热工导热PPT课件.ppt

传热学 HeatTransfer 1 概述 一传热学 HeatTransfer 1 研究有温差存在时热量传递规律的科学 热量传递的机理 规律 计算和测试方法 2 热量传递过程的推动力 温差热力学第二定律 热量可以自发地由高温热源传给低温热源 有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力 2 二 传热学与工程热力学的关系 热力学 传热学 热科学 ThermalScience 系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少 关心的是热量传递的过程 即热量传递的速率 3 又例 内燃机气缸工作时热量传递的情况 从传热学角度出发 所要研究的问题 冷却水 高温燃气 这些问题用热力学的方法是无法解决的 即传热的方式和规律 即传热的速率 t f x y z t f 4 由此 1 热力学处理的是系统与环境相互作用的最终状态 平衡态 可逆过程 传热学讨论的是有温差存在的不可逆 非平衡态 是研究热量的传递过程 2 热力学中热量的单位是焦耳 J 传热学中热量的传递速率用W J s 5 三 传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍 b夏天人在同样温度 如 25度 的空气和水中的感觉不一样 为什么 1 日常生活中的例子 a人体为恒温体 若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度 那么在冬天与夏天 人在房间里所穿的衣服能否一样 为什么 6 c北方寒冷地区 建筑房屋都是双层玻璃 以利于保温 如何解释其道理 越厚越好 结合实际问题进行传热分析是学习传热学后应掌握的基本功 7 四 热量传递的三种基本方式 一 导热 热传导 Conduction 热量传递的三种基本方式 导热 热传导 对流 热对流 和热辐射 1 定义 温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时 依靠分子 原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象 2 机理 液体 气体 固体的导热机理是不同的 8 气体 由气体分子相互碰撞 热量从高温传向低温 导电固体 由自由电子在晶格中碰撞起导热作用 液体 有两种观点1 与气体相似 有分子热运动传递热量 2 与非导电固体相似 以弹性波的形式传递热量 非导电固体 通过晶格振动来实现 弹性波 9 3 导热的特点 a必须有温差 b物体直接接触 c依靠分子 原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量 d在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中 10 二 对流 热对流 Convection 2 对流换热 当流体流过一个物体表面时的热量传递过程 它与单纯的对流不同 具有如下特点 a导热与热对流同时存在 定义 流体中温度不同的各部分之间 发生相对的宏观运动把热量由一处传递到另一处的现象 对流必然伴随着导热 即对流总是和流体分子的导热作用同时发生 11 b必须有直接接触 流体与壁面 和宏观运动 也必须有温差c壁面处会形成速度梯度很大的边界层 对流换热是流体宏观热运动 对流 与流体微观热运动 导热 联合作用的结果 12 当流体与壁面有温度差时 每单位壁面面积上 单位时间内所传递的热量 Convectionheattransfercoefficient 5 对流换热系数 表面传热系数 表面传热系数不是物性参数 影响h因素 流速 流体物性 壁面形状大小等表1 1给出了h大致范围 h相变 h强迫对流 h自然对流 13 Thermalresistanceforconvection 6 对流换热热阻 对流换热热阻 对流换热面阻 14 三 热辐射 thermalconductivity 定义 因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射 2 机理 由电磁波的形式传递能量 3 与导热和对流区别 1 导热 对流中都必须在有物质存在 而热辐射可以在真空中传递 2 有能量形式的变化本身的内能变为辐射能并以电磁破的形式向外传播 吸收辐射能后又将辐射能变为热 内 能 15 4 生活中的例子 a靠近火时 会感到面向火的一面比背面热 b冬天的夜晚 呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服 c太阳能传递到地面d冬天 蔬菜大棚内的空气温度在0 以上 但大棚外地面却可能结冰 热能辐射能 发射 吸收 16 6 辐射换热的特点 a不需要冷热物体的直接接触 即 不需要介质的存在 在真空中就可以传递能量b在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换物体热力学能电磁波能物体热力学能 5 辐射换热 温度不同的物体 由于辐射而发生的热量传递现象称为辐射换热 它与单纯的热辐射不同 就像对流和对流换热不同一样 当两物体处于热平衡时 辐射换热量为零 但辐射还在进行 17 c无论温度高低 物体都在不停地相互发射电磁波能 相互辐射能量 高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量 总的结果是热由高温传到低温 18 第十章导热 19 10 1导热基本定律 一 温度场 Temperaturefield 某时刻空间所有各点温度分布的总称温度场是时间和空间的函数 即 稳态温度场 Steady stateconduction 非稳态温度场 Transientconduction 20 等温面上没有温差 不会有热量传递 不同的等温面之间 有温差 有热量传递 物体的温度场通常用等温面或等温线表示 21 温度梯度 Temperaturegradient 注 温度梯度是矢量 正向朝着温度增加的方向 沿等温面法线方向上的温度增量与法向距离比值的极限 22 二 导热基本定律 Fourier slaw 导热基本定律 垂直导过等温面的热流密度 正比于该处的温度梯度 方向与温度梯度相反 热导率 导热系数 Thermalconductivity 23 直角坐标中 注 傅里叶定律只适用于各向同性材料 各向同性材料 导热系数在各个方向是相同的 有些天然和人造材料 如 石英 木材 叠层塑料板 叠层金属板 其导热系数随方向而变化 各向异性材料 24 25 一 导热问题主要任务 二 导热微分方程式 10 2导热微分方程式 HeatDiffusionEquation 理论基础 傅里叶定律 热力学第一定律 假设 1 所研究的物体是各向同性的连续介质 2 热导率 比热容和密度均为已知 确定热流密度的大小 确定物体内的温度场 26 假设 1 所研究的物体是各向同性的连续介质 2 热导率 比热容和密度均为已知 3 物体内具有内热源 强度qv W m3 内热源均匀分布 qv表示单位体积的导热体在单位时间内放出的热量 化学反应 发射 药熔化过程 27 若物性参数 c和 均为常数 热扩散率表征物体被加热或冷却时 物体内各部分温度趋向于均匀一致的能力 Thermaldiffusivity 在同样加热条件下 物体的热扩散率越大 物体内部各处的温度差别越小 28 导热微分方程式 稳态导热 常物性 小结 29 若物性参数为常数 无内热源 稳态导热 1 a的物理意义 3 a与 的区别 都为物性参数 物理意义不同 2 a的特点 稳态导热时 a体现不出来 30 10 3通过平壁 圆筒壁的导热 本节将针对一维 稳态 常物性 无内热源情况 考察平板和圆柱内的导热 直角坐标系 31 带入Fourier定律 线性分布 热阻分析法适用于一维 稳态 无内热源的情况 32 2多层平壁的导热 多层平壁 由几层不同材料组成 例 房屋的墙壁 白灰内层 水泥沙浆层 红砖 青砖 主体层等组成 边界条件 热阻 假设各层之间接触良好 可以近地认为接合面上各处的温度相等 33 由热阻分析法 问 现在已经知道了q 如何计算其中第i层的右侧壁温 第一层 第二层 第i层 34 单位 传热系数 多层平壁 第三类边界条件 35 3单层圆筒壁的导热 圆柱坐标系 一维 稳态 无内热源 常物性 第一类边界条件 a 假设单管长度为l 圆筒壁的外半径小于长度的1 10 36 对上述方程 a 积分两次 第一次积分 第二次积分 应用边界条件 获得两个系数 将系数带入第二次积分结果 显然 温度呈对数曲线分布 37 圆筒壁内温度分布 圆筒壁内温度分布曲线的形状 38 圆筒壁内部的热流密度和热流分布 长度为l的圆筒壁的导热热阻 虽然是稳态情况 但热流密度q与半径r成反比 39 4n层圆筒壁 由不同材料构成的多层圆筒壁 其导热热流量可按总温差和总热阻计算 通过单位长度圆筒壁的热流量 40 单层圆筒壁 第三类边界条件 稳态导热 通过单位长度圆筒壁传热过程的热阻 mK W 41 1 单层圆筒壁 思考 温度分布应如何求出 2 多层圆筒壁 通过球壳的导热自己推导 42 4 通过接触面的导热 实际固体表面不是理想平整的 所以两固体表面直接接触的界面容易出现点接触 或者只是部分的而不是完全的和平整的面接触 给导热带来额外的热阻 当界面上的空隙中充满导热系数远小于固体的气体时 接触热阻的影响更突出 接触热阻 当两固体壁具有温差时 接合处的热传递机理为接触点间的固体导热和间隙中的空气导热 对流和辐射的影响一般不大 Thermalcontactresistance 43 1 当热