触部分形成空隙，触，不接触部分形成空隙，空隙中充满空气。由于空空隙中充满空气。由于空气导热系数比固体材料导气导热系数比固体材料导热系数小得多，从而在界热系数小得多，从而在界面出产生一附加热阻，并面出产生一附加热阻，并引起温度降落，这种热阻
19、引起温度降落，这种热阻称为称为接触热阻。接触热阻。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（六）接触热阻（六）接触热阻 p 接触热阻的大小主要取决于表面粗糙程度；接触热阻的大小主要取决于表面粗糙程度；p 接触面上压力增大热阻减小；接触面上压力增大热阻减小；p 热阻还与空隙中介质性质有关热阻还与空隙中介质性质有关p 可在接触界面上加铜皮等减小热阻。可在接触界面上加铜皮等减小热阻。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院五、五、具有内热源的稳定态导热具有内热源的稳定态导热（一）（一）具有内热源的具有内热源的平壁导热平壁导热（二）（二
20、）具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和圆筒壁导热圆筒壁导热（三）（三）具有内热源的具有内热源的球体导热球体导热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（一）（一）具有内热源的具有内热源的平壁导热平壁导热问题：均匀内热源问题：均匀内热源q qv v，无限大平壁，平壁两表无限大平壁，平壁两表面温度均匀且稳定。面温度均匀且稳定。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（一）（一）（一）（一）具有内热源的具有内热源的具有内热源的具有内热源的平壁导热平壁导热平壁导热平壁导热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科
21、学与工程学院（二）（二）具有内热源的具有内热源的长圆柱体和长圆柱体和圆筒壁导热圆筒壁导热 问题：均匀内热源问题：均匀内热源q qv v，表面温度，表面温度t tw w，长圆柱体。长圆柱体。长长圆圆柱柱体体导导热热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（二）（二）（二）（二）具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和圆筒壁导热圆筒壁导热圆筒壁导热圆筒壁导热 稳态导热，单位时间内稳态导热，单位时间内内热源散发内热源散发的热等于表面热损失：的热等于表面热损失：长长圆圆柱柱体体导导热热 最高温度在圆柱体中心最高温度在圆柱体
22、中心材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（二）（二）（二）（二）具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和圆筒壁导热圆筒壁导热圆筒壁导热圆筒壁导热长长圆圆柱柱体体导导热热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（二）（二）（二）（二）具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和圆筒壁导热圆筒壁导热圆筒壁导热圆筒壁导热圆圆筒筒壁壁导导热热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（二）（二）（二）（二）具有内热
23、源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和具有内热源的长圆柱体和圆筒壁导热圆筒壁导热圆筒壁导热圆筒壁导热圆圆筒筒壁壁导导热热材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（三）（三）具有内热源球体的具有内热源球体的导热导热问题：均匀内热源问题：均匀内热源q qv v，表面温度，表面温度t tw w。 稳态导热，单位时稳态导热，单位时间内间内内热源散发的热内热源散发的热等于表面热损失：等于表面热损失：材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（三）（三）（三）（三）具有内热源球体的具有内热源球体的具有内热源球体的具有内热源球
24、体的导热导热导热导热可得：可得：材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院本节学习要点本节学习要点1. 1. 温度场温度场 温度梯度温度梯度 热流热流 传热量传热量 稳定态态传热和稳定态态传热和核不稳定态传热核不稳定态传热 傅立叶定律傅立叶定律2. 2. 导热系数导热系数( (平均导热系数平均导热系数) )3. 3. 导热微分方程的基本形式导热微分方程的基本形式( (直角坐标和柱坐标直角坐标和柱坐标) )4. 4. 导温系数及其意义导温系数及其意义5. 5. 无热源的稳定态导热无热源的稳定态导热 (1)(1)平壁导热平壁导热( (单层单层 多层多层 复合复合) ) (2) (2)圆筒壁导热圆筒壁导热( (单层单层 多层多层 近似处理近似处理) ) (3) (3)接触热阻接触热阻本节学习要点本节学习要点6. 6. 具有内热源的稳定态导热具有内热源的稳定态导热 (1)(1)平壁导热平壁导热 (2)(2)长圆柱体和圆筒壁导热长圆柱体和圆筒壁导热思考题与习题思考题与习题思考题思考题1921922-22-22-32-32-4 2-52-62-7习题习题P193P1932-52-52-82-82-102-10材料科学与工程系材料科学与工程系材料科学与工程系材料科学与工程系
