传热学第五版课件完整版.ppt

传热学第五版课件完整版.ppt

《传热学第五版课件完整版.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传热学第五版课件完整版.ppt（268页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第一章导热理论基础,1导热机理的简介：

气体：

分子不规则运动相互作用或碰撞介电体（非导电固体）：

弹性波（晶格振动的传递）金属：

自由电子的相互作用和碰撞液体：

类似于介电体（以前曾认为类似于气体）2纯导热过程的实现：

多在固体中存在，液体和气体需消除对流3导热理论研究的前提条件：

连续介质4导热理论研究的目的求出任何时刻物体中各处的温度,第一节基本概念及傅立叶定律,11基本概念：

一、温度场：

t=f（x,y,z,）稳态温度场、二维和一维温度场二、等温面和等温线：

三、温度梯度：

n为等温面法向上的单位矢量（温度变化率最大的方向）温度降度：

gradt,四、热流矢量：

BaronJeanBaptlsteJosephFourier（1768-1830）,12傅立叶定律确定了热流矢量和温度梯度的关系q=-gradtW/m2（负号表示热流矢量的方向和温度梯度的方向相反）在三个坐标轴上热流密度分量的描述,第二节导热系数,每种物质的导热系数可通过实验确定常用物质可查表获取,一般规律,固相液相气相金属非金属晶体无定形态纯物质有杂质物质纯金属合金,导热系数的主要影响因素：

温度、压力,气体的导热系数：

随温度升高而增大（由于分子运动速度和比定容热容增大），压力对其影响不大（密度增大但自由程减小）,液体的导热系数：

非缔合和弱缔合液体：

随温度升高而减小（由于密度减小）;强缔合液体：

不一定（因为温度升高时密度减小，但缔合性减弱，使分子碰撞几率增加）,金属的导热系数：

随温度升高而减小（由于晶格振动加强干扰了自由电子运动）;掺入杂质将减小（因为晶格完整性被破坏，干扰了自由电子运动）,非金属材料的导热系数：

随温度升高而增大（由于晶格振动加强）,保温材料：

平均温度不高于350、导热系数不大于0.12W/mK的材料,表观导热系数：

考虑多孔材料孔隙内介质时，反映材料综合导热性能的导热系数,保温材料保温性能的影响因素：

a.空隙度：

过小：

保温性能下降（因为非金属的导热系数大于空气的导热系数）过大：

保温性能下降（因为孔隙连通导致孔隙内对流作用加强）b.湿度：

过大：

保温性能下降（因为水的导热系数大于空气，且会形成更强烈对流）,玻璃棉,橡塑,聚氨酯泡沫塑料,第三节导热微分方程式,研究目标：

确定物体内的温度场,研究基础：

导热微分方程式能量守恒定律傅立叶定律,研究对象：

右图中的六面微元体,根据能量守恒定律：

导入和导出微元体的净热量微元体中内热源的发热量微元体热能（内能）的增加,导入微元体的净热量：

在一定时间d内:

导出微元体的净热量：

将微分的定义式：

代入上式,再将傅立叶定律代入，得出：

三个方向导入与导出微元体的净热量：

b.内热源的发热量：

三式相加，得出：

a.导入与导出微元体的总净热量：

c.内能增加量：

将a,b,c代入能量守恒定律，得出：

导热微分方程式,在几种特殊条件下对导热微分方程式的简化：

1.物性参数、c均为常数：

定义：

热扩散率,表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向均匀一致的能力,2.物性参数、c均为常数，无内热源：

3.物性参数、c均为常数，稳态温度场：

4.物性参数、c均为常数，稳态温度场，无内热源：

5.物性参数、c均为常数，二维稳态温度场，无内热源：

6.物性参数、c均为常数，一维稳态温度场，有内热源：

7.物性参数、c均为常数，一维稳态温度场，无内热源：

作用：

用来对某一特定的导热过程进行进一步的具体说明,通解,特解,四种单值性条件：

l,d,c,几何条件,物理条件,时间条件,边界条件,导热过程与周围环境相互作用的条件,仅在非稳态导热过程中存在,第四节导热过程的单值性条件,传热学中的四种边界条件：

一类边界（常壁温边界）：

二类边界（常热流边界）：

或,二类边界的特殊情况绝热边界出现场合：

对称边界，长肋肋端,三类边界（对流边界）：

四类边界（接触面边界）：

或,四种边界条件的已知条件：

一类：

已知物体壁面温度tw二类：

已知穿过物体边界的热流密度qw（热流密度为0时为绝热边界）三类：

已知物体边界面周围的流体温度tf和边界面与流体之间的表面传热系数h四类：

已知相邻物体与本物体接触面处的温度t2或热流密度q2,一个导热问题的完整描述导热微分方程单值性条件,第一章重点：

1.傅立叶定律的理解2.导热系数的理解和保温材料3.导热微分方程的选择和简化4.边界条件的判断,第二章稳态导热,导热微分方程：

稳态时满足：

常物性、稳态导热微分方程：

无内热源时常物性、稳态导热微分方程：

第一节通过平壁的导热,应用领域：

墙壁、锅炉壁面,一、第一类边界条件1.单层平壁：

一维简化的假设条件：

高度、宽度远大于厚度常物性时导热微分方程组如下：

积分两次，得：

代入边界条件解出C1和C2：

单层平壁的温度分布：

将C1和C2代入导热微分方程，得到：

单层平壁的热流密度：

上式对x求导，得到：

2.多层平壁可看作数个单层平壁相互串连,n层平壁的热流密度：

第i层与第i+1层之间接触面的温度：

二、第三类边界条件,单层平壁的热流密度：

根据第一类边界条件时的结果:

（此时壁温tw1和tw2为未知）,与以上两个边界条件共三式变形后相加,可消去tw1和tw2，得：

常物性时导热微分方程组如下：

多层平壁的热流密度：

第二节通过复合平壁的导热,应用领域：

空心砖，空斗墙,请同学们动脑筋思考:

空斗墙和空心砖内均存在导热系数很小的空气孔隙，因而保温性能一定会很好吗？

为什么？

一维简化的假设条件：

组成复合平壁的各种不同材料的导热系数相差不是很大,近似计算式：

总导热热阻的计算方法划分单元，模拟电路,对于右图所示的复合平壁，有以下两种处理方法：

a.先串联再并联的计算方法：

b.先并联再串联的计算方法：

两种处理方法结果并不完全相同，但均为合理结果原因：

将二维导热问题简化为一维导热问题，无论采取简化方法，都必然会产生一定误差,复合平壁导热问题的注意点：

1.区域划分一定要合理，保证每个区域形状完全相同,3.对于各部分导热系数相差较大的情况，总热阻必须用二维热流影响的修正系数（教材表21）加以修正,2.每个单元的热阻必须使用总热阻，不能使用单位面积热阻,第三节通过圆筒壁的导热,应用领域：

管道,蒸汽管,热水管（9570，6045）,冷冻水管（712）,蒸汽管道保温层,一、第一类边界条件1.单层圆筒壁：

一维简化的假设条件长度远大于壁厚，温度场轴对称,请同学们动脑筋思考:

管道保温层越厚，保温效果一定越好吗？

常物性时导热微分方程组如下：

积分一次，得：

再积分一次，得：

代入边界条件解出C1和C2：

将c1和c2代入导热微分方程，得到：

单层圆筒壁的温度分布：

通常更多情况下用直径代替半径：

将第一次积分的结果：

代入傅立叶定律：

得到：

单层圆筒壁的热流量：

长度为l的圆筒壁的热阻：

单位管长单层圆筒壁的热流量：

2.多层圆筒壁可看作数个单层圆筒壁相互串连,n层圆筒壁的单位管长热流量：

二、第三类边界条件,常物性时导热微分方程组如下：

根据第一类边界条件时的结果:

（此时壁温tw1和tw2为未知）,与以上两个边界条件共三式变形后相加,可消去tw1和tw2，得：

单层圆筒壁的单位管长热流量：

三、临界热绝缘直径,有绝缘层时的管道总热阻：

当dx增大时：

增大,减小,可能增大亦可能减小，应具体分析,必须通过对函数求极值来判断总热阻的变化规律,对dx求导并令其为0:

从而得出：

临界热绝缘直径,a.当dxdc时,Rl随dx增大而减小,b.当dxdc时,Rl随dx增大而增大,只有在d2dc时，才可能存在此情况,需要考虑临界热绝缘直径的场合：

d2较小时,较大时,h较小时,应用实例：

细管，电线电线的绝缘层外直径小于临界热绝缘直径时，可起到散热作用,第四节具有内热源的平壁导热,应用领域：

混凝土墙壁凝固研究对象：

厚度为2的墙壁，内热源强度为qv，两边为第三类边界，中间为绝热边界，取墙壁的一半为研究对象建立导热微分方程常物性时导热微分方程组如下：

积分两次，得：

代入边界条件解出C1和C2,并代入导热微分方程，得到：

三类边界时具有内热源平壁的温度分布：

上式对x求导，得到：

三类边界时具有内热源平壁的热流密度：

当h趋于无限大时，得到：

一类边界时具有内热源平壁的温度分布：

第五节通过肋壁的导热,肋壁的作用：

加大散热面积，增强传热应用领域：

冷凝器、散热器、空气冷却器等,肋片的类型：

肋片散热器,肋片置于管道外侧的原因：

换热器或管道内侧流体一般多为流速较高的液体，而换热器或管道外侧流体多为流速较低的气体，大多情况下外侧对流换热热阻最大，对整个传热过程起支配作用,一、等截面直肋的导热,一维简化的假设条件：

肋片的高度l远大于肋片的厚度，因而厚度方向温差很小，,负内热源的处理方法将y方向的对流散热量等效转化为负内热源,断面周长：

断面面积：

进行负内热源处理后等截面直肋导热微分方程组如下：

（假定肋端绝热）,定义：

令：

过余温度,使导热微分方程齐次化：

并解出其通解为：

代入边界条件求出c1和c2，并代入通解，得出特解：

等截面直肋的温度分布：

肋端过余温度：

肋片散热量：

当考虑肋端散热时，计算肋片散热量时可采用假想肋高,代替实际肋高l,一维温度场假定的检验：

肋高越大，肋的散热面积越大，因而采用增加肋高的方法可以增加肋的散热量。

这种方法在实际换热器设计中是否可行？

若可行，是否会有某些局限性？

请同学们思考一个问题:

二、肋片效率,提出此概念的目的衡量肋片散热的有效程度,肋片效率的定义：

肋片表面平均温度tm下的实际散热量,假定肋片表面全部处在t0时的理想散热量,其中肋片表面平均温度：

代入肋片效率定义，得到：

肋片效率计算式：

m和l对肋片效率的影响分析：

b.l一定时，m越大，f越低,a.m一定时，l越大，越大，但f越低,采用长肋可以提高散热量，但却使肋片散热有效性降低,可采用变截面肋片设法降低m,根据肋片效率计算散热量的方法（查线图法）：

矩形及三角形直肋的肋片效率,环肋的肋片效率,从线图查出肋片效率f,第六节通过接触面的导热,接触热阻的形成原因固体表面并非理想平整,接触热阻的概念接触面孔隙间气体导致两接触面之间存在温差,接触热阻的定义：

接触热阻的例子镶配式肋片，缠绕式肋片,接触热阻的影响因素：

粗糙度,挤压压力,硬度匹配情形,空隙中介质的性质,表面尽量平整,减小接触热阻的措施：

两表面一软一硬,增加挤压压力,涂导热姆,第七节二维稳态导热,应用领域：

房间墙角，地下埋管，矩形保温层，短肋片,二维稳态导热微分方程：

二维稳态导热问题的研究手段：

解析法,数值法,形状因子法,地源热泵地下埋管,矩形风管保温层,一维无限大平壁的形状因子：

一维无限长圆筒壁的形状因子：

其他常见二维稳态导热情况的形状因子查教材表23,形状因子S的定义将有关涉及物体几何形状和尺寸的因素归纳为一起，使两个恒定温度边界之间的导热热流量具有一个统一的计算公式,几种导热过程的形状因子,第二章重点：

1.各种稳态导热问题的数学模型和求解方法2.临界热绝缘直径问题3.肋片性能分析,第三章非稳态导热,导热微分方程：

当非稳态时：

无内热源时常物性、非稳态导热微分方程：

瞬态导热,周期性导热,非稳态导热过程,导热过程随时间而变化,瞬态导热的例子,淬火,体温计,烹饪,周期性导热的例子,建筑外围护结构,第一节非稳态导热的基本概念,1.瞬态导热：

以采暖房间外墙为例，在某一时刻，墙体某一侧空气温度突然提高，墙体内部温度分布将随时间呈如下变化。

t,x,tx坐标系,t坐标系,q坐标系,q坐标系中：

墙体得到的热量（阴影部分面积）,温度分布变化的三个阶段,不规则情况阶段：

温度变化没有共同规律，温度分布受初始温度分布的影响很大,正常情况阶段：

温度变化遵循一定规律，初始温度分布的影响逐渐消失,新的稳态阶段：

各处温度不再变化，长时间后近似达到,2.周期性导热：

特点：

a.物体各部分温度随时间周期波动b.同一时刻物体内温度分布也呈周期波动,周期性导热的两个重要特性：

衰减和延迟,第二节无限大平壁的瞬态导