第2章-导热基本理论-1素材.ppt

1、绪论 基本要求,（1）掌握热量传递三种基本方式的物理概念、基本公式和基本特点。 （2）了解导热系数、表面传热系数、传热系数的物理意义和单位。 （3）灵活运用大平壁的稳态导热公式、对流传热的牛顿冷却公式、热辐射的四次方定律等计算公式进行相关物理量的计算。 （4）掌握传热过程和热阻的概念。,第2章导热的理论基础,导热基本概念 导热基本定律 物质的导热特性 导热问题的数学描述 导热微分方程和定解条件,从宏观角度介绍：,了解,掌握,了解,了解,2-1 基本概念和导热基本定律,主要内容： （1）基本概念； （2）导热基本定律 傅里叶定律。,导热的基本概念,1、温度场 某一瞬间物体内各点温度的集合。 物体

2、的温度场是空间和时间的函数。 数学表达式：,空间坐标,时间,标量场,举例：炉火中铁棒的温度分布： 火中一端温度很高，而手握端温度较低：与位置有关； 手握一端慢慢变烫：与时间有关,导热问题研究的目标之一就是确定物体的温度场，本质上就是求温度t 的数学表达式。,2.1.1 温度场和温度梯度,（1）温度场分类,按时间性质分为： 非稳态温度场物体内各点温度随时间而变化； 稳态温度场 物体内各点温度不随时间变化。 按空间性质分为: 三维温度场温度在空间三个方向上均有变化； 二维温度场温度在空间两个方向上发生变化； 一维温度场温度仅在空间一个方向上有变化。 导热分类： 稳态导热 非稳态导热,一维导热 二维

3、导热 三维导热,导热的基本概念,（2）等温面与等温线,温度场中同一瞬间温度相同的各点连成的面等温面； 在二维平面上等温面表现为等温线。 等温面上任何一条线都是等温线。 可用一组等温面或等温线表示温度场。,导热的基本概念,叶轮叶片,内燃机活塞的温度场,埋深1.5m的非保温输油管道周围地层的温度场,导热的基本概念,（2）等温面和等温线,等温线的特点：, 同一瞬间温度不同的等温线不可能相交。 对于连续介质，等温线是连续的，不可能中断。 要么终止于物体的边界，要么自身构成封闭曲线。 等温线上温度相等，沿等温线无热量传递。 等温线的疏密表示了温度变化的剧烈程度。,同一时刻，同一地点不可能有两个温度。,导

4、热的基本概念,温度间隔相同， 等温线越密集，温度变化越剧烈。,2、温度梯度 temperature gradient,温度间隔相同，路径不同时， 温度变化率不相同。 等温面法线方向上的距离最短， 温度变化最剧烈。 温度梯度等温面法线方向的温度变化率矢量。,温度梯度是个矢量，沿等温面法线指向温度升高的方向。,法线方向上的单位矢量,导热的基本概念,P,法线 方向,在直角坐标系中，温度梯度表示为：,温度在x、y、z 方向的偏导数,x、y、z 方向的单位矢量,2、温度梯度 temperature gradient,导热的基本概念,负的温度梯度- gradt 称为温度降度。 其数值与温度梯度相同，但方向

5、相反； 其方向指向温度降低的方向。,2.1.2 导热基本定律傅里叶定律,傅里叶（ Fourier）于1822年提出了著名的导热基本定律，指出了导热的热流密度矢量与温度梯度之间的关系。 在任意时刻，各向同性介质内任意位置处的热流密度，在数值上与温度梯度的大小成正比，方向相反。,温度梯度是物体内以导热方式进行热量传递的根本原因。,导热的基本定律,热流密度是一个矢量，与温度梯度位于等温线上的同一法线上，但方向相反，永远指向温度降低的方向。,法线 方向,对于各向同性介质，各方向上热导率相等：,导热的基本定律,傅里叶定律的适用范围,（1）傅里叶定律只适用于各向同性物体。 对于各向异性物体，热流密度矢量的

6、方向不仅与温度梯度有关，还与导热系数的方向性有关。 因此热流密度矢量与温度梯度不一定在同一条直线上。 （2）傅里叶定律不适用于非傅里叶导热问题。 深冷（温度接近于0K）中的导热问题， 极短时间产生大热流密度的瞬态导热过程（如激光加工）等。 （3）傅里叶定律普遍适用于工程技术中的一般导热问题，无论稳态导热还是非稳态导热。,导热的基本定律,傅里叶定律的作用,1、已知物体的温度分布，即可利用傅里叶定律求出温度场内任意一点的热流密度值。 2、更为重要的作用，给出了热导率的定义式。,导热的基本定律,2-2 物质的导热特性,主要内容： （1）导热系数的定义式及物理意义； （2）导热系数的影响因素； （3）

7、不同物质导热系数的变化规律。,导热系数的定义式,表示物质导热能力的大小，非常重要的物性参数。 定义式： 物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热流密度的大小。 绝大多数材料的导热系数值可通过实验测得。,2-2 物质的导热特性,导热系数的大小与物质的种类、结构、物理状态（温度、压力、密度、湿度）等因素有关。,不同物质的导热系数相差很大,同种物质 固态 液态 气态 （金属铁除外，铁液 铁固） 晶体 非晶体 金属 非金属（差12个数量级） 纯金属其合金 导电体 非导电体 各向异性物体，还与方向有关。,2-2 物质的导热特性,一般情况下，,0C时：,一、物质导热系数的变化规律,2-2 物质的导

8、热特性,各向异性材料木材、石墨、云母、动植物的肌肉和纤维组织等。,纯金属 其合金 金属 非金属 导电体 非导电体,固态 液态 气态,晶体非晶体,0.0183,一般情况下， 固体 液体 气体,在物理状态如温度、压力、密度、湿度等影响因素中，以温度的影响最大、最重要。 所有物质的热导率都是温度的函数。,工程中，在温度变化范围不大的情况下， 绝大多数材料的导热导系数可近似地认为随温度呈线性变化： =0（1+b t） 0按上式计算0下的热导率值，并非真实值； b由实验确定的常数，其数值与物质的种类有关。,2-2 物质的导热特性,一、物质导热系数的变化规律,气体 气体导热的机理气体分子不规则热运动时相互

9、碰撞而造成能量交换的结果。 气体导热系数较小。 常温常压下一般0.0060.6 W/(mK) 温度 t 时，气体 。 压力影响。 理想气体值随压力变化很小； 实际气体值受压力影响较大如水蒸气等。 混合气体 值各组元值，实验测定。,一、物质导热系数的变化规律,2-2 物质的导热特性,气体分子间距离较大,=0（1+b t）,b气0,固体 导热机理：,2-2 物质的导热特性,纯金属 主要依靠自由电子的迁移,非金属固体 主要依靠晶格振动,即原子在其平衡位置附近的振动来实现,晶格振动所传递的能量比自由电子要弱得多，故其导热能力比导电体要差得多。,合金 纯金属掺入杂质，破坏了金属晶格结构的整齐性，干扰了自

10、由电子的定向运动，导热系数降低。,相差很大，随温度变化也不同。,固体 金属材料：常温下值大致范围 2.3430 W/(mK) 纯金属，低温下值非常高，良导电体亦是良导热体； 同温下， 纯金属 其合金； 温度 t 时，纯金属。,2-2 物质的导热特性,固体 非金属材料：值在较大范围内变化 数值低的接近甚至低于空气的导热系数。 金刚石(钻石)导热系数最大，可达2300 W/(mK)。 热方法鉴定钻石真伪（哈气法、热接触法、钻石测试仪） 当t 时，大多数非金属 ，但少数非金属。 温度升高，晶格振动加剧，导热能力增强。,2-2 物质的导热特性,一、物质导热系数的变化规律,部分固体 的导热系数,2-2

11、物质的导热特性,温度t 时，纯金属,一、物质导热系数的变化规律,2-2 物质的导热特性,=0（1+b t）,液体 导热机理：比较复杂，存在不同观点。 一种观点：认为类似于气体 但因为液体分子间的距离比较近，分子间作用力对碰撞过程的影响较气体大。 一种观点：认为类似于非导电固体 主要靠晶格结构的振动传递热量。 目前后一种观点占优势。,液体 非金属液体 室温下导热系数一般在 0.070.7 W/(mK) 水的导热系数最大。 油类的导热系数值 0.100.15 W/(mK) 当温度t 时，大多数液体值。 但甘油和0120 水等强缔合性液体不同： t 时，甘油 0120 水 压力变化影响很小，可忽略。

12、,一、物质导热系数的变化规律,2-2 物质的导热特性,液态金属和电解液 一类特殊的液体，依靠原子运动和自由电子迁移传递热量， 导热系数比一般非金属液体大101000倍。,部分液体 的导热系数,2-2 物质的导热特性,t 时，甘油,t 时，水先再,t 时，大多数液体,b大多数液体 0,b甘油0,b水0 b水0,120 ,线性变化 = 0 (1+b t),b发动机油0,二、保温材料,导热系数较小的非金属材料，用于保温隔热、保冷工程中。又称隔热材料 国家标准GB4272-2008规定： 在平均温度为298K时，保温材料的导热系数应不大于0.08W/(mK)。 反映保温材料生产及节能水平。 要求高效、

13、耐温、易得和价廉。,2-2 物质的导热特性,多孔性材料：空隙中储有空气，空气导热能力很差。 如千层单不如一层棉； 如空心砖、双层窗、冰箱机体等。,我国50年代 0.23W/(mK)； 80年代 GB4272-84 0.14W/(mK) ； 90年代 GB427-92 0.12W/(mK)。,二、保温材料,新型保温材料：性能优良 聚氨酯泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料、玻璃纤维、 岩棉毡、微孔硅酸钙等。 常温下其导热系数达 0.030.07 W/(mK) ，可满足各种不同应用场合的需要。需要时查阅相关材料。 结构： 蜂窝状多孔性结构或纤维结构，内部充满导热能力较差的空气，并且很小的孔隙限制了空气流动，能

14、起到隔热保温效果。 热量传递过程 ：不再是单纯的导热，非常复杂。 导热、对流传热、辐射传热共同作用。 表观导热系数 或视导热系数：专门实验测定,2-2 物质的导热特性,二、保温材料,隔热性能的影响因素： 材料的种类、压力、温度，还受材料密度和含湿率的影响。 温度影响：温度 t 时，值。（原因：气；同时辐射传热 ） 密度影响： 含湿率影响：,同种材料，一般 密实 多孔。 时， 多孔，但太小时， 多孔， 存在一个最佳密度值使值最小。,若水取代空气，再加上水分迁移作用，性能下降，导热系数增加。 一般 潮湿 干燥。 低温时，更应防水结冰。,2-2 物质的导热特性,例：矿渣棉含水10.7时导热系数会增加

15、25， 含水23.5时导热系数将增加500。,在保温工程中都要采取防潮、防水措施。,超级保温材料 采取方法： （1）夹层中抽真空 特点：减少通过导热或对流传热造成的热损失。 （2）采用多层间隔结构（ 1cm 达十几层） 特点：间隔材料的反射率很高，减少辐射传热，垂直于隔热板上的导热系数可达到10-4W/(m.K) 。,2-2 物质的导热特性,导热系数一般规律小结：,2-2 物质的导热特性,0C,=0( 1+b t ),隔热油管是注蒸汽（蒸汽吞吐和蒸汽驱）开发稠油所必需的。采用隔热油管的目的： 有效减少井筒热损失，提高井底蒸汽干度，提高注汽效果。 保护套管，防止因膨胀引起套管的热应力破坏和油井的

16、损坏。 (普通N-80型套管的极限安全温度为180) 对深井注汽尤为重要（15-16MPa、300-350注汽参数）,隔热油管,2-2 物质的导热特性,自20世纪80年代，北京勘探开发研究院开始研究井筒隔热技术。 （引进国外产品，价格昂贵，1985年美国300美元/米) 1985年我国实现了隔热油管的国产化。 目前辽河油田、胜利油田已开发出和国外同类产品相当的隔热油管，完全能够国内稠油开发的需要。,隔热油管一般都是双层管：内管、外管和二者之间环空的保温材料，两端焊接而成； 热量传递方式是导热、对流和辐射综合，因此衡量隔热油管性能的主要指标是视导热系数； 显然，隔热油管的视导热系数越低，隔热性能

17、越好。,隔热油管,最早工业化使用的隔热油管，由内管、外管、保温层、波纹管等组成。 早期保温层的材料是珍珠岩粉，后来又采用硅酸铝纤维并贴有铝箔 波纹管的作用防止内、外管膨胀不均匀而造成损坏。 按波纹管是与内管相连还是与外管相连，波纹管隔热油管可分为两种： 内、外波纹管隔热油管。 这类隔热油管的视导热系数在0.1 W/(m. K)左右。,1、波纹管隔热油管,高温内管比外管更容易膨胀。为了解决由于应力导致的油管损坏，将内管在受拉的状态下与外管在端部焊接在一起，这样可以抵消注汽时高温受热而产生的应力，从而起到保护管柱的作用。 为了提高隔热效果，保温层采用的是硅酸铝纤维，再包以多层铝箔。 视导热系数可达

18、到0.06-0.08 W/(mK) 。,2、预应力隔热油管,现场应用的问题： 使用过程中隔热油管的隔热性能越来越差。 检测表明： 隔热油管夹层内氢气和其它气体的存在是导致油管性能下降的原因，即所谓的“氢害”。 氢气来自于高温水蒸汽对隔热油管的腐蚀： 氢气分子较小，能穿过金属晶格进入隔热管夹层 氢的导热系数比较大 隔热油管的导热系数增加。,隔热油管 “氢害”,测试表明： 当隔热油管夹层内的氢气体积占20%时，其视导热系数可由0.062增加到0.115 W/(mK)； 每使用一个注汽周期，环空内的含氢量会以4%的速度增加，导热系数以20%的速度增大； 当含氢量达到80%时，导热系数可达0.383 W/(mK)。 必须采取有效措施消除的氢气影响,隔热油管 “氢害”,消除“氢害”可采取的主要措施： 采用抗腐蚀钢管 在内外表面涂防腐层或贴上防护铁皮 夹层内放置吸氢