化工原理(少学时)课件和辅导教程、考试重点例题复习题及课后答案2.2. 热传导.ppt

返回第二节第二节 热传导热传导1返回一、傅立叶定律一、傅立叶定律式中式中 t 某点的温度，某点的温度，；x,y,z 某点的坐标；某点的坐标；时间。时间。温度温度场场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。：某时刻，物体或空间各点的温度分布。(1)(1)温度场和温度梯度温度场和温度梯度2返回等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。组成的面。不同温度的等温面不相交不同温度的等温面不相交。t1t2t1t2等温面Q3返回(2)(2)温度梯度温度梯度 t+tt-ttnQdA 温度梯度是一个点的概念。温度梯度是一个点的概念。温度梯度是一个向量。温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面，以温度增加最快方向垂直于该点所在等温面，以温度增加最快的方向为正。的方向为正。一维稳定热传导一维稳定热传导4返回（3 3）傅立叶定律）傅立叶定律 dQ 热传导速率，热传导速率，W或或J/s；dA 导热面积，导热面积，m2；dt/dx 一维温度梯度，一维温度梯度，/m或或K/m；热导率，导热系数，热导率，导热系数，W/(m)或或W/(mK)。5返回 负号表示传热方向与温度梯度方向相反负号表示传热方向与温度梯度方向相反 表征材料导热性能的物性参数表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性能越好越大，导热性能越好 用热通量来表示用热通量来表示6返回(2)是是分子微观运动的宏观表现。分子微观运动的宏观表现。二、导热系数二、导热系数 (1)在数值上等于单位温度梯度下的热通量。在数值上等于单位温度梯度下的热通量。=f(结构结构,组成组成,密度密度,温度温度,压力）压力）(3)各种物质的导热系数各种物质的导热系数 金属固体金属固体 非金属固体非金属固体 液体液体 气体气体 7返回在一定温度范围内：在一定温度范围内：式中式中 0,0,t时的导热系数，时的导热系数，W/(mK)；a 温度系数。温度系数。对大多数金属材料和液体对大多数金属材料和液体a 0 ，t 1)1)固体固体 金属：金属：纯金属纯金属 合金合金 非金属：同样温度下，非金属：同样温度下，越大，越大，越大。越大。8返回2)2)液体液体 金属液体金属液体 较高，非金属液体较高，非金属液体 低，低，水的水的 最大。最大。t （除水和甘油）除水和甘油）3)3)气体气体 一般来说，纯液体的大于溶液一般来说，纯液体的大于溶液 t 气体不利用导热，但可用来保温或隔热。气体不利用导热，但可用来保温或隔热。9返回绝热材料的绝热材料的:一般呈纤维状或多孔结构，密度小，则含空气多。一般呈纤维状或多孔结构，密度小，则含空气多。如果密度太小，空隙尺寸太长，其中空气的自然对如果密度太小，空隙尺寸太长，其中空气的自然对流与辐射作用增强，反而使流与辐射作用增强，反而使 增大。增大。如冬天晒被子如冬天晒被子保温材料作防水处理保温材料作防水处理10返回注意：注意：随温度发生变化，在传热过程中如何求解随温度发生变化，在传热过程中如何求解？1.先求取最高、最低温度下的先求取最高、最低温度下的，再平均；，再平均；2.先求取平均温度，再计算平均温度下的先求取平均温度，再计算平均温度下的。11返回 三、平壁的稳定热传导三、平壁的稳定热传导（一）、一）、通过单层平壁的稳定热传导通过单层平壁的稳定热传导 假设：假设：(1)A大，大，b小；小；(2)材材质质均均匀匀，不不随随温温度度而变而变；(3)t1、t2保保持持恒恒定定，温温度度仅仅沿沿x变变化化，且且不不随随时时间变化。间变化。t1t2btxdxQxQx+dx12返回傅立叶定律：傅立叶定律：边界条件为：边界条件为：得：得：13返回设设 不随不随t而变而变 式中式中 Q 热流量或传热速率，热流量或传热速率，W或或J/s；A 平壁的面积，平壁的面积，m2；b 平壁的厚度，平壁的厚度，m；平壁的导热系数，平壁的导热系数，W/(m)或或W/(mK)；t1,t2 平壁两侧的温度，平壁两侧的温度，。14返回讨论：讨论：2分析平壁内的温度分布分析平壁内的温度分布上限由上限由1可表示为可表示为推动力：推动力：热阻：热阻：变为变为15返回 不随不随t变化，变化，tx成呈线形关系。成呈线形关系。3当当 随随t变化时变化时若若 随随t变化关系为：变化关系为：则则tx呈呈抛物线关系。抛物线关系。如：如：1t1，2t216返回（二）二）通过多层平壁的稳定热传导通过多层平壁的稳定热传导 假设：假设：(1)A大，大，b小；小；(2)材质均匀，不随材质均匀，不随温度温度而变而变；(3)t1、t2、t3、t4保持恒保持恒定定。(4)各层接触良好，接各层接触良好，接触面两侧温度相同。触面两侧温度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t317返回推广至推广至n层：层：18返回各层的温差各层的温差 思考：思考：厚度相同的三层平壁厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，示，哪一层热阻最大，说明各层说明各层 的大小排列。的大小排列。t1t2t3t4 3 1 219返回四、通过圆筒壁的稳定热传导四、通过圆筒壁的稳定热传导（一）一）通过单层圆筒壁的稳定热传导通过单层圆筒壁的稳定热传导 假定：假定：(1)=C，为常量；，为常量；(2)Lr，一维温，一维温度场。度场。(3)t1、t2 保持恒定。保持恒定。20返回对于稳定温度场，取对于稳定温度场，取dr同心薄层圆同心薄层圆筒，作热量衡算：筒，作热量衡算：边界条件边界条件 得：得：21返回式中式中Q 热流量或传热速率，热流量或传热速率，W或或J/s；导热系数，导热系数，W/(m)或或W/(mK)；t1,t2 圆筒壁两侧的温度，圆筒壁两侧的温度，；r1,r2 圆筒壁内外半径，圆筒壁内外半径，m。d1,d2 圆筒壁内外直径，圆筒壁内外直径，m22返回23返回24返回25返回讨论：讨论：1上式可以为写上式可以为写 对数平均面积对数平均面积26返回2 3圆筒壁内的温度分布圆筒壁内的温度分布上限从上限从改改为为tr成对数曲线变化成对数曲线变化(假设假设 不随不随t变化变化)27返回4平壁：各处的平壁：各处的Q和和q均相等；均相等；圆筒壁：不同半径圆筒壁：不同半径r处处Q相等，但相等，但q却不等。却不等。二、通过多层圆筒壁的稳定热传导二、通过多层圆筒壁的稳定热传导(4点假设点假设)28返回对于对于n层圆筒壁：层圆筒壁：式中式中 q1,q2,q3分别为半径分别为半径r1,r2,r3处的热通处的热通量。量。29返回 例题例题2.2.1内径为内径为15mm，外径为外径为19mm的的钢管，其钢管，其 1 为为20 W/m，其外包扎一层厚度为其外包扎一层厚度为30mm，2为为0.2 W/m 的保温材料，若钢管内表面温度为的保温材料，若钢管内表面温度为580,保保温层外表面温度为温层外表面温度为80,试求试求:(1)每米管长的热损失每米管长的热损失;(2)保温层中的温度分布。保温层中的温度分布。30返回 例题例题2.2.2 有一蒸汽管道，外径为有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保温管外包有两层保温材料，每层材料均厚材料，每层材料均厚25mm，外层保温材料与内层材外层保温材料与内层材料导热系数之比料导热系数之比 2/1=5，此时单位时间的热损失为，此时单位时间的热损失为Q；现工况将两层材料互换，且设管外壁与保温层外现工况将两层材料互换，且设管外壁与保温层外表面的温度表面的温度t1、t3不变，则此时热损失为不变，则此时热损失为Q，求，求Q/Q=？31