ch5.熱量傳輸概論

1、第二篇第二篇 熱熱 量量 傳傳 輸輸冶金工程學(xué)院冶金工程學(xué)院Part Heat transfer*第5章 熱量傳輸概論2節(jié)能減少熱損失提高熱效率降低傳熱速率提高生產(chǎn)率提高傳熱速率，：l熱量傳輸簡(jiǎn)稱傳熱，傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。l研究對(duì)象：研究不同物體間或同一物體不同部位間存在溫度差時(shí)，其間的熱量傳遞規(guī)律。l傳熱推動(dòng)力：溫度差或溫度梯度。l研究目的：一定條件下熱量傳遞的速率。*第5章 熱量傳輸概論3lChapter 5 熱量傳輸概論熱量傳輸概論lChapter 6 傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱lChapter 7 對(duì)流換熱對(duì)流換熱lChapter 8 輻射換熱輻射換熱lChapter 9

2、 冶金中的綜合傳熱冶金中的綜合傳熱主主要要內(nèi)內(nèi)容容第第5 5章章 熱量傳輸概論熱量傳輸概論*第5章 熱量傳輸概論4主主要要內(nèi)內(nèi)容容l熱量傳輸?shù)幕靖拍顭崃總鬏數(shù)幕靖拍頻FourierFourier導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律lFourier-KirchhoffFourier-Kirchhoff方程方程5.1 5.1 熱量傳輸?shù)幕靖拍顭崃總鬏數(shù)幕靖拍?*第5章 熱量傳輸概論5在某一瞬間物體內(nèi)部各點(diǎn)的溫度分布1、溫度場(chǎng)、溫度梯度,zyxft 連續(xù)介質(zhì)：dzztdyytdxxtdtdt0t0tl溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)按時(shí)間穩(wěn)定溫度場(chǎng)：不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：)z, y, x(ft 5.1 5.1 熱量傳輸?shù)幕靖拍顭崃?/p>

3、傳輸?shù)幕靖拍?0t*第5章 熱量傳輸概論6), z, y, x(ft0t無熱量蓄積 穩(wěn)定傳熱定態(tài)傳熱不定態(tài)傳熱有熱量蓄積 不穩(wěn)定傳熱5.1 5.1 熱量傳輸?shù)幕靖拍顭崃總鬏數(shù)幕靖拍?*第5章 熱量傳輸概論7圖圖5-1 高爐爐底溫度分布高爐爐底溫度分布1爐底空氣冷卻；2氧化鋁磚；3碳磚；4爐缸冷卻器；5外殼l等溫面：溫度場(chǎng)中，同一時(shí)刻溫度相同的點(diǎn)所構(gòu)成的面。l等溫線：一平面與等溫面的交線。5.1 5.1 熱量傳輸?shù)幕靖拍顭崃總鬏數(shù)幕靖拍?*第5章 熱量傳輸概論8向量：低溫高溫方向?yàn)檎?。ntntgradt limztkytjxtigradtl溫度梯度 定義：等溫面法線方向單位距離上的溫度

4、變化量（最大溫度變率）。傳熱方式傳導(dǎo)傳熱（導(dǎo)熱）對(duì)流傳熱（對(duì)流）輻射傳熱（輻射）2、傳熱方式5.1 5.1 熱熱量傳輸?shù)幕靖拍盍總鬏數(shù)幕靖拍?*第5章 熱量傳輸概論95.1 5.1 熱熱量傳輸?shù)幕靖拍盍總鬏數(shù)幕靖拍?*第5章 熱量傳輸概論10定義：在一連續(xù)介質(zhì)內(nèi)若有溫度差存在，或者兩溫度不同的物體直接接觸時(shí)，在物體內(nèi)沒有可見的宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)所發(fā)生的傳熱現(xiàn)象。條件：溫度差。取決于物體本身的物性。l導(dǎo)熱t(yī)AQ物體的導(dǎo)熱系數(shù)5.1 5.1 熱量傳輸?shù)幕靖拍顭崃總鬏數(shù)幕靖拍?*第5章 熱量傳輸概論11流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳輸現(xiàn)象。特點(diǎn)：對(duì)流與流動(dòng)有關(guān)流體內(nèi)部純對(duì)流：l對(duì)流

5、21TTmcQp對(duì)流換熱牛頓冷卻公式TFFTTQfwTTTqfw對(duì)流換熱系數(shù)，2mW5.1 5.1 熱熱量傳輸?shù)幕靖拍盍總鬏數(shù)幕靖拍?*第5章 熱量傳輸概論12物體由于自身溫度引起的發(fā)射輻射能的現(xiàn)象特點(diǎn)：熱輻射依靠熱射線傳遞熱量l熱輻射輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向外輻射的熱量E2mW40TEb對(duì)于黑體： 斯忒藩玻爾茲曼定律斯忒藩常數(shù)，42801067. 5KmW5.1 5.1 熱量傳輸?shù)幕靖拍顭崃總鬏數(shù)幕靖拍?*第5章 熱量傳輸概論13實(shí)際物體：40TE物體的發(fā)射率/黑度：01通過物體間相互輻射和吸收進(jìn)行的熱量傳輸過程稱為輻射換熱ATTQ424101T2T5.1 5.1 熱量

6、傳輸?shù)幕靖拍顭崃總鬏數(shù)幕靖拍?*第5章 熱量傳輸概論14熱量傳輸方式？5.1 5.1 熱熱量傳輸?shù)幕靖拍盍總鬏數(shù)幕靖拍?*第5章 熱量傳輸概論15熱量傳輸方式？AtKAtKQtKqJJ/s (W)W/m2 l熱流量Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間傳遞的熱量。l熱通量（熱流密度）q：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過單位面積傳遞的熱量。l傳熱系數(shù)K：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積、溫度差為1時(shí)傳遞的熱量，即單位傳熱量。l傳熱方程：實(shí)踐證明，各種傳熱過程的傳熱量都和溫度差 、傳熱面積A、傳熱時(shí)間 成正比。t5.1 5.1 熱量傳輸?shù)幕靖拍顭崃總鬏數(shù)幕靖拍?第5章 熱量傳輸概論163、傳熱方程AtKAtKQtKqJJ/s (W)W/m2 R

7、tKAtQ1rtKtq1o /W 總傳熱面積上的熱阻。KAR1p m2/W 單位傳熱面積上的熱阻。 Kr1l熱阻：阻礙熱量傳遞的阻力。5.1 5.1 熱量傳輸?shù)幕靖拍顭崃總鬏數(shù)幕靖拍?第5章 熱量傳輸概論175.1 5.1 熱量傳輸?shù)幕靖拍顭崃總鬏數(shù)幕靖拍?第5章 熱量傳輸概論18tAQtAAttQfwRtAtQaRtAtQ1WRUI rttqarttq1Wm2t0txtyt0txt0tx1、穩(wěn)定溫度場(chǎng)的建立、穩(wěn)定溫度場(chǎng)的建立 一無限寬大，厚為 的平板初溫為t0 0平板下表面溫度躍升到tx并保持不變 相鄰各層逐次吸熱升溫，熱量沿板厚方向傳遞不穩(wěn)定溫度場(chǎng) 溫度分布不變，穩(wěn)定溫度場(chǎng)已經(jīng)建立

8、 5.2 5.2 FourierFourier導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律*第5章 熱量傳輸概論19熱量傳遞方向與溫度梯度方向相反 1AtQAtAtQ1tqAytQytqntq溫度梯度，/m。2、傅里葉導(dǎo)熱定律、傅里葉導(dǎo)熱定律穩(wěn)定溫度場(chǎng) W W/m2 W/m2 W固體薄層 任意方向 W/m2 物體的導(dǎo)熱通量與溫度梯度成正比物體的導(dǎo)熱通量與溫度梯度成正比5.2 5.2 FourierFourier導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律*第5章 熱量傳輸概論20bt103、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率 ） 單位 W/m. 物理意義表征物體導(dǎo)熱能力的物性參數(shù)，即溫度梯度為1時(shí)，單位時(shí)間通過單位面積的導(dǎo)熱量。 影響因素物體的種類

9、 溫度 氣體液體固體金屬 混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù) niiniiiMM115.2 5.2 FourierFourier導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律*第5章 熱量傳輸概論21氣體氣體液體液體非導(dǎo)電固非導(dǎo)電固體體導(dǎo)電固體導(dǎo)電固體范圍范圍0.0060.60.070.70.02532.2420W/m.影響影響機(jī)理機(jī)理分子熱運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)晶格振動(dòng)晶格振動(dòng)晶格振動(dòng)晶格振動(dòng)自由電子遷自由電子遷移移晶格振動(dòng)晶格振動(dòng)溫 度 、溫 度 、壓力壓力的影響的影響t，t，(水、甘水、甘油除外油除外)p，t，t，（純（純金屬）金屬）計(jì)算計(jì)算公式公式*第5章 熱量傳輸概論22vcl313134McAp5.2 5.2 FourierFouri

10、er導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律 5.2 5.2 FourierFourier導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律 *第5章 熱量傳輸概論23*第5章 熱量傳輸概論245.2 5.2 FourierFourier導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律 ytcaytccytqppp4、熱量傳輸系數(shù)（導(dǎo)溫系數(shù)）、熱量傳輸系數(shù)（導(dǎo)溫系數(shù)）a單位體積物體的熱量梯度 3mmJ 熱量傳輸系數(shù) （導(dǎo)溫系數(shù)、熱擴(kuò)散率）物體的導(dǎo)熱通量與單位體積物體的熱量梯度成正比物體的導(dǎo)熱通量與單位體積物體的熱量梯度成正比 5.2 5.2 FourierFourier導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律 pca *第5章 熱量傳輸概論25單位物理意義影響因素m2/s 表征物體熱量傳遞能力的重要參數(shù)

11、物體吸收或釋放的熱量物體的導(dǎo)熱量aa 物體傳遞熱量的能力強(qiáng)或物體傳遞熱量的速度快 a 物體傳遞熱量的能力弱或物體傳遞熱量的速度慢 物體的種類和溫度 5.2 5.2 FourierFourier導(dǎo)熱定律導(dǎo)熱定律 *第5章 熱量傳輸概論26建立方法：元體分析法 假設(shè)：（1）忽略摩擦熱（2）常物性物體 pc等為常數(shù) 建立依據(jù)：熱力學(xué)第一定律 元體熱收入- 元體熱支出+元體內(nèi)生成熱= 元體熱蓄積 元體熱收支差 +元體內(nèi)生成熱= 元體熱蓄積5.3 5.3 F FourierKirchhoff導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程*第5章 熱量傳輸概論271、方程的建立、方程的建立yoXzAB1）元體對(duì)流熱收支差）元體

12、對(duì)流熱收支差 x方向 經(jīng)A面帶入： Axpdydztvc 經(jīng)B面帶出： Bxxpdydzdxxvvdxxttc對(duì)流熱收支差 ：dxdydzxtvxvtcxxpy方向、z方向元體的對(duì)流熱收支差： zyxvvv 5.3 5.3 F FourierKirchhoff導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程*第5章 熱量傳輸概論282）元體導(dǎo)熱熱收支差）元體導(dǎo)熱熱收支差x方向 經(jīng)A面導(dǎo)入 經(jīng)B面帶出 AdydzxtBdydzdxxttx導(dǎo)熱熱收支差 dxdydzxt22同理 y方向、z方向元體的導(dǎo)熱熱收支差 zyx 5.3 5.3 F FourierKirchhoff導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程*第5章 熱量傳輸概論29

13、3) 元體的熱量蓄積、元體的熱量蓄積、內(nèi)熱源內(nèi)熱源元體的熱量蓄積就是元體熱焓的變化，表現(xiàn)為溫度對(duì)時(shí)間的變率；元體的內(nèi)熱源：化學(xué)反應(yīng)或電熱效應(yīng)，設(shè)單位時(shí)間單位體積所生產(chǎn)的熱量qV,則單位時(shí)間微元體的內(nèi)熱源：qVdxdydz dxdydztcqvdxdydzp,5.3 5.3 F FourierKirchhoff導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程dxdydzxtvxvtcxxp*第5章 熱量傳輸概論30dxdydzxt22代入F-K方程cqztytxtaztytxttVzyx2222222、方程的討論、方程的討論元體的熱量蓄積 時(shí)變項(xiàng) 元體對(duì)流熱量傳輸差量 對(duì)流項(xiàng) 元體導(dǎo)熱熱量傳輸差量 擴(kuò)散項(xiàng) 方程的物理意

14、義： 表示流體在流動(dòng)過程中的熱量平衡關(guān)系。 方程的適用條件： 滿足假設(shè)條件的對(duì)流導(dǎo)熱過程。 5.3 5.3 F FourierKirchhoff導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程*第5章 熱量傳輸概論31cqztytxtaztytxttVzyx222222元體的內(nèi)生成熱 源項(xiàng) 5.3 5.3 F FourierKirchhoff導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程*第5章 熱量傳輸概論32sin;cos1122222ryrxcqzttrrtrrrazttrrttVzr圓柱：5.3 5.3 F FourierKirchhoff導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程*第5章 熱量傳輸概論33cos;sinsin;cossin200s

15、in1sinsin11sin2222222rzryrxcqtrtrrtrrratrtrrttVr，方位角：，極角：球：3方程的簡(jiǎn)化方程的簡(jiǎn)化固體一維穩(wěn)定導(dǎo)熱 022dxtd直角坐標(biāo)0drdtrdrd柱坐標(biāo)固體一維不穩(wěn)定導(dǎo)熱 22xtat5.3 5.3 F FourierKirchhoff導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程*第5章 熱量傳輸概論344 4、單值性條件、單值性條件初始條件zyxft,000tt邊界條件已知任何時(shí)刻邊界面上的溫度分布WWttWWqnt0WntfWWttnt已知任何時(shí)刻邊界面上的熱通量對(duì)流邊界條件：已知周圍介質(zhì)溫度和對(duì)流換熱系數(shù)5.3 5.3 F FourierKirchhoff

16、導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程*第5章 熱量傳輸概論35例題1、一無限大平板，其導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，平板內(nèi)具有均勻的內(nèi)熱源。平板一側(cè)絕熱，另一側(cè)與溫度已知的流體直接接觸，已知流體與平板間的對(duì)流換熱系數(shù)。試寫出這一穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的微分方程和邊界條件。解：VqfTscqzTyTxTcTV222222022VqdxTd00 xdxdTfWWTTnT0WnTfsxsxTTdxdT5.3 5.3 F FourierKirchhoff導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程*第5章 熱量傳輸概論36例題2一厚度已知，寬和長(zhǎng)遠(yuǎn)大于厚度的平板，其導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，開始時(shí)整個(gè)平板溫度均勻，突然有電流通過平板，在板內(nèi)均勻產(chǎn)生熱量。假定平板一側(cè)仍保持原來溫度，另一側(cè)與溫度已知的流體直接接觸，已知流體與平板間的對(duì)流換熱系數(shù)。試寫出描述該問題的導(dǎo)熱微分方程和單值性條件。解：VqfTscqzTyTxTTV22222200,