《传热原理课件》PPT课件

1,第二章传热原理,2,本章节主要内容：传热的基本概念传导传热对流换热辐射传热,3,传热学概述,传热学是研究热量传递规律的学科，其基础为热力学第一定律和热力学第二定律。,在材料技术领域大量存在传热问题,4,在材料技术领域存在节能问题,5,2.1传热基本概念,2.1.1传热基本条件,6,特点：物体各部位不发生宏观相对位移,热量从铁丝的高温端传递到低温端，但铁丝外观未变化。,2.1.2传热的基本方式,（1）传导传热：依靠物体微观粒子的热运动而传递热量。,7,导热机理：气体分子不规则运动时相互碰撞；导电固体自由电子；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。,8,（2）对流传热：依靠流体质点的宏观位移而传热。,火焰通过周围气体的运动对流能将热量从周围向其它地方传递,（3）辐射传热：不借助于媒介物，热量以热射线形式从高温物体传向低温物体,太阳能以辐射形式透过广阔真空，传递到地球，不需要媒介。,10,导热、对流、辐射的评述导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。,11,在辐射时，辐射体内热能辐射能；在吸收时，辐射能受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。,12,辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又称其为非接触性传热。热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。,13,稳定温度场：t=f(x,y,z),热量从高温面向其对面传递,2.1.3温度场等温面等温线温度梯度,（1）温度场,定义：传热过程中，物体内部所有点的温度分布情况。,不稳定温度场：t=f(x,y,z,),类型,14,热量从高温面向侧面、对面传递,15,热量从高温面向两侧面、对面、上下底面传递,16,等温面被平面所切产生等温线,定义：温度场中所有温度相同的点构成的面。,（2）等温面,（3）等温线,定义：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇。,17,等温面与等温线的特点：,（1）温度不同的等温面或等温线，彼此不能相交。（2）在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界上。（3）同一等温面、线上无热流，不同的等温面、线之间存在热流。（4）若温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。,18,（4）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。,(/m),(/m),注意：温度梯度方向指向温度升高方向，与热流方向相反,数学表达式：,单向稳定温度场：,19,2.1.4热流传热量,温度场内有温度差存在时，热量将从高温流向低温。热流定义：单位时间内，通过单位面积传递的热量称为热流，用q表示，单位W/m2。热流是矢量，与温度梯度方向相反。传热量：单位时间内，通过总传热面积F传递的热量，用Q表示。,（W）,20,2.1.5稳定传热与不稳定传热,21,2.2传导传热,2.2.1导热的基本定律（傅立叶定律）,数学表达式,热流的方向与温度梯度相反,（w/m2）,导热系数,单位时间、单位面积上通过的热量与温度梯度成正比。,内容,22,应用傅立叶定律时注意点：1、负号“”表示热量传递指向温度降低的方向，n是通过该点的等温线上法向单位矢量，指向温度升高的方向；2、热流方向总是与等温线（面）垂直；3、物体中某处的温度梯度是引起物体内部及物体间热量传递的根本原因；4、傅立叶定律是实验定律，是普遍适用的，即不论是否变物性，不论是否有内热源，不论物体的几何形状如何，不论是否非稳态，也不论物质的形态（固、液、气），傅立叶定律都是适用的。,23,2.2.2导热系数,(w/m.）,物体内温度梯度为1/m时，单位时间、单位面积上的传热量。,2.2.2.1气体导热系数大小：0.00580.58W/m.特点：（1）t,（2）在不太大的压力下,可以认为与压力无关（3）混合气体的导热系数不遵循加和法则。,24,2.2.2.2液体的导热系数=0.0930.7W/m.特点：除水、甘油外，一般液体t,2.2.2.3固体导热系数（1）金属=2.3418W/m.，纯银最大，纯铜次之特点：t,合金纯金属,（2）建筑材料=0.162.2W/m.,25,（4）绝热材料0.25W/m.特点：t,晶体,（3）耐火材料=1.116W/m.特点：t,，镁质耐火材料例外。,特点：t,与材料结构、空隙率、湿度、密度等因素有关。,26,说明：导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，与材料的种类和温度有关。单位：W/m。,27,2.2.2.4影响的因素,28,导热微分方程,热焓的增量=传入物体的热量传出物体的热量,29,2.2.3稳定导热传热量的计算2.2.3.1单层平壁导热,分离变量并积分:,据付立叶定律,30,平均温度时平壁的导热系数,单层壁的导热热阻：,单层壁的导热量：,热阻分析法适用于一维、稳态、无内热源的情况,31,导热,比较,电流从高电位到低电位,电流,产生电流的基本条件是电位差,物体对电流有电阻,热流量与温度差成正比与热阻成反比,热流从高温到低温,热流,产生热流的基本条件是温度差,物体对热流有热阻,热流量与温度差成正比与热阻成反比,导电,32,工程上的应用：,33,【例】假设某窑炉耐火砖壁厚0.5米，内壁面温度为1000，外壁面温度0，耐火砖导热系数为：=1.16（1+0.001t）w/m.，求通过炉壁的热流及炉壁内的温度分布？,34,（2）平壁的平均导热系数：,（3）平壁的热流：,（w/m.）,【解】（1）炉壁的平均温度:,35,2.2.3.2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,假设各层之间接触良好，可以近似地认为接合面上各处的温度相等,36,如图：三层壁厚度分别为1、2、3，平均导热系数分别为1、2、3，各层材料间接触良好，相接触的两表面具有相同的温度。,稳定传热q=q1=q2=q3,据单层平壁导热公式可推得：,37,n层平壁的导热：,多层壁的导热与串联电路类似,总热阻为各层热阻之和,38,应用公式注意的问题,39,交界面温度未知,热流,（W/m.）,（W/m.）,(W/m2),【例】设有一窑墙，用粘土砖和红砖砌筑，厚度均为230毫米，窑墙内表面温度1200，外表面温度100，求每平方米窑墙散热损失（粘土砖=0.70+0.5510-3t，红砖=0.46+0.4410-3t）。,【解】假设交界面温度为600，则：,40,校核交界面温度：,（）,与假设相比，误差=,重新假设交界面温度为830,（W/m.）,（W/m.）,误差超过5%,热流,(W/m2),41,（）,校核交界面温度：,与假设温度相比，误差,由此可知窑墙散热损失2080w/m2。,误差小于5%,42,【例】：某窑炉炉墙由耐火粘土砖、硅藻土砖与红砖砌成，硅藻土砖与红砖的厚度分别为40mm和250mm，导热系数分别为0.13和0.39W/m，如果不用硅藻土层，但又希望窑炉墙的散热维持原状，则红砖必须加厚到多少毫米？,43,2.2.3.3复合平壁导热,复合壁：高度和宽度方向上，由几种不同材料砌成。,2、3、4应接近,利用热阻串联和并联的方法确定总热阻R,44,2.2.3.4单层圆筒壁导热,据付立叶定律可导出公式:,45,:,对数平均半径,对数平均面积,圆筒壁热阻,公式另一表达式:,当r2/r1T2T3T4T5,142,（1）某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；（2）在某一温度下，其辐射能力随波长而变化：0，E,00；，E,0；达到最高值后，E,0。（3）温度愈高，最大辐射强度的波长愈短；（4）温度在2000K以下，辐射波长大部分在0.7610m的范围内，可见光比例相当小，可以忽略。但随温度升高，可见光比例在不断增加。,对E曲线的讨论：,143,（2）维恩（Wien）位移定律,反映出黑体温度越高其单色辐射力最大值所对应的波长越短的黑体辐射特征，也就是黑体温度越高能量分布就越向波长短方向集中的特征。,物理意义：最大辐射强度的波长与绝对温度的乘积为一常数,式2-94,144,试解释：为什么随着金属温度升高，其表面颜色从暗红逐渐变白？,145,将代入式2-93，求得黑体最大单色辐射力：,表明：最大单色辐射力与开氏温度的五次方成正比。,146,（3）斯蒂芬-波尔茨曼（Stefan-Boltzmann)定律,式中，C0=5.67W/(m2K4)，黑体辐射系数,（W/m2）,物理意义：说明黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比。表明：黑体辐射力仅与温度有关，随黑体温度升高其辐射力迅速增大。,147,黑体辐射函数：,反映黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力,特定波长区段内的黑体辐射力,148,沿法线方向：,（4）兰贝特（Lambert)定律（余弦定律）,表明：黑体表面的辐射力在半球空间不同方向上的分布规律（沿表面法线方向最大，切线方向最小）。,方向辐射力,辐射强度,149,（5）灰体,1）黑度与灰体,单色黑度,01,150,理想灰体（简称灰体）,任何温度下所有各波长射线的单色辐射力恰都是同温度下相应黑体单色辐射力的分数。,表明：灰体的单色辐射力都处于同一波长，即单色黑度不随波长而变，且等于总辐射的黑度。,151,2）单色吸收率,物体对某种波长辐射能的吸收率称为单色吸收率，用A表示,黑体的A不随波长变化而变化，且等于1；灰体A的也不随波长变化而变化，且小于1；实际物体的A随波长变化而变化，但在波长大于1的热射线范围，A随波长变化很小，可看作为常数,152,3）有关辐射的几个概念,153,样品,黑体空腔,（6）克希霍夫定律（Kirchhoff）定律,该定律确定了物体的辐射力与吸收率之间的关系。,EF,E0FA,154,物理意义：任何物体的辐射能力与其吸收率之间的比值，恒等于同温度下黑体的辐射能力，并且只和温度有关，与物体的性质无关。同时，善于吸收的物体也善于辐射。黑体的吸收率最大，因而辐射能量就最强。,克希霍夫定律：,155,即：,克希霍夫定律另一表达式：,任何物体的吸收率等于同温度下的黑度,对于某一波长的单色辐射：,156,Kirchhoff定律的限制：（1）整个系统处于热平衡状态；（2）如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；（3）投射辐射源必须是同温度下的黑体。,157,综上所述，影响物体间相互辐射换热的因素，除了物体的温度、黑度、吸收率外，还有物体的尺寸、形状和相对位置等几何关系。,158,2.3.3.1角系数,F1对F2的角系数,F2对F1的角系数,表示：从物体1向半球空间辐射的能量投射到物体2表面上的分数。,角系数,2.3.3物体间的辐射换热,159,角系数的性质,160,一个物体表面辐射出去的能量，可能投向自身,161,透热体,如果在物体1与物体3之间设有一个不透体，则有：,162,分解性,163,常见的几种角系数值,A、两个无限大的平行平面(如图a),B、一个平面1和一个曲面2组成的封闭体系(如图b),164,C、一个物体1被另一个物体2包围(如图c),对于物体1：,对于物体2：,165,D、两个曲面组成的封闭体系(如图d),根据兼顾性：,同理，对于2：,166,2.3.3.2两个黑体间的辐射换热,黑休辐射换热的电热网络图,167,2.3.3.3灰体间的辐射换热,灰体表面对外界投射的投射能只能吸收其中一部分，其余部分被反射回去（反射到另一表面或反射到体系的外面），灰体之间形成多次反复辐射、逐次吸收。投射辐射（G）：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能量。有效辐射（J）：单位表面积在单位时间内辐射出去的总能量。,168,有效辐射,自身射辐射E,投入辐射被反射辐射的部分RG,169,从表面外部来观察，其能量收支差额应等于有效辐射与投入辐射之差，即,从表面内部观察，该表面与外界的辐射换热量应为：,170,灰体的有效辐射,离开表面的净辐射换热量,当A=时,灰体辐射换热的表面热阻,（W）,171,两灰体表面间的净辐射换热:,电网络单元,空间热阻,172,式（2-147）,表面热阻,空间热阻,173,两灰体表面之间的导来黑度:,两灰体表面间辐射换热计算式:,影响其辐射传热的三个基本因素：两灰体的温度差、角系数和系统的导来黑度。,式（2-148）,174,增强辐射换热可采取的措施：提高高温物体的温度；增大低温物体的面积；采用较大黑度的材料。,削弱辐射换热可采取的措施：降低辐射物体的温度；缩小辐射物的表面积；减小系统的导来黑度。,175,几种特殊情况：,两个物体均为无限大的平行平面,如果两平行平面中：12（或21）则：122（或121）,176,当两个物体中有一个为凸面（或平面）时：,如果两物体中，F2F1，则：121。说明了：大表面的黑度对系统的导来黑度影响很小，可以忽略不计。,177,【例】计算在厂房内的蒸气管道外表面每米长的辐射热损失。已知管外保温层的黑度10.9，外径d583mm，外壁面温度t150，室温t220。,178,【解】,属一个物体被另一个物体包围时的辐射换热因为管道表面积F1相对于厂房面积F2来说是很小,121,179,三个灰体表面的辐射换热计算,180,对于节点1：,对于节点2：,对于节点3：,181,a有一个表面为黑体。黑体的表面热阻为零。其网络图如下：,两个重要特例,182,b有一个表面绝热，即该表面的净换热量为零。其网络图见下图：,183,遮热板遮热板指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板。加入遮热板相当于增加了辐射热阻，以