导热理论热传导原理（精编版）.docx

第二节 热传导热传导是由物质内部分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象热传导的机理非常复杂， 简而言之， 非金属固体内部的热传导是通过相邻分子在碰撞时传递振动能实现的； 金属固体的导热主要通过自由电子的迁移传递热量； 在流体特别是气体中， 热传导则是由于分子不规则的热运动引起的一、温度场和等温面4-2-1 傅里叶定律任一瞬间物体或系统内各点温度分布的空间，称为温度场在同一瞬间，具有相同温度的各点组成的面称为等温面 因为空间内任一点不可能同时具有一个以上的不同温度， 所以温度不同的等温面不能相交二、温度梯度从任一点开始，沿等温面移动，如图 4-3 所示，因为在等温面上无温度变化，所以无热量传递；而沿和等温面相交的任何方向移动， 都有温度变化， 在与等温面垂直的方向上温度变化率最 大将相邻两等温面之间的温度差 △ t 与两等温面之间的垂直距离 △n 之比的极限称为温度梯度， 其数学定义式为：t tgradt lim (4-1)n nt温度梯度为向量，它的正方向指向温度增加的方向，如图 4-3 所示n对稳定的一维温度场，温度梯度可表示为：gradt dt dx三、傅里叶定律（ 4-2）导热的机理相当复杂，但其宏观规律可用傅里叶定律来描述，其数学表达式为：或 dQ dS t nt（4-3）式中 ——温度梯度，是向量，其方向指向温度增加方向，℃ /m；nQ——导热速率， W ；S——等温面的面积， m2；λ——比例系数，称为导热系数， W/（ m℃）。

式 4-3 中的负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反，如图 4-3 所示傅里叶定律表明： 在热传导时， 其传热速率与温度梯度及传热面积成正比必须注意， λ作为导热系数是表示材料导热性能的一个参数， λ越大，表明该材料导热越快和粘度 μ一样，导热系数λ 也是分子微观运动的一种宏观表现4-2-2 导热系数图 4-3 温度梯度与傅里叶定律导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一物体的导热系数与材料的组成、结构、温度、湿度、压强及聚集状态等许多因素有关一般说来，金属的导热系数最大，非金属次之，液体的较小，而气体的最小各种物质的导热系数通常用实验方法测定 常见物质的导热系数可以从手册中查取 各种物质导热系数的大致范围见表 4-1 所示表 4-1 导热系数的大致范围物质种类导热系数 /纯金属金属合金液态金属非金属固体非金属液体绝热材料气体W m-1 K-1100～ 140050～ 50030～ 3000.05～ 500.5～ 50.05～ 10.005～ 0.5一、固体的导热系数固体材料的导热系数与温度有关，对于大多数均质固体，其λ值与温度大致成线性关系：0 1 a t（ 4-4）式中 λ——固体在 t℃时的导热系数， W/ （ m℃）；λ0——物质在 0℃时的导热系数， W/ （ m℃）；图 4-4 各种液体的导热系数1—无水甘油； 2—蚁酸； 3—甲醇； 4—乙醇； 5—蓖麻油； 6—苯胺； 7—醋酸； 8—丙酮； 9—丁醇；10—硝基苯； 11—异丙醇； 12—苯； 13—甲苯； 14—二甲苯； 15—凡士林； 16—水（用右面的比例尺）a ——温度系数，℃ -1 ；对大多数金属材料 a 为负值，而对大多数非金属材料 a为正值。

同种金属材料在不同温度下的导热系数可在化工手册中查到，当温度变化范围不大时，一般采用该温度范围内的平均值二、液体的导热系数液态金属的导热系数比一般液体高，而且大多数液态金属的导热系数随温度的升高而减小在非金属液体中， 水的导热系数最大 除水和甘油外， 绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小 一般说来， 纯液体的导热系数比其溶液的要大 溶液的导热系数在缺乏数据时可按纯液体的λ值进行估算各种液体导热系数见图 4-4 三、气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而增大在相当大的压强范围内，气体的导热系数与压强几乎无关由于气体的导热系数太小，因而不利于导热，但有利于保温与绝热工业上所用的保温材料，例如玻璃棉等，就是因为其空隙中有气体，所以导热系数低，适用于保温隔热各种气体的导热系数见图 4-5 一、单层平壁热传导4-2-3 平壁热传导如图 4-6 所示，设有一宽度和高度均很大的平壁， 壁边缘处的热损失可以忽略； 平壁内的温度只沿垂直于壁面的 x 方向变化， 而且温度分布不随时间而变化； 平壁材料均匀， 导热系数 λ 可视为常数（或取平均值）对于此种稳定的一维平壁热传导，导热速率 Q 和传热面积 S 都为常量，式 4-3 可简化为图 4-5 各种气体的导热系数 图 4-6 单层平壁的热传导1—水蒸气； 2—氧； 3— CO2；4—空气； 5—氮； 6—氩Q S dtdx（ 4-5 ）当 x=0 时， t=t1； x=b 时， t=t2；且 t1＞ t2。

将式（ 4-5 ）积分后，可得：Q S t1 t 2b（ 4-6）或 Q t1 t 2 t b R（ 4-7）S式中 b——平壁厚度， m；Δt——温度差，导热推动力，℃； R——导热热阻，℃ /W 当导热系数 λ为常量时，平壁内温度分布为直线；当导热系数λ随温度变化时，平壁内温度分布为曲线式 4-7 可归纳为自然界中传递过程的普遍关系式：必须强调指出，应用热阻的概念，对传热过程的分析和计算都是十分有用的例 4-1 】 某平壁厚度 b=0.37m ，内表面温度 t1 =1650℃，外表面温度 t2=300 ℃，平壁材料导热系数 λ=0.815+0.00076 t，W/ （ m℃）若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量解：（ 1）导热系数按常量计算平壁的平均温度 tm平壁材料的平均导热系数t1 t 2216502300975 ℃m 0.8150.000769751.556 W/ （ m℃）导热热通量为：q t1 t2 b1.5560.3716503005677 W/m 2设壁厚 x 处的温度为 t，则由式 4-6 可得故 t t1qx 16505677 x1.55616503649x上式即为平壁的温度分布关系式，表示平壁距离 x 和等温表面的温度呈直线关系。

2）导热系数按变量计算，由式 4-5 得或 － qdx=（ 0.815+0.0076 t） dtb t2积分 q dx00.815t10.00076t dt0.00076 2 2得 qb0.815 t2 t1t2 t12（ a）2q 0.81516503000.00076 165023005677 W/m 20.37 2 0.37当 b= x 时， t2 =t，代入式（ a），可得整理上式得解得 t10727.411061.49107 x上式即为当 λ随 t 呈线性变化时单层平壁的温度分布关系式，此时温度分布为曲线计算结果表明，将导热系数按常量或变量计算时，所得的导热通量是相同的，而温度分布则不同，前者为直线，后者为曲线二、多层平壁的热传导以三层平壁为例，如图 4-7 所示各层的壁厚分别为 b1、b2 和 b3，导热系数分别为 λ1、λ2 和λ3 假设层与层之间接触良好，即相接触的两表面温度相同各表面温度分别为 t1、t2 、t3 和t4，且 t1＞ t2 ＞ t3 ＞ t4在稳定导热时，通过各层的导热速率必相等，即 Q= Q1= Q2=Q3Q 1S t1 t2b12 S t2 t3b23 S t3 t4b3图 4-7 三层平壁的热传导由上式可得t1 t1 t 2Q b11 S（ 4-8）t2 t2t3 t3b2t3 Q2 Sb3t4 Q3 S（ 4-9）（ 4-10 ）Δt 1∶ Δt2 ∶Δt3=b1 ∶1 Sb2 ∶2 Sb3 = R1 ∶ R2 ∶R3 （ 4-11 ）3S可见，各层的温差与热阻成正比。

将式（ 4-8）、（ 4-9）、（ 4-10 ）相加，并整理得Q t 1 t2 t3b1 b2 b3t1 t 4b1 b2 b3（ 4-12 ）1S 2 S 3 S 1S 2 S 3S式 4-12 即为三层平壁的热传导速率方程式对 n 层平壁，热传导速率方程式为Q t1 tn 1 n bit 总推动力R 总热阻（ 4-13）i 1 i S可见，多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温度差，总热阻为各层热阻之和例 4-2 】 某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成， 两层的厚度均为 100mm ，其导热系数分别为 0.9W/ （ m℃）及 0.7W/ （ m℃）待操作稳定后，测得炉膛的内表面温度为700℃，外表面温度为 130℃为了减少燃烧炉的热损失， 在普通砖外表面增加一层厚度为 40mm 、导热系数为 0.06W/ （ m℃）的保温材料操作稳定后，又测得炉内表面温度为 740℃，外表面 温度为 90℃设两层砖的导热系数不变，试计算加保温层后炉壁的热损失比原来的减少百分之几？解：加保温层前单位面积炉壁的热损失为 QS 1此时为双层平壁的热传导，其导热速率方程为：Q t1 t3S 1 b1 b21 27000.10.91300.10.72244 W/m 2加保温层后单位面积炉壁的热损失为 QS 2此时为三层平壁的热传导，其导热速率方程为： 故加保温层后热损失比原来减少的百分数为：4-2-4 圆筒壁的热传导化工生产中通过圆筒壁的导热十分普遍，如圆筒形容器、管道和设备的热传导。

它与平壁热传导的不同之处在于圆筒壁的传热面积随半径而变，温度也随半径而变一、单层圆筒壁的热传导如图 4-8 所示，设圆筒的内、外半径分别为 r 1 和 r 2 ，内外表面分别维持恒定的温度 t1 和 t2， 管长 L 足够长，则圆筒壁内的传热属—维稳定导热若在半径 r 处沿半径方向取一厚度为 dr 的薄壁圆筒，则其传热面积可视为定值，即 2πrL 根据傅里叶定律：Q S dtdr2 rL dt dr（ 4-14 ）分离变量后积分，整理得：Q 2或 Q 2L t1 t2ln r2r1L t1 t2r2 r12 L rm t1 t2（ 4-15 ）。