ch5.热量传输概论

1、第二篇第二篇 热热 量量 传传 输输冶金工程学院冶金工程学院Part Heat transfer*第5章 热量传输概论2节能减少热损失提高热效率降低传热速率提高生产率提高传热速率，：l热量传输简称传热，传热学是研究热量传递规律及其应用的一门学科。l研究对象：研究不同物体间或同一物体不同部位间存在温度差时，其间的热量传递规律。l传热推动力：温度差或温度梯度。l研究目的：一定条件下热量传递的速率。*第5章 热量传输概论3lChapter 5 热量传输概论热量传输概论lChapter 6 传导传热传导传热lChapter 7 对流换热对流换热lChapter 8 辐射换热辐射换热lChapter 9

2、 冶金中的综合传热冶金中的综合传热主主要要内内容容第第5 5章章 热量传输概论热量传输概论*第5章 热量传输概论4主主要要内内容容l热量传输的基本概念热量传输的基本概念lFourierFourier导热定律导热定律lFourier-KirchhoffFourier-Kirchhoff方程方程5.1 5.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 *第5章 热量传输概论5在某一瞬间物体内部各点的温度分布1、温度场、温度梯度,zyxft 连续介质：dzztdyytdxxtdtdt0t0tl温度场温度场温度场按时间稳定温度场：不稳定温度场：)z, y, x(ft 5.1 5.1 热量传输的基本概念热量

3、传输的基本概念 0t*第5章 热量传输概论6), z, y, x(ft0t无热量蓄积 稳定传热定态传热不定态传热有热量蓄积 不稳定传热5.1 5.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 *第5章 热量传输概论7图图5-1 高炉炉底温度分布高炉炉底温度分布1炉底空气冷却；2氧化铝砖；3碳砖；4炉缸冷却器；5外壳l等温面：温度场中，同一时刻温度相同的点所构成的面。l等温线：一平面与等温面的交线。5.1 5.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 *第5章 热量传输概论8向量：低温高温方向为正。ntntgradt limztkytjxtigradtl温度梯度 定义：等温面法线方向单位距离上的温度

4、变化量（最大温度变率）。传热方式传导传热（导热）对流传热（对流）辐射传热（辐射）2、传热方式5.1 5.1 热热量传输的基本概念量传输的基本概念 *第5章 热量传输概论95.1 5.1 热热量传输的基本概念量传输的基本概念 *第5章 热量传输概论10定义：在一连续介质内若有温度差存在，或者两温度不同的物体直接接触时，在物体内没有可见的宏观物体运动时所发生的传热现象。条件：温度差。取决于物体本身的物性。l导热tAQ物体的导热系数5.1 5.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 *第5章 热量传输概论11流体各部分之间发生相对位移而引起的热量传输现象。特点：对流与流动有关流体内部纯对流：l对流

5、21TTmcQp对流换热牛顿冷却公式TFFTTQfwTTTqfw对流换热系数，2mW5.1 5.1 热热量传输的基本概念量传输的基本概念 *第5章 热量传输概论12物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象特点：热辐射依靠热射线传递热量l热辐射辐射力：单位时间内，物体的单位表面积向外辐射的热量E2mW40TEb对于黑体： 斯忒藩玻尔兹曼定律斯忒藩常数，42801067. 5KmW5.1 5.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 *第5章 热量传输概论13实际物体：40TE物体的发射率/黑度：01通过物体间相互辐射和吸收进行的热量传输过程称为辐射换热ATTQ424101T2T5.1 5.1 热量

6、传输的基本概念热量传输的基本概念 *第5章 热量传输概论14热量传输方式？5.1 5.1 热热量传输的基本概念量传输的基本概念 *第5章 热量传输概论15热量传输方式？AtKAtKQtKqJJ/s (W)W/m2 l热流量Q：单位时间传递的热量。l热通量（热流密度）q：单位时间通过单位面积传递的热量。l传热系数K：单位时间、单位面积、温度差为1时传递的热量，即单位传热量。l传热方程：实践证明，各种传热过程的传热量都和温度差 、传热面积A、传热时间 成正比。t5.1 5.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念*第5章 热量传输概论163、传热方程AtKAtKQtKqJJ/s (W)W/m2 R

7、tKAtQ1rtKtq1o /W 总传热面积上的热阻。KAR1p m2/W 单位传热面积上的热阻。 Kr1l热阻：阻碍热量传递的阻力。5.1 5.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念*第5章 热量传输概论175.1 5.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念*第5章 热量传输概论18tAQtAAttQfwRtAtQaRtAtQ1WRUI rttqarttq1Wm2t0txtyt0txt0tx1、稳定温度场的建立、稳定温度场的建立 一无限宽大，厚为 的平板初温为t0 0平板下表面温度跃升到tx并保持不变 相邻各层逐次吸热升温，热量沿板厚方向传递不稳定温度场 温度分布不变，稳定温度场已经建立

8、 5.2 5.2 FourierFourier导热定律导热定律*第5章 热量传输概论19热量传递方向与温度梯度方向相反 1AtQAtAtQ1tqAytQytqntq温度梯度，/m。2、傅里叶导热定律、傅里叶导热定律稳定温度场 W W/m2 W/m2 W固体薄层 任意方向 W/m2 物体的导热通量与温度梯度成正比物体的导热通量与温度梯度成正比5.2 5.2 FourierFourier导热定律导热定律*第5章 热量传输概论20bt103、导热系数（热导率、导热系数（热导率 ） 单位 W/m. 物理意义表征物体导热能力的物性参数，即温度梯度为1时，单位时间通过单位面积的导热量。 影响因素物体的种类

9、 温度 气体液体固体金属 混合气体的导热系数 niiniiiMM115.2 5.2 FourierFourier导热定律导热定律*第5章 热量传输概论21气体气体液体液体非导电固非导电固体体导电固体导电固体范围范围0.0060.60.070.70.02532.2420W/m.影响影响机理机理分子热运动分子热运动晶格振动晶格振动晶格振动晶格振动自由电子迁自由电子迁移移晶格振动晶格振动温 度 、温 度 、压力压力的影响的影响t，t，(水、甘水、甘油除外油除外)p，t，t，（纯（纯金属）金属）计算计算公式公式*第5章 热量传输概论22vcl313134McAp5.2 5.2 FourierFouri

10、er导热定律导热定律 5.2 5.2 FourierFourier导热定律导热定律 *第5章 热量传输概论23*第5章 热量传输概论245.2 5.2 FourierFourier导热定律导热定律 ytcaytccytqppp4、热量传输系数（导温系数）、热量传输系数（导温系数）a单位体积物体的热量梯度 3mmJ 热量传输系数 （导温系数、热扩散率）物体的导热通量与单位体积物体的热量梯度成正比物体的导热通量与单位体积物体的热量梯度成正比 5.2 5.2 FourierFourier导热定律导热定律 pca *第5章 热量传输概论25单位物理意义影响因素m2/s 表征物体热量传递能力的重要参数

11、物体吸收或释放的热量物体的导热量aa 物体传递热量的能力强或物体传递热量的速度快 a 物体传递热量的能力弱或物体传递热量的速度慢 物体的种类和温度 5.2 5.2 FourierFourier导热定律导热定律 *第5章 热量传输概论26建立方法：元体分析法 假设：（1）忽略摩擦热（2）常物性物体 pc等为常数 建立依据：热力学第一定律 元体热收入- 元体热支出+元体内生成热= 元体热蓄积 元体热收支差 +元体内生成热= 元体热蓄积5.3 5.3 F FourierKirchhoff导热微分方程导热微分方程*第5章 热量传输概论271、方程的建立、方程的建立yoXzAB1）元体对流热收支差）元体

12、对流热收支差 x方向 经A面带入： Axpdydztvc 经B面带出： Bxxpdydzdxxvvdxxttc对流热收支差 ：dxdydzxtvxvtcxxpy方向、z方向元体的对流热收支差： zyxvvv 5.3 5.3 F FourierKirchhoff导热微分方程导热微分方程*第5章 热量传输概论282）元体导热热收支差）元体导热热收支差x方向 经A面导入 经B面带出 AdydzxtBdydzdxxttx导热热收支差 dxdydzxt22同理 y方向、z方向元体的导热热收支差 zyx 5.3 5.3 F FourierKirchhoff导热微分方程导热微分方程*第5章 热量传输概论29

13、3) 元体的热量蓄积、元体的热量蓄积、内热源内热源元体的热量蓄积就是元体热焓的变化，表现为温度对时间的变率；元体的内热源：化学反应或电热效应，设单位时间单位体积所生产的热量qV,则单位时间微元体的内热源：qVdxdydz dxdydztcqvdxdydzp,5.3 5.3 F FourierKirchhoff导热微分方程导热微分方程dxdydzxtvxvtcxxp*第5章 热量传输概论30dxdydzxt22代入F-K方程cqztytxtaztytxttVzyx2222222、方程的讨论、方程的讨论元体的热量蓄积 时变项 元体对流热量传输差量 对流项 元体导热热量传输差量 扩散项 方程的物理意

14、义： 表示流体在流动过程中的热量平衡关系。 方程的适用条件： 满足假设条件的对流导热过程。 5.3 5.3 F FourierKirchhoff导热微分方程导热微分方程*第5章 热量传输概论31cqztytxtaztytxttVzyx222222元体的内生成热 源项 5.3 5.3 F FourierKirchhoff导热微分方程导热微分方程*第5章 热量传输概论32sin;cos1122222ryrxcqzttrrtrrrazttrrttVzr圆柱：5.3 5.3 F FourierKirchhoff导热微分方程导热微分方程*第5章 热量传输概论33cos;sinsin;cossin200s

15、in1sinsin11sin2222222rzryrxcqtrtrrtrrratrtrrttVr，方位角：，极角：球：3方程的简化方程的简化固体一维稳定导热 022dxtd直角坐标0drdtrdrd柱坐标固体一维不稳定导热 22xtat5.3 5.3 F FourierKirchhoff导热微分方程导热微分方程*第5章 热量传输概论344 4、单值性条件、单值性条件初始条件zyxft,000tt边界条件已知任何时刻边界面上的温度分布WWttWWqnt0WntfWWttnt已知任何时刻边界面上的热通量对流边界条件：已知周围介质温度和对流换热系数5.3 5.3 F FourierKirchhoff

16、导热微分方程导热微分方程*第5章 热量传输概论35例题1、一无限大平板，其导热系数为常数，平板内具有均匀的内热源。平板一侧绝热，另一侧与温度已知的流体直接接触，已知流体与平板间的对流换热系数。试写出这一稳态导热过程的微分方程和边界条件。解：VqfTscqzTyTxTcTV222222022VqdxTd00 xdxdTfWWTTnT0WnTfsxsxTTdxdT5.3 5.3 F FourierKirchhoff导热微分方程导热微分方程*第5章 热量传输概论36例题2一厚度已知，宽和长远大于厚度的平板，其导热系数为常数，开始时整个平板温度均匀，突然有电流通过平板，在板内均匀产生热量。假定平板一侧仍保持原来温度，另一侧与温度已知的流体直接接触，已知流体与平板间的对流换热系数。试写出描述该问题的导热微分方程和单值性条件。解：VqfTscqzTyTxTTV22222200,