材料工程基础课件：3-1 绪论和传导传热

1、第三章 传 热 学 （Heat Transfer）1熟料篦冷机入料: 1300-1400 出料：65 +环境温度水泥窑自身特点生料钙质硅铝质铁质校正化学灵活性预分解炉气体: 900 - 3 s物料：700 窑火焰: 1800-2000 物料：1450 ， 15 min煤粉预热器气体: 900 - 3 s物料：700 高温，负压，充足的氧气，停留时间长，大量的游离钙，完善的工艺，密切的监控。随处可见流体流动和传热过程2本章的学习目标熟悉传热过程的基本术语和基本规律；理解传热过程分析的基本方法和特点；精通三大传热现象的基本概念和基本特征规律；具备对工程上常见的传热现象和传热问题分析和解决的能力,能

2、利用必需的数据计算传热速率或材料的温度。本章重点传热过程的基本概念三大传热现象及其规律本章难点辐射传热 对流传热的计算3主要内容绪论（了解）热传导现象（掌握）基本概念基本规律常见问题的应用分析对流换热现象（掌握）基本概念基本规律相似分析常见问题的经验规律辐射换热现象（掌握）基本概念基本规律常见问题的应用分析综合传热过程分析（掌握）换热器（了解）43-0、绪论 传热学的研究对象是什么？ 热传递的基本方式有哪些？ 传热学与工程热力学有何关系？ 传热学的应用和学习传热学的意义？ 传热学的研究方法有哪些？53.0 传热学绪论1、传热学（Heat Transfer）研究的对象是什么？ 研究研究由温差存在

3、而发生的热量转移规律的科学。 具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法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传递给低温热源，所以。有温差就有热量传递。63.0 传热学绪 论2、热传递的基本方式有哪些？热传导：在温差作用下，通过相对静止的物体内部质点进行的能量转移热对流：在温差作用下，通过相对运动的质点所进行的能量转移热辐射：在温差作用下物体间以电磁波形式所进行的能量转移73. 传热学与工程热力学有何关系？(1) 热力学 + 传热学 = 热科学(Thermal Science) 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

4、量传递的速率。二者关系传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即Q 始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则Q 始终是守恒的传热学是热力学的延伸和补充，热力学是传热学的基础，它们均是研究能量交换规律的科学。热力学传热学84. 传热学的应用和学习传热学的意义？传热的基本任务：计算热量传递的速率 求解温度分布航空航天化工机械交通建材电子中央空调金属材料建筑双层玻璃5传热问题的基本分析方法是什么？（了解）以控制体为研究对象，以热力学第一定律为基本工具，以热流方程为主体，分析各种传热现象，得出各种具体传热现象特征规律，最终以工程应用分析为目的。 一般步骤:（1）选定控制体，画出示意图（

5、2）画出通过控制面的热流方向，提出对实际问题的近似假设，适当简化实际问题（3）建立能量守恒方程（4）代入热流方程（5）整理得出相应的结果或规律103.1 传导传热3.1.1 传导传热概述（掌握）3.1.2 基本规律导热微分方程（理解）3.1.3 工程常见导热问题分析（掌握）113.1.1、 传导传热概述1传导传热和传导传热的机理是什么？（掌握）2什么是傅立叶定律？3. 什么是导热系数？材料导热系数的一般性质和特点是什么？影响导热系数的因素有哪些？（掌握）4什么叫温度场、等温面、 温度梯度？（掌握）123.1.1、 传导传热概述1、传导传热和传导传热的机理是什么？（掌握）（1）定义：是指物体各部

6、分无相对位移或不同物体直接接触时依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递现象。简称导热 （2）特点： 有温差、直接接触，物体各部分间无宏观相对位移。（3）机理： 固体：由于晶格振动波的迁移、自由电子运动引起的物理现象 金属：依靠自由电子的运动 非金属：依靠晶格振动波 气体：分子的不规则热运动和相互碰撞的结果 液体：兼有气体和固体导热的机理13 2什么是傅立叶定律？（掌握）-傅立叶定律q热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量 W/m2 导热系数（热导率） W/( m K)F垂直于导热方向的传热面积 m2Q热流量，单位时间传递的热量 W负号表示 Q与温度梯度方向相反 Fouri

7、er定律: 1822年，法国数学家Fourier J.B.J.Fourier14返回注：傅立叶定律只适用于各向同性材料。各向同性材料：热导率在各个方向是相同的153. 什么是导热系数（热导率）？材料导热系数的一般性质和特点是什么？影响导热系数的因素有哪些？（掌握）（1）定义式：导热系数（也称热导率）在数值上等于单位温度梯度作用下的热流密度。W/m.K 或W/m.。表示材料导热能力的大小；数值与材料的种类和物理状态有关 （组成、结构、密度、温度等）； 是一种物性参数；物质的热导率一般通过实验测定。 16固体液体气体，金属非金属Ag：417 Cu：387 Au：317 H2O：0.5 H2 0.1

8、82 Air 0.026导热系数与温度的关系气体导热系数随温度上升而增加；液体导热系数随温度上升而减少；金属导热系数随温度上升而降低；非金属导热系数随着温度上升而增大；金 属内含有杂质可大大降低其导热系数。保温材料：国家标准规定，温度低于350时导热系数小于0.12 W/(m.K)的材料称为保温材料。一般均具有多孔结构（2）材料导热系数的一般性质和特点是什么？硅酸铝耐火纤维毡普通型 ：0.15 w/m.k，使用温度：1000 17物质的种类数值范围w/m.k导热机理的变化趋势备注工程材料：=0（1bt）或=0bt 依靠分子热运动造成彼此间的碰撞介于气体和固体之间自由电子的迁移依靠晶格振动波迁移

9、随着温度的升高而增加随着温度的升高而减小 水和甘油除外随着温度的升高而增大与压力无关压力增加，也增加合金小于纯金属，且随温度增大而增大随着温度的升高而减小液体0.070.7金属12418非金属0.0253.0气体0.0060.618（3）影响导热系数的因素有哪些？ 容重和孔隙率： 湿度：湿材料比相应干材料和水的导热系数大 温度:一般地说, 所有物质的导热系数都是温度的函数,不同物质的导热系数随温度的变化规律不同。孔隙多，很容易吸收水分, 须防潮每一种保温材料都有一个“最佳容重”19温度场：某瞬间，物体内部温度分布情况。分稳定温度场： t/=0，不稳定温度场： t/0如：窑内的温度分布（计算传热

10、学）稳态温度场中发生的导热称为稳态导热。 如各种热力设备在启动、停机或变工况时的温度场 4什么叫温度场、等温面、 温度梯度？（掌握）火焰温度分布 工程应用最多20（2）等温面(线) 同一时刻同一温度所有点相连组成的曲面或平面(曲线) 特点： 等温线不能相交 不能在物体内中断 沿等温面（线）没有热流传递（3）温度梯度：温度随距离的变化率空间中任何一点不可能同时具有两个不同的温度值4什么叫温度场、等温面、 温度梯度？（掌握）xy20406080nq/m。 温度梯度是失量，反映温度场在空间的变化特征的物理量 正方向沿等温面的法向指向温度增大的一边213.1.2 基本规律导热微分方程1如何建立导热微分

11、方程？（了解）2导热微分方程表达式及定解条件有哪些类型？（掌握）3导热问题如何分类？（掌握）4导热微分方程式的讨论？（了解）5. 导热问题求解的一般方法是什么？（了解）221、如何建立导热微分方程？（了解）目的：确定导热体内的温度分布 t=f (x、y、z、)的规律理论依据：傅里叶定律 能量守恒定律假设： 物体的、CP、均为常数 研究的物体是各向同性的连续介质 存在内热源qvqv-表示单位时间,单位控制体内部产生的热量（内热源）23导热微分方程的建立（了解）以研究区域微六面体为控制体,传热方式只有导热。导入控制体的热量+ 控制体内部产生的热量（内热源）= 导出控制体的热量 + 内能量的增量24

12、(3) 控制体内部产生的热量（内热源）导热微分方程的建立（了解）(4) 单位时间控制体内能量增量为利用泰勒级数展开，并忽略高阶导数25导热微分方程的建立（了解）当=congst时,上式可写为:26导热微分方程的表达式（掌握）单位时间内控制体的内能的增量（非稳态项）导热引起的扩散内热源导热微分方程描述了物体温度随时间和空间变化的关系27导温系数（热扩散系数） 物理意义：表示物体导热能力与蓄热能力的相对大小。 即表征物体被加热或冷却时，各部分温度趋向于均匀一致 的能力。 导温系数越大，物体内部各处的温度差别越小。 是研究不稳态导热的重要物理量导温系数（热扩散系数）282、导热微分方程的定解条件有哪

13、些？（掌握）所谓定解条件是指在微分方程的通解中，能够确定一组特定解的条件，通常包含初始条件：时间：=0 ,几何条件t=t (x,y,z)物性条件：、c和等 边界条件：分为三类第一类：已知边界上的温度分布t=t(x,y,z,)第二类：已知边界上的热流密度分布及变化特殊情况：表面绝热，对这种表面：第三类：已知边界上的对流换热状况导热微分方程单值性条件求解方法 温度场293导热问题是如何分类？（掌握） 稳定导热非稳定导热：稳定导热分有内热源 无内热源一维导热、二维导热、三维导热一维稳定传导传热问题属于本课程的研究范畴304、导热微分方程的讨论（掌握）为常数时不为常数时315、导热问题求解的一般方法是

14、什么？（了解）选择坐标系并建立导热微分方程；确定边界条件；确定微分方程通解；根据边界条件确定特解。323.1.3 工程常见导热问题分析（一维稳定态问题）主要内容：1. 一维稳定无内热源导热问题(通常采用热电模拟法求解)（1）单层与多层复合平壁问题（掌握）（2）单层与多层复合圆筒壁问题（掌握）（3）单层与多层复合球壁问题（了解）（4）与上述问题近似的实际问题处理方法（了解）2.一维稳定有内热源导热问题（通常采用微分方程经简化后和傅立叶定律联合法求解）（掌握）33一、无内热源稳态导热问题（掌握）t1t21、单层平壁研究无限大平壁的一维稳态导热 已知条件：几何条件：单层平板； 物理条件：、c、 已知

15、；无内热源， =const 时间条件：已知t1、t2 且t1t2 边界条件：第一类无限大平壁 一维稳定导热t=f(x)求解（1）平壁内的温度分布关系 （2）通过平壁的热流量。 推导（了解）34第一类边界条件：控制方程带入边界条件：x（1）平壁内的温度分布关系（2）热流量： 由傅里叶定律可得 0 xt t2 t1 线性分布热流量与x无关，只有在一维稳态无内热源情况才能满足。35问题一：求解某一特定导热问题其完整的数学描述都应包含哪些内容？边界条件包括哪几类？问题二：导热系数不为常数时，其热流密度如何确定？温度与x是线性关系吗？复习上堂课内容曲线向上凸曲线向下凹36总结：单层平壁无内热源导热问题特

16、征规律（掌握）（2）不为常数时t1t2（1）为常数时：温度分布：导热量：37模拟电位：单元材料的表面(界面)温度模拟电流：穿过单元材料的热流量Q(W)模拟电阻：热阻R R t q 热电模拟图采用什么方法求热流量？热电模拟法（掌握）热流量热阻分析法适用于一维、稳态、无内热源的情况382、多层平壁的稳定热传导的特征规律（掌握）多层平壁热电模拟图123t1t4耐火砖建筑砖保温砖 串联热阻叠加 并联总热阻的倒数等于各分热阻倒数之和问：知道了热流量，如何确定中间各层的壁面温度？39采用热电模拟法进行求解（先画出热电模拟图，再计算各个热阻值和总热阻.）ABCDEF3、复合平壁导热问题的求解（了解）40例2

17、-1 单层平壁散热问题设某窑炉的耐火砖壁厚0.5m，内壁温度为1000；外壁面温度为0，耐火砖的导热系数=1.16(1+0.001t) W/m. 。试求通过炉壁的热流q。解：(1) 计算 (2) 计算 W/m.(3) 由平壁无内热源导热现象特征规律可得 kW/m241例2-2 多层平壁散热问题设有一窑墙，用粘土砖和红砖两种材料砌成，厚度均为230mm窑墙内表面温度为1200；外表面温度为100，粘土砖导热系数1=0.835+0.00058t W/m. ，红砖导热系数2=0.467+0.00051t W/m. ,红砖的使用温度为700以下。试求通过窑墙的热损失q，红砖在此条件下能否使用？分析 困

18、难：采用热电模拟法求解，需要先求平均温度下的导热系数，然而交界面处的温度却是未知的.此题可精算也可采用试算法。粘土砖红砖1200 100 ？ 42解：(1) 计算平均温度 (2) 计算平均导热系数 W/m.(3) 计算各个热阻 / W粘土砖红砖1200 100 ？ 假设交界面温度为600W/m.R1R2/ W43(4) 由热电模拟原理可得 （W）（W/m2）(5) 校验交界面温度(6)与前次计算值相差较大则以最新计算值为假定交界面温度重复（1）（5）直至合乎精度要求。第二次计算 R1R2（W/m2）（ ）第三次计算 （W/m2）（ ）此即为最终结果，说明在此条件下红砖不能使用。返回44与平壁不

19、同处在于：圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变，同时温度也随半径而变。 以预热器单层圆筒壁为例4、圆筒壁的稳定导热 假设：设半径分别为r1，r2， 圆筒壁面的温度分别为t1和t2，且t1t2 ; =const; 稳定温度场，无内热源。 假设单管长度为L，圆筒壁的外半径小于长度的1/10，认为是无限长的圆筒壁。求（1）圆筒壁内的温度分布 （2）通过圆筒壁的传热量 推导（了解）：45（1）单层圆筒壁的导热一维、稳态、无内热源、常物性，柱坐标下导热微分方程的简化式：(a) 圆筒壁内的温度分布：第一类边界条件： 对数曲线分布46 圆筒壁内热流量的计算公式（掌握）虽然稳态传热，但热流密度与半径 r 成反

20、比！Rt导热热阻单位管长的热流量：47 （2）多层圆筒壁热流量的计算（掌握）画热电模拟图推出3层圆筒壁的导热量计算公式48例3-3：某热风管道，内径d185mm，外径d2100mm，管道材料导热系数为158w/mK，内表面温度t1150，现拟用玻璃棉保温（2=0.0526w/mK），若要求保温层外壁温度不高于40，允许的热损失为QL52.3w/m，试计算玻璃棉保温层的最小厚度。解：依题意有：圆筒壁导热计算举例 49即： d30.02m即玻璃棉保温层最小厚度为（d3d2）2（200100）250mm。505、球壁的稳定导热（了解）温度分布热流密度热流量热阻51求解方法： 热电模拟法可解决的典型工

21、程问题散热问题（操作计算问题）测定导热系数（性能问题）保温层厚度问题（设计计算问题）换热面计算（设计计算问题）无内热源问题特征规律总结（掌握）525. 通过接触面的导热接触热阻(Thermal contact resistance） 当q不变时，接触热阻 rc较大时，必然在界面上产生较大温差。 当t不变时，q必随rc 的增大而下降；即使接触热阻 rc 不是很大，若热流量很大，界面上的温差是不容忽视的，例接触热阻：在多层壁的导热中，由于接触面不可能绝对平整和光滑，实际接触面积较宏观接触面积小，接触面之间存在间隙，这就形成了附加热阻，称为接触热阻。53影响接触热阻的因素有哪些？（1）固体表面的粗糙

22、度： Rc （3）接触面上的挤压压力（2）接触表面的硬度匹配（4）空隙中的介质的性质（）： Rc 在实验研究与工程应用中，消除接触热阻很重要间隙 Rc （5）温度：t Rc 54二、有内热源的导热问题（由例题说明） 求解方法采用导热问题的一般求解方法 选择坐标系和控制体 建立导热微分方程 确定边界条件 确定微分方程通解 根据边界条件确定特解55例3-4 混凝土浇注问题圆筒壁问题某桥梁施工队欲浇筑直径为2m的混凝土桥墩，浇注后桥墩表面温度维持在20，而中心温度不得超过50，否则因热应力过大造成桥墩产生裂纹，为此应控制选用水化热较低的水泥，试问此时所选用的水泥水化热应控制在多少范围内？混凝土导热系数为1.5w/m.解：（1）选择坐标系、控制体，如图xy（2）建立有内热源控制体内微分方程56xy（3）求微分方程通解（4）确定积分常数由对称性条件由57xyw/m3欲满足条件，即58例3-5 电热器的设计问题 平壁问题 某设计人员设计了一水箱底部装一板式电热器，电热器由A、B、C三层材料构成，如图所示，有关参数如下A：电热材料，使用温度400 A=50mm，A=75W/m.，qs=1.5MW/m3B：电绝缘材料 ，使用温度200，B=20mm，B=150W/m.，与水的对流换热量q2=h(t2-t水），其中