1、傳熱學(xué)熱傳導(dǎo)PPT課件傳熱學(xué)熱傳導(dǎo)PPT課件23.1 概 述傳遞過程動(dòng)量傳遞能量傳遞質(zhì)量傳遞流體力學(xué)傳熱學(xué)傳質(zhì)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域：各種工業(yè)窯爐及換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)；核能、火箭等尖端技術(shù)；太陽(yáng)能、地?zé)崮芎凸I(yè)余熱利用；農(nóng)業(yè)、生物、地質(zhì)、氣象等部門。主要傳熱問題：一類是求解局部或者平均的傳熱速率的大??；另一類求解研究對(duì)象內(nèi)部的溫度分布。43.1 概 述傳遞過程動(dòng)量傳遞能量傳遞質(zhì)量傳遞流體力學(xué)傳熱3傳導(dǎo)傳熱對(duì)流換熱熱輻射傳熱過程與換熱器5傳導(dǎo)傳熱傳熱學(xué)基礎(chǔ)（重點(diǎn)掌握）傳熱的基本方式與熱流速率的基本方程傳熱熱阻（類比電阻）傳熱學(xué)基礎(chǔ)（重點(diǎn)掌握）傳熱的基本方式與熱流速率的基本方程53.1.1 傳熱的基本方式與熱流速

2、率的基本方程 熱力學(xué)第二定律：熱量總是自發(fā)地、不可逆地從高溫處流向低溫處。傳熱機(jī)理熱傳導(dǎo)熱對(duì)流熱輻射傳熱過程與時(shí)間的關(guān)系穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)即：有溫差存在，就會(huì)出現(xiàn)熱量的傳遞。73.1.1 傳熱的基本方式與熱流速率的基本方程 熱力學(xué)第6熱傳導(dǎo)：兩個(gè)相互接觸的物體或同一物體的各部分之間由于溫差而引起的熱量傳遞現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱。通常發(fā)生在固體與固體之間。 通過平板的一維導(dǎo)熱 1) 對(duì)于x方向上一個(gè)厚度為dx的微元層，單位時(shí)間內(nèi)通過該層的導(dǎo)熱熱量一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱傅里葉定律數(shù)學(xué)表達(dá)式8熱傳導(dǎo)：兩個(gè)相互接觸的物體或同一物體的各部分之間由于溫差而7熱對(duì)流：依靠流體的運(yùn)動(dòng)，而引起流體與固體壁表面之間的傳熱。有流體參與，通常

3、發(fā)生在氣-固、液-固之間。 有相變的對(duì)流換熱對(duì)流換熱量的基本計(jì)算式牛頓冷卻公式（1701年提出）：引起流體流動(dòng)的原因?qū)釤釋?duì)流共同作用對(duì)流換熱自然對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱凝結(jié)換熱9熱對(duì)流：依靠流體的運(yùn)動(dòng)，而引起流體與固體壁表面之間的傳熱。輻射換熱輻射吸收共同作用8熱輻射：依靠物體表面對(duì)外發(fā)射可見和不可見的電磁波來傳遞能量。輻射換熱特征傳熱方式：非接觸能量的轉(zhuǎn)移中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換影響因素：溫度以及物體的屬性和表面狀況。物體內(nèi)能電磁波能物體內(nèi)能不需要直接接觸。輻射換熱輻射吸收共同作用10熱輻射：依靠物體表面對(duì)外發(fā)射可見9斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律： 黑體是指能吸收投入

4、到其表面上的所有熱輻射能的物體。經(jīng)驗(yàn)修正四次方定律例：兩塊非常接近的互相平行的壁面間的輻射換熱: 斯蒂芬-玻爾茲曼系數(shù)物體輻射率，其值111斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律103.1.2 傳熱熱阻類比熱量傳遞與電量傳遞變形歐姆定律:傳熱熱阻類比123.1.2 傳熱熱阻類比熱量傳遞與電量傳遞變形歐姆定律:11問題：冷、熱流體通過一塊大平壁交換熱量的穩(wěn)態(tài)傳熱過程。傳熱過程包括三個(gè)環(huán)節(jié)，熱流體與壁面高溫側(cè)的熱量傳遞；穿過固體壁的導(dǎo)熱；壁面低溫側(cè)與冷流體的熱量傳遞。穩(wěn)態(tài)，通過串聯(lián)著的每個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量Q相同。設(shè)平壁表面積為A。解：分析：13問題：冷、熱流體通過一塊大平壁交換熱量的

5、穩(wěn)態(tài)傳熱過程。傳傳導(dǎo)傳熱（重點(diǎn)掌握）基本概念物質(zhì)的導(dǎo)熱特性導(dǎo)熱微分方程與定解條件穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的計(jì)算非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的計(jì)算（集總參數(shù)法）傳導(dǎo)傳熱（重點(diǎn)掌握）基本概念133.2 傳導(dǎo)傳熱3.2.1 基本概念溫度場(chǎng)：某一時(shí)刻空間各點(diǎn)溫度的分布。穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)： 一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) ：等溫面與等溫線：溫度場(chǎng)中同一瞬間同溫度各點(diǎn)連成的面稱為等溫面；不同的等溫面與同一平面相交，則在此平面上構(gòu)成一簇曲線，稱為等溫線。153.2 傳導(dǎo)傳熱3.2.1 基本概念溫度場(chǎng)：某一時(shí)刻空間14溫度梯度：自等溫面上某點(diǎn)到另一個(gè)等溫面，以該點(diǎn)法線方向的溫度變化率為最大。以該點(diǎn)法線方向?yàn)榉较?，?shù)值正好等于這個(gè)最大溫度變化率的矢量稱為溫度梯度，用

6、gradt表示，正向是朝著溫度增加的方向。熱流密度矢量(熱流矢量) 取等溫面上某點(diǎn)，以通過該點(diǎn)最大熱流密度的方向?yàn)榉较?，?shù)值正好等于沿該方向熱流密度的矢量稱為熱流密度矢量(熱流矢量）。16溫度梯度：自等溫面上某點(diǎn)到另一個(gè)等溫面，以該點(diǎn)法線方向的溫度梯度表示的傅里葉定律： 溫度梯度表示的傅里葉定律： 163.2.2 物質(zhì)的導(dǎo)熱特性導(dǎo)熱系數(shù)：物體中單位溫度降度單位時(shí)間通過單位面積的導(dǎo)熱量。是物質(zhì)的固有屬性之一，衡量物質(zhì)的導(dǎo)熱能力，大小取決于材料的成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密度、溫度、壓力和含濕量。隨T ,隨T ,規(guī)律不同。不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)保溫材料：導(dǎo)熱系數(shù)不大于0. 2w/(m.k)。保溫機(jī)理：多孔狀。一

7、般工程應(yīng)用壓力范圍內(nèi)，認(rèn)為k僅與溫度有關(guān)，183.2.2 物質(zhì)的導(dǎo)熱特性導(dǎo)熱系數(shù)：物體中單位溫度降度單能量方程：微元體熱力學(xué)能(內(nèi)能)增量：可逆膨脹功：摩擦耗散功：1）直角坐標(biāo)系3.2.3 導(dǎo)熱微分方程與定解條件能量方程：微元體熱力學(xué)能(內(nèi)能)增量：可逆膨脹功：摩擦耗散功18導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱泊松方程拉普拉斯方程導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源、一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱熱擴(kuò)散率內(nèi)部溫度均勻化的能力20導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源導(dǎo)熱系數(shù)為常2）徑向坐標(biāo)系圓柱坐標(biāo)系球坐標(biāo)系2）徑向坐標(biāo)系圓柱坐標(biāo)系球坐標(biāo)系20定解條件包括：幾何條

8、件 、物理?xiàng)l件 、初始條件和邊界條件。 三類邊界條件第一類邊界條件非穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)第二類邊界條件第三類邊界條件：穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)與時(shí)間無關(guān)與時(shí)間函數(shù)關(guān)系幾何條件：給定導(dǎo)熱體的幾何形狀、尺寸及相對(duì)位置物理?xiàng)l件： =0時(shí)，導(dǎo)熱體內(nèi)的溫度分布。穩(wěn)態(tài)無初始條件。導(dǎo)熱體各物理參數(shù)的大小、內(nèi)熱源分布狀況邊界條件：給定導(dǎo)熱體各邊界上的熱狀態(tài)。初始條件：或非穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)22定解條件包括：幾何條件 、物理?xiàng)l件 、初始條件和邊界條件213.2.4 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析與計(jì)算 通過單層平壁的導(dǎo)熱1) 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱已知:平壁的兩個(gè)表面分別維持均勻且恒定的溫度tw1和tw2，無內(nèi)熱源，壁厚為。 解：導(dǎo)熱系數(shù)k常數(shù)，無內(nèi)熱源、一維、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分

9、方程式t=C1x+C2 x= 0 時(shí)t= tw1x=時(shí)t= tw2 表面積為A 233.2.4 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析與計(jì)算 通過單層平壁的導(dǎo)熱1)22 通過多層平壁的導(dǎo)熱已知：各層的厚度1、2、3，各層的導(dǎo)熱系數(shù) k1 、k2和k3及多層壁兩表面的溫度tw1和tw4。 解：求：各層間分界面上的溫度。24 通過多層平壁的導(dǎo)熱已知：各層的厚度1、2、3232524 通過圓筒壁的導(dǎo)熱已知：一個(gè)內(nèi)外半徑分別為 r1 、r2的圓筒壁，其內(nèi)、外表面溫度分別維持均勻恒定的溫度t1和t2。 求：通過圓筒壁的導(dǎo)熱量及壁內(nèi)的溫度分布。解：r = r1時(shí) t = t1 r = r2時(shí) t = t2通過多層圓筒壁的導(dǎo)熱一維、

10、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源柱體導(dǎo)熱26 通過圓筒壁的導(dǎo)熱已知：一個(gè)內(nèi)外半徑分別為 r1 、r25多維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱a、二維、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題分析解法矩形區(qū)域中的二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（0 xb，0y） 例：二維矩形物體的三個(gè)邊界溫度均為t1，第四個(gè)邊界溫度為t2，無內(nèi)熱源，導(dǎo)熱系數(shù)k為常數(shù)，確定物體中的溫度分布。 解：用分離變量法，設(shè)(x,y)=X(x)Y(y)，并利用傅里葉級(jí)數(shù)，得：過余溫度27多維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱a、二維、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題分析解法矩形區(qū)域中的26b、形狀因子法例：一傳達(dá)室，室內(nèi)面積為34(m2)，高度為2.8m，紅磚墻厚度為240mm，紅磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.43W/(m.K)。已知墻內(nèi)表面溫度為20，外表面溫度為5 ，

11、求通過傳達(dá)室四周墻壁的散熱量。解：形狀因子28b、形狀因子法例：一傳達(dá)室，室內(nèi)面積為34(m2)，高273.2.5 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱瞬態(tài)導(dǎo)熱：物體的溫度隨時(shí)間的推移逐漸趨近于恒定的值周期性導(dǎo)熱：物體的溫度隨時(shí)間周期性變化非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱基本概念物體的溫度變化過程：非正規(guī)狀態(tài)階段正規(guī)狀態(tài)階段溫度分布主要受初始溫度分布控制溫度分布主要取決于邊界條件及物性穩(wěn)態(tài)階段293.2.5 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱瞬態(tài)導(dǎo)熱：物體的溫度隨時(shí)間的推移逐28以第三類邊界條件為重點(diǎn)ttfhtfhx0問題的分析 如圖所示，存在兩個(gè)換熱環(huán)節(jié)：a 流體與物體表面的對(duì)流換熱環(huán)節(jié) b 物體內(nèi)部的導(dǎo)熱有如下三種可能：對(duì)流換熱很快，忽略對(duì)流傳導(dǎo)換熱很快，忽略

12、導(dǎo)熱都存在正規(guī)狀態(tài)階段非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的溫度變化規(guī)律30以第三類邊界條件為重點(diǎn)ttftfx0問題的分析a 流29畢渥數(shù)BiBi 準(zhǔn)數(shù)對(duì)無限大平壁溫度分布的影響與外界條件無關(guān)與內(nèi)部條件無關(guān)同時(shí)受內(nèi)部、外界條件影響31畢渥數(shù)BiBi 準(zhǔn)數(shù)對(duì)無限大平壁溫度分布的影響與外界條30集總參數(shù)法分析求解1 定義：忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻、認(rèn)為物體溫度均勻一致分析方法。此時(shí) ，溫度分布只與時(shí)間有關(guān)，即 ，與空間位置無關(guān)，因此，也稱為零維問題。 2 溫度分布如圖所示，任意形狀的物體，參數(shù)均為已知將其突然置于溫度恒為t的流體中。求物體溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系32集總參數(shù)法分析求解1 定義：忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻、認(rèn)為物31忽略內(nèi)

13、部熱阻（t=f()）、非穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源，能量方程可化為：初始條件控制方程其中 應(yīng)看成是廣義熱源，即界面上交換的熱量可折算成整個(gè)物體的體積熱源 集總參數(shù)法方程令過余溫度tt，有：積分33忽略內(nèi)部熱阻（t=f()）、非穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源，能量方程32對(duì)上式進(jìn)行整理，得：令： 為時(shí)間常數(shù)，表示物體蓄熱量與表面換熱量之比當(dāng)c：當(dāng)4c：工程上認(rèn)為此時(shí)已達(dá)到熱平衡狀態(tài)當(dāng)0：物體在不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程中所經(jīng)歷時(shí)間的長(zhǎng)短。Fo越大，熱擾動(dòng)就能越深入地傳播到物體內(nèi)部，物體內(nèi)度就越接近周圍介質(zhì)的溫度。34對(duì)上式進(jìn)行整理，得：令： 為33在物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻可以忽略時(shí)，上式適用于冷卻，加熱場(chǎng)合，又稱為牛頓冷卻或牛頓加熱。對(duì)于球、板和柱體，當(dāng)Bi滿足：無限大平板，M1無限長(zhǎng)圓柱，M1/2球，M1/3可以采用集總參數(shù)法進(jìn)行分析。采用此判據(jù)時(shí)，物體中各點(diǎn)過余溫度的差別小于5%35在物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻可以忽略時(shí)，上式適用于冷卻，加熱場(chǎng)合，34例：一直徑為5cm的鋼球，初始溫度為450，突然被置于溫度為30的空氣中。設(shè)鋼球表面與周圍環(huán)境間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為24W/(m2K)，試計(jì)算鋼球冷卻到300所需的時(shí)間。已