热工与流体力学第12章.pptx
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1、会计学1热工与流体力学第热工与流体力学第12章章2023/2/26学习要求学习要求 本章的本章的重点重点是掌握平壁、圆筒壁的一维稳态导热计算,通过学是掌握平壁、圆筒壁的一维稳态导热计算,通过学习应达到以下要求:习应达到以下要求:1.理解导热的物理概念,了解导热的微观机理。理解导热的物理概念,了解导热的微观机理。2.理解温度场、等温线、等温面、温度梯度以及稳态导热的概念。理解温度场、等温线、等温面、温度梯度以及稳态导热的概念。3.掌握导热基本定律掌握导热基本定律傅里叶定律的物理意义和数学表达式。傅里叶定律的物理意义和数学表达式。4.了解热导率的物理意义及影响热导率的因素。了解热导率的物理意义及影
2、响热导率的因素。5.掌握单层平壁和多层平壁的一维稳态导热计算公式及其应用。掌握单层平壁和多层平壁的一维稳态导热计算公式及其应用。6.掌握单层圆筒壁和多层圆筒壁的一维稳态导热计算公式及其应用。掌握单层圆筒壁和多层圆筒壁的一维稳态导热计算公式及其应用。第1页/共32页2023/2/26本章难点本章难点本章难点本章难点1.1.导热基本概念中,理解温度场、等温面(或等温线)及温导热基本概念中,理解温度场、等温面(或等温线)及温导热基本概念中,理解温度场、等温面(或等温线)及温导热基本概念中,理解温度场、等温面(或等温线)及温度梯度等概念有一定的难度,要求初学者从物理概念入度梯度等概念有一定的难度,要求
3、初学者从物理概念入度梯度等概念有一定的难度,要求初学者从物理概念入度梯度等概念有一定的难度,要求初学者从物理概念入手比较容易。手比较容易。手比较容易。手比较容易。2.2.圆筒壁的导热面积与其半径成正比,虽然稳态导热中通过圆筒壁的导热面积与其半径成正比,虽然稳态导热中通过圆筒壁的导热面积与其半径成正比,虽然稳态导热中通过圆筒壁的导热面积与其半径成正比,虽然稳态导热中通过圆筒壁的热流量不变,但其热流密度却在变化,温度也圆筒壁的热流量不变,但其热流密度却在变化,温度也圆筒壁的热流量不变,但其热流密度却在变化,温度也圆筒壁的热流量不变,但其热流密度却在变化,温度也不呈线性分布。为此圆筒壁的导热公式是由
4、简单的微分不呈线性分布。为此圆筒壁的导热公式是由简单的微分不呈线性分布。为此圆筒壁的导热公式是由简单的微分不呈线性分布。为此圆筒壁的导热公式是由简单的微分方程导出的,必须从物理概念角度充分认识到这一点。方程导出的,必须从物理概念角度充分认识到这一点。方程导出的,必须从物理概念角度充分认识到这一点。方程导出的,必须从物理概念角度充分认识到这一点。第2页/共32页2023/2/26 第一节第一节 导热的基本定律导热的基本定律 导电体导电体导电体导电体的导热主要靠的导热主要靠的导热主要靠的导热主要靠自由电子的运动自由电子的运动自由电子的运动自由电子的运动来完成;来完成;来完成;来完成;导热导热又称又
5、称热传导热传导,是指是指物体各部分无相对位移物体各部分无相对位移或或不不同物体直接接触同物体直接接触时依靠时依靠分子、原子分子、原子及及自由电子自由电子等微观粒子等微观粒子的的热运动热运动而进行的热量传递现象。而进行的热量传递现象。气体气体 导热是导热是气体分子不规则热运动时碰撞气体分子不规则热运动时碰撞的结果的结果;导热导热是物质的属性,在是物质的属性,在固体、液体固体、液体和和气体气体中均可进行,中均可进行,但微观机理有所不同。但微观机理有所不同。一、基本概念一、基本概念 固体固体非导电固体非导电固体则通过则通过原子、分子在其平衡位置原子、分子在其平衡位置附近的振动附近的振动来传导热量来传
6、导热量.第3页/共32页2023/2/26 单纯的导热单纯的导热一般只发生在一般只发生在密实的固体密实的固体中。中。气气体体与与液液体体因因为为具具有有流流动动特特性性,在在产产生生导导热热的的同同时时往往伴随往往伴随宏观相对位移宏观相对位移(即(即对流对流)而使热量转移。而使热量转移。在工程应用中,一般把发生在在工程应用中,一般把发生在换热器管壁、管道保温换热器管壁、管道保温层、墙壁等固态材料层、墙壁等固态材料中的热量传递均可看作中的热量传递均可看作导热导热过程处理。过程处理。导导导导 热热热热此现象最为普遍,此现象最为普遍,也最具有应用价值也最具有应用价值 液体液体其导热机理认为其导热机理
7、认为介于气体和固体之间介于气体和固体之间。第4页/共32页2023/2/26 某一时刻,物体中各点温度分布的状况称为某一时刻,物体中各点温度分布的状况称为温度场。温度场。2.温度场温度场非稳态温度场非稳态温度场:一般来说,温度场是空间坐标和时间的函数,其数一般来说,温度场是空间坐标和时间的函数,其数学表达式为:学表达式为:空间各点温度随时间空间各点温度随时间 而变化的温度场。而变化的温度场。稳态温度场稳态温度场:空间各点温度都不随时间空间各点温度都不随时间 而变化的温度场。而变化的温度场。t=f(x、y、z)t=f(x、y、z、)二维稳态温度场二维稳态温度场 一维稳态温度场一维稳态温度场 t=
8、f(x、y)t=f(x)最简单最简单,工工程应用最多程应用最多稳态温度场中发生的导热称为稳态导热。稳态温度场中发生的导热称为稳态导热。稳态导热稳态导热:如各种热力设备在启动、如各种热力设备在启动、停机或变工况时的温度场停机或变工况时的温度场 第5页/共32页2023/2/26 在在温温度度场场中中,同同一一时时刻刻温温度度相相同同的的点点所所构构成成的的线线或面或面称为称为等温线等温线或或等温面等温面。3.等温线、等温面和温度梯度等温线、等温面和温度梯度 等温线和等温面的等温线和等温面的特点特点:(1)任意两个等温线或等温面永不相交。)任意两个等温线或等温面永不相交。(2)等温线或等温面可以在
9、物体内部是完全封闭)等温线或等温面可以在物体内部是完全封闭的曲线或曲面,也可终止于物体的边缘,但不可以在物的曲线或曲面,也可终止于物体的边缘,但不可以在物体内部中断。体内部中断。(3)等温线或等温面上温度差为零,没有热量的)等温线或等温面上温度差为零,没有热量的传递。传递。热量传递热量传递只是只是沿着最短的途径沿着最短的途径进行,即进行,即沿着等温沿着等温面或等温线的法线方向进行面或等温线的法线方向进行。空间中任何一点不可能同时空间中任何一点不可能同时具有两个不同的温度值具有两个不同的温度值等温线、等温面等温线、等温面第6页/共32页2023/2/26 等等温温面面法法线线方方向向上上的的温温
10、度度增增量量 t与与法法向向距距离离 n的的比比值值的极限的极限,称为,称为温度梯度温度梯度,记为,记为gradt,单位为,单位为/m。即:。即:温度梯度温度梯度 对对一维稳态温度场一维稳态温度场,温度梯度为:,温度梯度为:温度梯度是向量,指温度梯度是向量,指向温度增加的方向。向温度增加的方向。热量传递方向与温度热量传递方向与温度梯度方向恰好相反梯度方向恰好相反第7页/共32页2023/2/26二、导热基本定律二、导热基本定律 也称也称傅里叶定律傅里叶定律。或或对于对于一维稳态导热一维稳态导热,傅里叶定律可表示为,傅里叶定律可表示为 :热流量,热流量,W;A:导导热面积,热面积,m2;:热导率
11、,热导率,W/(m K);q:热流密度,热流密度,W/m2;“”:表示热流方向与表示热流方向与温度梯度的方向相反,永温度梯度的方向相反,永远指向温度降低的方向。远指向温度降低的方向。该定律指出:当导热体内进行的是该定律指出:当导热体内进行的是纯导热纯导热时,时,单位单位时间内时间内以导热方式传递的热量,与以导热方式传递的热量,与温度梯度温度梯度及及垂直于导热垂直于导热方向的导热面积成正比。方向的导热面积成正比。热流量热流量和和热流密度热流密度反映了反映了热量传递热量传递快慢的程度,快慢的程度,它们之间的关系为:它们之间的关系为:第8页/共32页2023/2/26三、热导率三、热导率 热导率表示
12、热导率表示物质导热能力的大小物质导热能力的大小。影响热导率的因素主要有影响热导率的因素主要有:热导率在数值上等于单位温热导率在数值上等于单位温度梯度作用下的热流密度度梯度作用下的热流密度物质种类、温度、结构、密度、湿度等。物质种类、温度、结构、密度、湿度等。第9页/共32页2023/2/26工程上常见物质的热导率可从有关手册查得。工程上常见物质的热导率可从有关手册查得。如附表如附表14、15热导率热导率热导率热导率 物质的热导率一般通过实验测定。物质的热导率一般通过实验测定。常见材料热导率的大常见材料热导率的大致范围及随温度的变致范围及随温度的变化关系见图化关系见图12-2。气体热导率随温度气
13、体热导率随温度变化的幅度最大变化的幅度最大 第10页/共32页2023/2/26 物质的热导率具有如下物质的热导率具有如下特点特点特点特点:(1 1)导电性能好的材料,导热性能也较好。)导电性能好的材料,导热性能也较好。)导电性能好的材料,导热性能也较好。)导电性能好的材料,导热性能也较好。热导率热导率热导率热导率如银、铜、如银、铜、铝等金属铝等金属(2)液体热导率的范围为)液体热导率的范围为0.070.7W/(m K);气);气体热导率的范围为体热导率的范围为0.0060.6W/(m K)。)。(3)非金属固体材料热导率的范围很大,高限可达)非金属固体材料热导率的范围很大,高限可达6.0W/
14、(m K),低限接近气体。),低限接近气体。(4)湿度对保温材料的热导率影响很大。)湿度对保温材料的热导率影响很大。孔隙多,很容易孔隙多,很容易吸收水分吸收水分,须防须防潮潮(5)材料的热导率均随温度的变化而变化,有的与温度的)材料的热导率均随温度的变化而变化,有的与温度的变化方向相同,有的则相反。变化方向相同,有的则相反。热导率高的物质热导率高的物质有利于热传递有利于热传递 保温材料保温材料:国家标准规定国家标准规定,凡凡平均温度不高于平均温度不高于350时时 热导率不大于热导率不大于 0.12W/(m K)的材料。的材料。第11页/共32页2023/2/26 第二节第二节第二节第二节 平壁
15、的稳态导热平壁的稳态导热平壁的稳态导热平壁的稳态导热 主要研究主要研究大平壁大平壁的的一维稳态导热一维稳态导热。一维稳态导热一维稳态导热 忽略大平壁的边缘影响,忽略大平壁的边缘影响,导热仅沿厚度方向进行导热仅沿厚度方向进行。大平壁大平壁 长度和宽度的尺寸远大于其厚度。在工程计算中,当长度和宽度的尺寸远大于其厚度。在工程计算中,当平平壁的高和宽均大于壁的高和宽均大于10倍厚度时倍厚度时,就可作为大平壁处理。,就可作为大平壁处理。一、单层平壁的稳态导热一、单层平壁的稳态导热 第12页/共32页2023/2/26当当x=0时,时,t=tw1,x=时,时,t=tw2。由傅里叶定律得由傅里叶定律得热流密
16、度热流密度为:为:有一单层平壁,厚度为有一单层平壁,厚度为,热导,热导率为率为,两个侧表面分别维持均匀稳,两个侧表面分别维持均匀稳定的温度定的温度tw1和和tw2,且,且tw1tw2。由此边界条件积分上式可得由此边界条件积分上式可得:单层平壁的稳态导热单层平壁的稳态导热单层平壁的稳态导热单层平壁的稳态导热或或 R:平壁单位传热平壁单位传热面积的导热热阻面积的导热热阻第13页/共32页2023/2/26导热速率与导热推动力成正比,与导热热阻成反比。导热速率与导热推动力成正比,与导热热阻成反比。上两式表明上两式表明:单位时间内传递的单位时间内传递的热流量热流量为为:由上两式可归纳出自然界中传递过程
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