传热学第三章稳态导热精选PPT.ppt
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1、传热学第三章稳态导热2023/1/71第1页,此课件共52页哦典型稳态导热问题分析解典型稳态导热问题分析解 稳态导热问题的主要特征是物体中各点温度不随时间变稳态导热问题的主要特征是物体中各点温度不随时间变化,只是空间坐标的函数,热流也具有同样性质。化,只是空间坐标的函数,热流也具有同样性质。温度在空间坐标上的分布决定导热问题的维数,维数越温度在空间坐标上的分布决定导热问题的维数,维数越多问题越复杂,所以应对具体问题具体分析,从主要因素着多问题越复杂,所以应对具体问题具体分析,从主要因素着手,忽略次要因素,适当简化。手,忽略次要因素,适当简化。稳态导热稳态导热:直角坐标系直角坐标系:2023/1
2、/72第2页,此课件共52页哦 1、通过平壁的导热、通过平壁的导热 平壁的长度和宽度都远大于其厚度,因而当平板两平壁的长度和宽度都远大于其厚度,因而当平板两侧保持均匀边界条件时,热量只在厚度方向传递,温度侧保持均匀边界条件时,热量只在厚度方向传递,温度只在厚度方向变化,即只在厚度方向变化,即一维稳态导热问题一维稳态导热问题。o tw1ttw2t(x)a.a.通过单层平壁的稳态导热通过单层平壁的稳态导热(无内热源,(无内热源,为常数)为常数)导热微分方程导热微分方程:x2023/1/73第3页,此课件共52页哦两个边界均为第一类边界条件两个边界均为第一类边界条件代入边界条件得平壁内代入边界条件得
3、平壁内温度分布:温度分布:直接积分,得通解直接积分,得通解:(线性分布)(线性分布)2023/1/74第4页,此课件共52页哦热流量热流量热流密度热流密度式中:(整个平壁的导热热组)式中:(单位面积导热热组)2023/1/75第5页,此课件共52页哦(随温度呈线性变化,随温度呈线性变化,为常数为常数)代入边界条件得其代入边界条件得其温度分布温度分布:(二次曲线方程)(二次曲线方程)数学描述:再积分得通解:2023/1/76第6页,此课件共52页哦 其抛物线的凹向取决于系数其抛物线的凹向取决于系数 的正负。当的正负。当 时时,随着随着 的增大而增大,的增大而增大,即高温区的导热系数大于低温区。即
4、高温区的导热系数大于低温区。由由 ,平壁两侧,平壁两侧热流相等,面积相等,所以高温热流相等,面积相等,所以高温区的温度变化率较低温区平缓,区的温度变化率较低温区平缓,形成上凸的温度分布。当形成上凸的温度分布。当 时时情况与之相反。情况与之相反。=0(1+bt)b0b0t1 t20 x2023/1/77第7页,此课件共52页哦热流密度热流密度计算式为计算式为:或或从中不难看出,从中不难看出,m是平壁两表面温度对应的导热系数是平壁两表面温度对应的导热系数的算术平均值,也是平壁两表面温度算术平均值下的的算术平均值,也是平壁两表面温度算术平均值下的导热系数值。导热系数值。式中式中 2023/1/78第
5、8页,此课件共52页哦b.b.通过多层平壁的导热通过多层平壁的导热 例:房屋的墙壁由白灰内层例:房屋的墙壁由白灰内层 、水泥沙浆层、水泥沙浆层 、红砖主体层红砖主体层等等组组成成,假假设设各各层层之之间间接接触触良良好好,近近似似地地认认为为接合面上温度相等。接合面上温度相等。t2t3t4t1 qt1 r1 t2 r2 t3 r3 t4推广到推广到n层壁的情况层壁的情况:2023/1/79第9页,此课件共52页哦2.通过复合平壁的导热通过复合平壁的导热 工工程程上上会会遇遇到到这这样样一一类类平平壁壁,无无论论沿沿宽宽度度还还是是厚厚度度方方向,都是由不同材料组合而成向,都是由不同材料组合而成
6、,称为,称为复合平壁复合平壁。如:空斗墙、空斗填充墙、空心板墙、夹心板墙。如:空斗墙、空斗填充墙、空心板墙、夹心板墙。由由于于不不同同材材料料的的导导热热系系数数不不同同,严严格格地地说说复复合合平平壁壁的的温温度度场是二维或三维的。场是二维或三维的。简简化化处处理理:当当组组成成复复合合平平壁壁各各种种材材料料的的导导热热系系数数相相差差不不大大时时,可近似当作一维导热问题处理可近似当作一维导热问题处理2023/1/710第10页,此课件共52页哦复合平壁的导热量:复合平壁的导热量:两侧表面总两侧表面总温差温差总导热热阻总导热热阻B、C、D材材料料的的导导热热系系数数相相差差不不大大时时,假
7、假设设它它们们之之间间的的接接触触面面是绝热的。是绝热的。2023/1/711第11页,此课件共52页哦3、通过圆筒壁的导热、通过圆筒壁的导热 稳态稳态导热导热柱坐标系:柱坐标系:当当圆筒圆筒的截面尺寸相对管长很小,且管子内外壁面保持均匀温度的截面尺寸相对管长很小,且管子内外壁面保持均匀温度时,热量只在管径方向传递,通过管壁的导热即为柱坐标系的一时,热量只在管径方向传递,通过管壁的导热即为柱坐标系的一维问题。维问题。a.通过单层圆筒壁的导热通过单层圆筒壁的导热 数学描述数学描述:积分两次得通解积分两次得通解:2023/1/712第12页,此课件共52页哦代入边界条件得圆筒壁的代入边界条件得圆筒
8、壁的温度分布温度分布为为:圆筒壁内的温度分布圆筒壁内的温度分布是一条对数曲线是一条对数曲线 稳态导热时圆筒壁内外壁面热流相稳态导热时圆筒壁内外壁面热流相等,但内壁面积小于外壁面积,所等,但内壁面积小于外壁面积,所以内壁面热流密度总是大于外壁面,以内壁面热流密度总是大于外壁面,由付立叶定律可知,内壁面的温度由付立叶定律可知,内壁面的温度曲线要比外壁面陡。曲线要比外壁面陡。tw1 r1 tw2 r r22023/1/713第13页,此课件共52页哦单位长度圆筒壁的单位长度圆筒壁的热流量热流量热流量热流量单位长度圆筒壁导热热阻2023/1/714第14页,此课件共52页哦b、通过多层圆筒壁的导热、通
9、过多层圆筒壁的导热(运用串联热阻叠加原理运用串联热阻叠加原理)带有保温层的热力管道、嵌套的金属管道和带有保温层的热力管道、嵌套的金属管道和结垢、积灰的输送管道等结垢、积灰的输送管道等 单位管长的热流量单位管长的热流量 2023/1/715第15页,此课件共52页哦c.临界热绝缘直径临界热绝缘直径工程上,为减少管道的散热损工程上,为减少管道的散热损失,常在管道外侧覆盖失,常在管道外侧覆盖热绝缘层热绝缘层或称或称隔热保温层。隔热保温层。问问题题:覆覆盖盖热热绝绝缘缘层层是是否否在在任任何何情情况况下下都都能能减减少少热热损损失失?保保温层是否越厚越好?温层是否越厚越好?insql单位长度管道上的总
10、热阻:单位长度管道上的总热阻:2023/1/716第16页,此课件共52页哦若若d2 dc,当,当dx在在d2与与d3范围内时,管道向外的散热量比无范围内时,管道向外的散热量比无绝缘层时更大,绝缘层时更大,;只有当只有当d2 dc时,覆盖绝热层才会减少热损失!时,覆盖绝热层才会减少热损失!外径增大使导热热阻增加而换热热阻减小,总热阻达到极小值外径增大使导热热阻增加而换热热阻减小,总热阻达到极小值时的热绝缘层外径为时的热绝缘层外径为临界热绝缘直径临界热绝缘直径dc2023/1/717第17页,此课件共52页哦临界热绝缘直径的求取临界热绝缘直径的求取:令:D3的确定的确定:2023/1/718第1
11、8页,此课件共52页哦一般的动力保温管道,是否要考虑临界热绝缘直径呢?一般的动力保温管道,是否要考虑临界热绝缘直径呢?思考:电线包黑胶布思考:电线包黑胶布:ins=0.04W/(mK),hair=10W/(m2K),临界直径为多少?,临界直径为多少?一般一般 d2 2mm dc,有利于散热有利于散热.一般的动力保温管道外径远大于一般的动力保温管道外径远大于22mm22mm,所以在供暖通风工程中,很,所以在供暖通风工程中,很少需要考虑临界问题少需要考虑临界问题。2023/1/719第19页,此课件共52页哦例例:某某管管道道外外经经为为2r2r,外外壁壁温温度度为为t t1 1,如如外外包包两两
12、层层厚厚度度均均为为r r(即即 2 2 3 3r r)、导导热热系系数数分分别别为为 2 2和和 3 3(2 2 /3 3=2=2)的的保保温温材材料料,外外层层外外表表面面温温度度为为t t2 2。如如将将两两层层保保温温材材料料的的位位置置对对调调,其他条件不变,保温情况变化如何?由此能得出什么结论?其他条件不变,保温情况变化如何?由此能得出什么结论?解:解:设两层保温层直径分别为设两层保温层直径分别为d2、d3和和d4,则,则d3/d2=2,d4/d3=3/2。将导热系数大的放在里面:将导热系数大的放在里面:2023/1/720第20页,此课件共52页哦两种情况散热量之比为:两种情况散
13、热量之比为:结论:导热系数大的材料在外面,导热系数小的结论:导热系数大的材料在外面,导热系数小的材料放在里层对保温更有利。材料放在里层对保温更有利。将导热系数大的包在外面:将导热系数大的包在外面:2023/1/721第21页,此课件共52页哦4.通过肋片的导热分析通过肋片的导热分析工程上和自然界常见到一些带有突出表面的物体,如摩托车的气缸外壁、工程上和自然界常见到一些带有突出表面的物体,如摩托车的气缸外壁、马达外壳、暖气片、多数散热器的气侧表面,乃至人体的四肢及耳鼻等。马达外壳、暖气片、多数散热器的气侧表面,乃至人体的四肢及耳鼻等。肋片:依附于基础表面上的扩展表面。肋片:依附于基础表面上的扩展
14、表面。强化传热的重要方法强化传热的重要方法肋化肋化2023/1/722第22页,此课件共52页哦电子器件冷却电子器件冷却2023/1/723第23页,此课件共52页哦1)细长杆的导热)细长杆的导热已知:已知:均质等截面细长杆均质等截面细长杆热壁与周围流体温度分别为热壁与周围流体温度分别为杆材导热系数及其与流体的表面传热系数保持不变杆材导热系数及其与流体的表面传热系数保持不变2023/1/724第24页,此课件共52页哦求:求:细长杆沿高度方向的细长杆沿高度方向的温度分布温度分布t(x)通过细长杆的通过细长杆的散热量散热量解题思路解题思路选择合适的导热微分方程式选择合适的导热微分方程式代入边界条
15、件求出特解代入边界条件求出特解t(x)求出杆基求出杆基 热流量热流量2023/1/725第25页,此课件共52页哦(1)分析推导微分方程式)分析推导微分方程式a.金属细长杆金属细长杆 较大较大、d较小较小、h有限,假设细长有限,假设细长杆任一横截面上的温度均匀一致,所以只在杆杆任一横截面上的温度均匀一致,所以只在杆高方向截取一微元段高方向截取一微元段dx进行分析。进行分析。b.为了简化分析(使微分方程齐次化),用过余为了简化分析(使微分方程齐次化),用过余温度温度 进行计算。进行计算。过余温度过余温度某点温度与某一定某点温度与某一定值温度(基准温度)之差,定义未受散热影响值温度(基准温度)之差
16、,定义未受散热影响的流体温度的流体温度为基准温度。为基准温度。即:即:c.令细长杆的横截面积为令细长杆的横截面积为A,截面周长为,截面周长为P。2023/1/726第26页,此课件共52页哦d.微元段能量平衡分析:微元段能量平衡分析:导入微元段热量:导入微元段热量:导出微元段热量导出微元段热量:微元段对流放热量:微元段对流放热量:热平衡:热平衡:2023/1/727第27页,此课件共52页哦令(二阶、常系数(二阶、常系数齐次微分方程)齐次微分方程)其通解为其通解为:a.无限高细杆无限高细杆边界条件:边界条件:代入通解得特解:代入通解得特解:(2)不同的定解)不同的定解 条件与其特解条件与其特解
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