冶金热工基础——第2章-热量传输

1、第一讲 热量传输基本概念及基本定律 第二讲 F-K方程 第三讲 一维圆筒壁稳定导热 第四讲 对流换热概述 第五讲 流体在管内流动时的对流换热 第六讲 习题课 第七讲 自然对流换热 第八讲 辐射换热基本概念和基本定律 第九讲 固体表面间的辐射换热 第十讲 气体与固体间的辐射换热 第十一讲 不稳定导热 第十二讲 导热的有限差分解法,第二章 热 量 传 输,一、本课的基本要求,5. 掌握导热系数及导温系数a的单位、物理意义、影响因素。,第一讲:热量传输基本概念及基本定律,1. 掌握导热、对流、辐射三个基本概念。,2. 正确理解传热系数K、热阻R的含义、传热一般方程。,3.了解温度场及其分类、温度梯度。,4. 理解温度场的建立、等温面及温度梯度，重点掌握傅立叶稳 定导热的基本定律的表达式及应用。,第二章 热 量 传 输,二、本课的重点、难点：,2. 本课的重点、难点是傅立叶稳定导热的基本定律。,三、教参及教具,1. 高家锐，动量、热量、质量传输原理，重庆大学出版社，1987。 2. 张先棹，冶金传输原理，冶金工业出版社，1988。,1. 本课的重点是导热、对流、辐射三个基本概念。,第二章 热

2、量 传 输,热量传输简称传热，它是极为普遍而又重要的物理现象。冶金生产过程无论是否伴随化学反应或物态转变，热量传输往往对该过程起限制作用。,第二章 热 量 传 输,传热的动力：温差 本章研究传热的内容： 1.传热方式 2.特定条件下传热速率 提高传热速率提高生产率 降低传热速率提高热效率（节能）, 2.1 基本概念及基本定律,2.1.1 基本概念,1. 传热方式,第二章 热 量 传 输,(1) 传导传热（导热）,定义：在一个连续介质内若有温差存在，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质流动时所发生的传热现象叫导热。 条件：温差、无物质宏观运动。 取决于：物质本身的物性。,第二章 热 量 传 输,（2） 对流传热（对流）,定义：有流体存在，并有流体宏观运动情况下所发生的传热叫对流。 条件：温差、有物质宏观运动。 取决于：物质本身的物性、流动状态。,第二章 热 量 传 输,（3）辐射传热（辐射）,定义：物体因受热发出热辐射能，高温物体失去热量而低温物体得到热量，这种传热方式叫辐射传热。 条件：温差、发射电磁波。 取决于：两物体空间位置（角度系数）、表面特性（黑度）。,第

3、二章 热 量 传 输,2. 传热基本方程,（1）热流量Q：单位时间传递的热量。 （2）热通量（热流密度）q：单位时间通过单位面积传 递的热量。 （3）传热方程：,第二章 热 量 传 输,（4）传热系数K：单位时间、单位面积、温差 为1C传递的热量，即单位传热量。,提高传热速率的措施：K、R 降低传热速率的措施：K、R,第二章 热 量 传 输,（5）热阻R：,Rf 传热面上的总热阻； R单位传热面上的热阻。,（6）单位换算,1kcal=4.187kJ 1kcal/h=1.163J/s=1.163 W,（7）传热问题的电模拟法,第二章 热 量 传 输,3.温度场、等温面及温度梯度,（1）温度场：温度按空间及时间的分布规律和变化规律就是温度场 。 a. 数学表达式： t=f(x，y，z，),b. 分类 ：,稳定温度场：不随时间而变化的温度场。t=f(x，y，z) 特点：t/=0，为稳定传热 不稳定温度场：t/0，为不稳定传热。,第二章 热 量 传 输,第二章 热 量 传 输,空间（一、二、三维温度场） （2）等温面 （3）等温线 （4）温度梯度 ：,第二章 热 量 传 输,2.1.2 基本定

4、律,1. 傅立叶导热定律 （1）稳定温度场的建立,1 3为不稳定导热，为稳定导热时期。,第二章 热 量 传 输,（2）傅立叶导热定律,导热系数。,第二章 热 量 传 输,（3）导热系数,1）单位：w/mc 2）物理意义：物体的导热能力，q导热能力 3）影响因素： a.物质种类：气：0.0060.6 w/mc 液：0.070.7w/mc 金属：2.2420w/mc；其中纯银最高，铜、 金、铝次之。 工程材料：0.0253w/mc b.物理状态：温度、压力、密度、湿度等，其中温度是 最重要的因素。,第二章 热 量 传 输,第二章 热 量 传 输,对于工程材料： =0（1+bt） =0+at,（4）导温系数a,（热量梯度） 即单位时间、单位面积的热流量与热量梯度成正比。 a=/c 导温系数。,第二章 热 量 传 输,1）单位：a=/(c ) m2/s 2）物理意义：热量传输能力 a=/(c )=导热能力/吸热能力 a：，c ，热量传递快，温度传递快。 a： ，c ，热量传递慢，温度传递慢。,第二章 热 量 传 输,作业： P206 2,第二章 热 量 传 输,返 回,1. 了解F-K方程的推

5、导过程。,第二讲: F-K方程,一、本课的基本要求：,2. 正确理解F-K方程各部分的物理意义及整个方程的物理意义、适用范围及求解。,3. 正确理解三类边界条件。,4. 一维平壁的温度分布、及导热量的计算。（第一类、第三类边界条件；单层、多层；为常数、不为常数。）,第二章 热 量 传 输,2. 本课的重点是F-K方程的组成、物理意义及适用范围，一维平壁的温度分布、及导热量的计算。,二、本课的重点、难点：,1. 本课的难点是F-K方程的推导。,第二章 热 量 传 输,2. 傅立叶-克希荷夫导热微分方程式,推导方法：元体分析法 假设条件：1）无内热源 2）忽略摩擦热 3）常物性（，c，等） 推导依据：能量守恒 元体热收入元体热支出=元体热焓变化 即 元体的热收支差=热焓量的变化,第二章 热 量 传 输,（1）方程式的推导,1）x方向的对流热收支差：,2）x方向的导热热收支差：,3）x方向的总热收支差：,第二章 热 量 传 输,6）元体热收支差：,第二章 热 量 传 输,4）y方向的总热收支差：,5）z方向的总热收支差：,5）元体热焓变化： 整理后的得： 热焓的变化 对流热传输量 传导热传输

6、量 上式就是F-K方程。,第二章 热 量 传 输,（2）方程式的讨论：,1）方程的物理意义： 热量蓄积量 对流热传输量 传导热传输量,2）方程的适用范围：满足前提条件的一切对流导热。,第二章 热 量 传 输,3）方程的求解： N-S方程 联立求解 F-K方程,固体导热： 因w=0，F-K方程可简化为：,固体稳定导热： =0，则,第二章 热 量 传 输,固体一维稳定导热： 定解条件：边界条件和初始条件（不稳定导热才有此条件）,第二章 热 量 传 输, 2.2 稳定导热,稳定导热的含义：是指温度场不随时间变化的传热过程。 稳定导热的特点：q=const 稳定导热存在于：物体内部 稳定导热的求解目的： 1） 求物体内部温度场（耐火材料 的正确选择） 2 ） 热传输量（降低热损失的办 法）,第二章 热 量 传 输,第二章 热 量 传 输,第二章 热 量 传 输,稳定导热最简单的情况： 一维 无限大平面（长、宽无限，沿厚度方向导热） 长宽（810）厚度 一维无限长圆筒壁,第二章 热 量 传 输,2.2.1 一维平壁稳定导热,1. 第一类边界条件下导热,第二章 热 量 传 输,联立求解三个方程，得

7、： (线性规律),第二章 热 量 传 输,第二章 热 量 传 输,整理得：,在工程上多遇到的是由几种不同材料组成的多层平壁： 三层：,第二章 热 量 传 输,接触面温度： tw2=tw1 qR1 tw3=tw1 q(R1+ R2) n层： tw i+1=tw1 q(R1+ R2+ R3+ R4+),n层：,第二章 热 量 传 输,注意：对于多层平壁的导热系数，应取平均值，即 cp =（1 +2）/2,第二章 热 量 传 输,2. 第三类边界条件下的导热,实质：热气体通过平壁传给冷气体的传热过程。 描述这一过程的完整的数学表达式为：,第二章 热 量 传 输,联立求解三个方程，得： q=( tf1 tf2)/(1/1+/+1/2) 同理，若平壁由n层不同材料组成，则 q=( tf1 tf2)/(1/1+ i/i +1/2) 若不为常数，取其平均值。,第二章 热 量 传 输,作业： P206 3 7,第二章 热 量 传 输,返 回,一、本课的基本要求：,3. 临界热绝缘直径问题。,第三讲:一维圆筒壁稳定导热,1. 一维圆筒壁的温度分布、及导热量的计算。（第一类、第三类边界条件；单层、多层；为

8、常数、不为常数。）,2. 平均面积、导热的形状因素、接触热阻。,第二章 热 量 传 输,二、本课的重点、难点：,1. 本课的重点是圆筒壁的温度分布规律、及导热量的计算。,2. 本课的难点是临界热绝缘直径的求解问题 。,第二章 热 量 传 输,2.2.2 一维圆筒壁稳定导热,1. 第一类边界条件下导热,第二章 热 量 传 输,第二章 热 量 传 输,由以上两式可得：,第二章 热 量 传 输,最后，得,注意： 对圆筒壁而言，与平壁不同，圆筒壁的温度梯度不是常数，是半径 r 的函数，因此在不同半径处的热通量是不同的。 在稳定导热情况下，通过长度为l的圆筒壁的热流量Q却是恒定的。,第二章 热 量 传 输,按傅立叶定律，对圆筒壁有：,第二章 热 量 传 输,第二章 热 量 传 输,式中 是单位长度圆筒壁的导热热阻记为 ， 图2-2-4给出了单层圆筒壁导热的模拟电路图。,对于多层圆筒壁： （如三层）,第二章 热 量 传 输,n层,第二章 热 量 传 输,2.第三类边界条件下传热,与前面的平壁导热相类似。 导热微分方程：,边界条件为： r=r12r1=1 (tf1t r=r1) 2r1 r=r22r

9、2=1 (tf1t r=r2) 2r2,第二章 热 量 传 输,第二章 热 量 传 输,整理后得：,第二章 热 量 传 输,同理，若平壁由n层不同材料组成，则,第二章 热 量 传 输,3. 几点说明,第二章 热 量 传 输,（1）平均面积问题,（2）导热的形状因素 因为一维导热的导热计算最简单，所以工程上常将一些非一维的导热问题作为一维导热来处理，这时就要引入形状因素的概念，它的定义式为； Q= （tw1 tw2）,第二章 热 量 传 输,大多数室状炉可认为是空心六面体，此时可通过炉壁、棱、角的不同形状因素来求热流量。当炉空间三个尺寸均大于壁厚的1/5时，它们的形状因素分别为:,w=/A；l=0.54L；c=0.15 。,第二章 热 量 传 输,第二章 热 量 传 输,(4) 临界热绝缘直径,对圆筒壁，其总热阻为,为了减少管道的热损失，常采用在管道外侧覆盖热绝缘层即隔热层的办法。但是覆盖隔热层以后是否一定能减少热损失？如何正确选择隔热材料？,第二章 热 量 传 输,第二章 热 量 传 输,从上式可以看出，前面两项为常数，而后两项则与有关。当 加大，即隔热层加厚时，则隔热层热阻 随之加 大，而隔热层外对流换热热阻1/dx2则反而减少。下图绘出了总热阻R1及构成各项热阻随 的变化曲线。,第二章 热 量 传 输,由此，在管道外侧覆盖隔热材料时必须注意：,第二章 热 量 传 输,作业： P206 6,第二章 热 量 传 输,返 回,第四讲:对

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