第二章 传热原理

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1、1第二章 传热原理2013-9-222(1) 日常生活中的例子：日常生活中的例子：B B 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，如何解释其道理？玻璃越厚越好？如何解释其道理？玻璃越厚越好？A A 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：2525度）的空气和度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？水中的感觉不一样。为什么？ 2.1 引言引言3C. 住新房和旧房的感觉一样么住新房和旧房的感觉一样么？新房比较冷新房比较冷D. 同样是同样是 -6的气温，在南京比在北京感觉冷一些的气温，在南京比在北京感觉冷一些4(2) 在材料技术领域大量存在传热问题在材料技术领域大量

2、存在传热问题5 水泥生产的热耗理论热耗：理论热耗：1630-1800 KJ/kg ；实际热耗：实际热耗：3400-7500KJ/kg6() 在材料技术领域存在节能问题在材料技术领域存在节能问题7 传热学传热学是研究热能传递的一门科学。热量总是自动从高温物体向低温物体传递，就象水总是自动从高处流向低处、电流总是自动从高电位流向低电位一样。在自然界和人类社会活动中总是普遍存在温度差，因此普遍存在着热量传递。这是自然界的客观规律。 8 传热：热量传递的过程 基本条件：物体间存在温度差低温端高温端9目的与意义： 研究传热学的目的目的就是要运用各种有效的方法强化对生产有益的传热过程，削弱对生产无益的传热

3、过程，最大限度提高热工设备的热效率，实现优质、高产、低消耗的目的。因此，学习传热的基本原理，掌握热工设备的传热过程，具有十分重要的意义。 10基本传热方式 导热 对流 辐射11导热：指由于物体各部分的直接接触、弹性波的作用，原子或分子的扩散以及自由电子的扩散等所引起的能量转移。或，依靠物体微观粒子的热运动而传递热量。特点：物体各部位不发生宏观位移12 对流：是指各部分发生相对位移而引起的能量转移。 特点：发生相对位移，只能在液体和气体中出现。13 热辐射：是一种由电磁波来传播能量的现象。 特点：不仅要产生能量的转移，而且还伴随着能量形式之间的转化，即从热能转化为辐射能或者相反地从辐射能转化成热

4、能。 不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。一般只有在物体的温度大于400才有明显的热辐射。14152.2 导导 热热一一. . 有关导热的基本概念有关导热的基本概念dAdQq 传热量传热量Q 与热流与热流q ：传热量（传热量（Q） ：单位时间内通过总传热面单位时间内通过总传热面F传递的热量。传递的热量。单位：单位：w热流（热流（q ）：）：单位时间内，通过单位面积传递的热量。单位时间内，通过单位面积传递的热量。单位：单位：w/m2或或 Q= qF162. 温度场：温度场：定义：在某一瞬间，物体内部所有各点温度的分布情况，称定义：在某一瞬间，物体内部所有各点温度的分布情况，称为温度场，以数学

5、式表示如下：为温度场，以数学式表示如下： ,zyxfT 稳定温度场：稳定温度场： zyxfT, 一维稳定温度场：一维稳定温度场： xfT 17一维稳定温度场高温端低温端等温线183. 稳定传热与不稳定传热：稳定传热与不稳定传热：稳定传热：稳定传热：不稳定传热：不稳定传热：传热过程中，如果传热系统中各处温度只随位置而变，而传热过程中，如果传热系统中各处温度只随位置而变，而不随时不随时间而变间而变，称此过程为稳定传热过程。此时，传热量，称此过程为稳定传热过程。此时，传热量Q = const。传热过程中，如果传热系统中各处温度及有关物理量（如传热过程中，如果传热系统中各处温度及有关物理量（如Q、q等

6、）等）随时间而变，称此过程为不稳定传热过程。随时间而变，称此过程为不稳定传热过程。19等温面和等温线：等温面和等温线：等温面：在温度场中，把同一瞬间具有相同温度的各点相等温面：在温度场中，把同一瞬间具有相同温度的各点相连接，得到的一个面成为等温面。连接，得到的一个面成为等温面。性质：性质： 各等温面不相交；各等温面不相交； 同一等温面上的各点温度相同无热量传递；同一等温面上的各点温度相同无热量传递； 等温线的疏密可直观反映出不同区域温度梯等温线的疏密可直观反映出不同区域温度梯 度（即热流密度）的相对大小；度（即热流密度）的相对大小； 等温面法线方向上的温差变化率最大。等温面法线方向上的温差变化

7、率最大。tt-tt-tt+tt等温线：等温面与其它任意平面的交线。等温线：等温面与其它任意平面的交线。定义：定义：20温度梯度：温度梯度：定义：等温面法线方向上的温度变化率。定义：等温面法线方向上的温度变化率。xtxtgradTx 0lim温度梯度温度梯度说明：说明： 温度梯度是矢量，方向垂直于等温面，以温升方向为正方向；温度梯度是矢量，方向垂直于等温面，以温升方向为正方向； 一维稳定温度场：一维稳定温度场：dxdtgradT 216.6.导热机理：导热机理：气体分子不规则运动时相互碰撞；气体分子不规则运动时相互碰撞；导电固体自由电子（良的电导体也是导电固体自由电子（良的电导体也是好的热导体）

8、；好的热导体）；非导电固体晶格振动产生的弹性波；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。液体兼有气体和非导电固体的机理。22二二. 导热速率基本方程导热速率基本方程傅立叶傅立叶(Fourier)定律定律实验证明：在导热现象中，单位时间内通过单位面实验证明：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。积的热量与温度梯度成正比。即：即：23说明：说明： “”表明热流方向与温度梯度方向相反；表明热流方向与温度梯度方向相反； 比例系数，称导热系数，单位：比例系数，称导热系数，单位： W/(m)； 傅里叶定律是实验定律，普遍适用于各向同性材料（导热系傅里叶定律是实

9、验定律，普遍适用于各向同性材料（导热系 数在各个方向是相同的），对于各向异性物体，热流密度矢数在各个方向是相同的），对于各向异性物体，热流密度矢 量的方向不仅与温度梯度有关量的方向不仅与温度梯度有关,还与热导率的还与热导率的方向性有关方向性有关, 因因 此热流密度矢量与温度梯度不一定在同一条直线上；傅里叶此热流密度矢量与温度梯度不一定在同一条直线上；傅里叶 定律适用于工程技术中的一般稳态和非稳态导热问题，对于定律适用于工程技术中的一般稳态和非稳态导热问题，对于 极低温（接近于极低温（接近于0K）的导热问题和极短时间产生极大热流）的导热问题和极短时间产生极大热流 密度的瞬态导热过程密度的瞬态导热

10、过程, 如大功率、短脉冲如大功率、短脉冲(脉冲宽度可达脉冲宽度可达10-12 10-15s)激光瞬态加热等激光瞬态加热等, 傅里叶定律不再适用。傅里叶定律不再适用。 24xyqxqyqnxy25三三. . 导热系数导热系数物理意义：物理意义： 单位温度梯度（单位温度梯度（1/m）时的导热流（）时的导热流（W/m2）；）； 表示物质导热能力的强弱；是物质的一种物理性质；表示物质导热能力的强弱；是物质的一种物理性质； = f（物质的结构、组成、密度、温度、压强、湿度等）（物质的结构、组成、密度、温度、压强、湿度等）通常：金属非金属固体及液体气体导热系数通常：金属非金属固体及液体气体导热系数 2.3

11、417 0.162.2 0.0930.7 0.00580.58 Km/WxtdqxtdAdQ 26固体的导热系数：固体的导热系数： 纯金属：纯金属：T，纯度，纯度（依靠自由电子的迁（依靠自由电子的迁 移和晶格的振动，主要依靠前者）移和晶格的振动，主要依靠前者） 合金纯金属：普通碳钢：合金纯金属：普通碳钢： = 45 W/(m) 不不 锈锈 钢：钢： = 16 W/(m )（依靠自由电子的迁移和晶格的振动；主要依靠后者）（依靠自由电子的迁移和晶格的振动；主要依靠后者） 非金属：非金属：，T （依靠晶格的振动传递热量；依靠晶格的振动传递热量；比较小）比较小）27常用固体材料在常用固体材料在0010