《传热傅里叶定律》PPT课件.ppt

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1、Logo第二章第二章 传热传热Heat Transfer1.1.温度梯度温度梯度温度梯度温度梯度 温度场温度场温度场温度场：某一瞬间某一瞬间某一瞬间某一瞬间，空间，空间，空间，空间(物体物体物体物体)所有各点温度分布所有各点温度分布所有各点温度分布所有各点温度分布。t t=f f(x,y,z,(x,y,z,)温度，温度，温度，温度，或或或或KK时间时间时间时间,s s2.2传导传导传热传热一一一一.基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律 稳态传热稳态传热稳态传热稳态传热非稳态传热非稳态传热非稳态传热非稳态传热物体的温度分布物体的温度分布物体的温度分布物

2、体的温度分布随时间变化随时间变化随时间变化随时间变化 物体中各点温度物体中各点温度物体中各点温度物体中各点温度与时间无关与时间无关与时间无关与时间无关温度场温度场温度场温度场 稳态一维温度场稳态一维温度场稳态一维温度场稳态一维温度场温度场中温度场中温度场中温度场中同一时刻下相同温度同一时刻下相同温度同一时刻下相同温度同一时刻下相同温度各点所组成各点所组成各点所组成各点所组成的的的的曲面为等温面曲面为等温面曲面为等温面曲面为等温面。沿等温沿等温沿等温沿等温面面面面无热量传递无热量传递无热量传递无热量传递 温度不同的等温面彼此温度不同的等温面彼此温度不同的等温面彼此温度不同的等温面彼此不相交不相交

3、不相交不相交 沿和等温面相交的任何方向，因沿和等温面相交的任何方向，因沿和等温面相交的任何方向，因沿和等温面相交的任何方向，因温度发生变化则有热量的传递温度发生变化则有热量的传递温度发生变化则有热量的传递温度发生变化则有热量的传递 等温面等温面温度差温度差温度差温度差 D D D Dt t 与与与与法向垂直距离法向垂直距离法向垂直距离法向垂直距离 D D D D 之之之之间的比值间的比值间的比值间的比值温度梯度温度梯度称为称为称为称为温度梯度温度梯度温度梯度温度梯度 d dt td d gradientgradientt+D Dttt-D Dt d dt td d 不同温度的等温面不同温度的等

4、温面不同温度的等温面不同温度的等温面之间存在温度差之间存在温度差之间存在温度差之间存在温度差 标量标量标量标量：只有大小，没有方向：只有大小，没有方向：只有大小，没有方向：只有大小，没有方向=Q/=Q/传热速率，传热速率，传热速率，传热速率，WW；AA等温表面的面积，等温表面的面积，等温表面的面积，等温表面的面积，mm2 2；比例系数，称为导热系数，比例系数，称为导热系数，比例系数，称为导热系数，比例系数，称为导热系数，WW/(m)/(m)2.傅立叶定律傅立叶定律传导的热量与传导的热量与传导的热量与传导的热量与温度梯度温度梯度温度梯度温度梯度、传热面积传热面积传热面积传热面积和和和和传热时间传

5、热时间传热时间传热时间成正比成正比成正比成正比 d dQQ-d-dA Ad dt td d 或或或或负号负号负号负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反表示热流方向总是和温度梯度的方向相反表示热流方向总是和温度梯度的方向相反表示热流方向总是和温度梯度的方向相反。F=F=A Advdvd d 对比对比对比对比牛顿黏性定律牛顿黏性定律牛顿黏性定律牛顿黏性定律=-=-QQA Ad d t td d ；=-=-A Ad d t td d-Adtd =3.热导率，又称导热系数热导率，又称导热系数1 1物理意义物理意义物理意义物理意义：表征物质的导热能力，物质的热物性参数。：表征物质的导热能力，物质的热物

6、性参数。：表征物质的导热能力，物质的热物性参数。：表征物质的导热能力，物质的热物性参数。导热系数越大，物体的导热性能越好导热系数越大，物体的导热性能越好导热系数越大，物体的导热性能越好导热系数越大，物体的导热性能越好，即在相同的温度，即在相同的温度，即在相同的温度，即在相同的温度梯度下传热速率越大。梯度下传热速率越大。梯度下传热速率越大。梯度下传热速率越大。2 2影响因数影响因数影响因数影响因数：主要有：主要有：主要有：主要有物质种类物质种类物质种类物质种类、组成组成组成组成和和和和温度温度温度温度，并与结构，并与结构，并与结构，并与结构疏疏疏疏松程度松程度松程度松程度有关。有关。有关。有关。

7、3 3导热系数通常用实验方法测定导热系数通常用实验方法测定 表表表表11物质物质物质物质导热系数导热系数导热系数导热系数的数量级的数量级的数量级的数量级物质种类物质种类物质种类物质种类气体气体气体气体 液体液体液体液体绝热材料绝热材料绝热材料绝热材料建筑材料建筑材料建筑材料建筑材料金属金属金属金属/Wm/Wm-1 1KK0.00.010.110.10.0.1 10.0.010.1010.10.110.1110100101001).固体的导热系数固体的导热系数所有固体中，金属所有固体中，金属所有固体中，金属所有固体中，金属是最好的导热体是最好的导热体是最好的导热体是最好的导热体 纯度纯度纯度纯度

8、 纯金属纯金属纯金属纯金属 温度温度温度温度 合金合金合金合金 纯金属纯金属纯金属纯金属 密度密度密度密度 非非非非金属金属金属金属 温度温度温度温度 对大多数固体，对大多数固体，对大多数固体，对大多数固体，值与温度大致成线性关系值与温度大致成线性关系值与温度大致成线性关系值与温度大致成线性关系自由电子热运动时自由电子热运动时自由电子热运动时自由电子热运动时做杂乱无章地运动。在很低的做杂乱无章地运动。在很低的做杂乱无章地运动。在很低的做杂乱无章地运动。在很低的温度下温度下温度下温度下金属热阻很小，温度越高，热阻越大金属热阻很小，温度越高，热阻越大金属热阻很小，温度越高，热阻越大金属热阻很小，温

9、度越高，热阻越大。2).液体的导热系数液体的导热系数液体可分为金属液体和非金属液体液体可分为金属液体和非金属液体液体可分为金属液体和非金属液体液体可分为金属液体和非金属液体 液态金属液态金属液态金属液态金属 一般一般一般一般液体液体液体液体 在非金属液体中，在非金属液体中，在非金属液体中，在非金属液体中，水的导热系数最大水的导热系数最大水的导热系数最大水的导热系数最大 溶液溶液溶液溶液 纯液体纯液体纯液体纯液体 3).气体的导热系数气体的导热系数(0.010.1W/mK)气体的导热系数气体的导热系数气体的导热系数气体的导热系数低低低低，适用于，适用于，适用于，适用于保温隔热保温隔热保温隔热保温

10、隔热。气体的气体的气体的气体的导热系数导热系数导热系数导热系数，随随随随温度升高而增大温度升高而增大温度升高而增大温度升高而增大。在相当大的压强范围内，气体的导热系数在相当大的压强范围内，气体的导热系数在相当大的压强范围内，气体的导热系数在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压随压随压随压强的变化甚微强的变化甚微强的变化甚微强的变化甚微，可以忽略不计。只有在过高或，可以忽略不计。只有在过高或，可以忽略不计。只有在过高或，可以忽略不计。只有在过高或过低的压强过低的压强过低的压强过低的压强(2 2 10105 5kPakPa或或或或 t t2 2t1t2t0=A(tA(t1 1tt2 2)l l

11、l l=-=-A Adtdtd d=A(tA(t1 1 t t2 2)l l l lq=q=A A=(t(t1 1 t t2 2)l l l l传热强度传热强度传热强度传热强度 单层平壁的热传导单层平壁的热传导公式公式每一层由不同种类材料构成，每一层由不同种类材料构成，不同不同不同不同；各复合层传热面积相同各复合层传热面积相同2.多层平壁的热传导多层平壁的热传导多层平面壁的热传导多层平面壁的热传导t1t2t3t4对第一层：1=A1(t1t2)t1=t1t2=对第二层：2=A2(t2t3)t2=t2t3=对第三层：3=A3(t3t4)t3=t3t4=因因1=2=3=，A1=A2=A3=A t1t

12、4=t=多层平壁的热传导公式多层平壁的热传导公式n圆筒壁传导传热时传热面积圆筒壁传导传热时传热面积A=2rl 傅立叶定律写为：傅立叶定律写为：3.单层单层圆筒壁的热传导圆筒壁的热传导 =2rl 积分：积分：=单层圆筒壁传单层圆筒壁传导传热公式：导传热公式：Ln因圆筒壁厚度因圆筒壁厚度=r2r1 上式可写成：上式可写成：=其中其中 rm=(r2-r1)/ln半径的对数平均值半径的对数平均值 当当r2/rl2时，用算术平均值时，用算术平均值rm=(r1+r2)/2 n 4.多层圆筒壁的热传导多层圆筒壁的热传导=对比第一章流动边界层概念，边界层存在速度梯度对比第一章流动边界层概念，边界层存在速度梯度

13、2.3对流传热对流传热间间壁壁热流体热流体冷流体冷流体对对流流对对流流导导热热一一一一.对流传热机理对流传热机理对流传热机理对流传热机理热量从流体的主热量从流体的主体传递给器壁，体传递给器壁，或由器壁传递给或由器壁传递给流体主体流体主体热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体冷流体壁面壁面壁面壁面流体通过间壁的热交换经过流体通过间壁的热交换经过流体通过间壁的热交换经过流体通过间壁的热交换经过“对流对流对流对流传导传导传导传导对流对流对流对流”三个串联步骤三个串联步骤三个串联步骤三个串联步骤。TwtwTt热流体冷流体A1A2n流体的流动形态对于流体的传热有决定性流体的流动形态对于流体的传热有决

14、定性的影响的影响以湍流流体向壁面给热的情况为例：以湍流流体向壁面给热的情况为例：湍流层湍流层：对流传热，没有温度降；：对流传热，没有温度降；过渡层过渡层：传导传热和对流传热，有较小温度降；：传导传热和对流传热，有较小温度降；层流内层层流内层：传导传热，有较大的温度降。：传导传热，有较大的温度降。层流内层的热阻的对流传热的控制因素。层流内层的热阻的对流传热的控制因素。二二.牛顿传热方程牛顿传热方程 n影响对流传热的因素相当多，工程上将它们归纳起来，用影响对流传热的因素相当多，工程上将它们归纳起来，用牛顿（牛顿（NewtonNewton）传热方程来表示：）传热方程来表示：=Q/=(t1 t2)A：传热膜系数，膜系数，Wm-2K-1t1：湍流主体温度：湍流主体温度t2：壁面温度：壁面温度A：壁面面积壁面面积