1、2018/5/16,上海大学材料学院,1,第二章 传 热（一）,导 热 对流换热 辐射换热 综合传热,2018/5/16,上海大学材料学院,2,传热现象,2018/5/16,上海大学材料学院,3,硅酸盐工业窑炉,2018/5/16,上海大学材料学院,4,本 章 节 内 容,第一节 传导传热导热第二节 对流换热第三节 热辐射第四节 综合传热第五节 热换器,2018/5/16,上海大学材料学院,5,温度场是传热的必要条件: 物体（气-固-液）中存在温度差，热量总是从高温向低温流动. 温度场是空间与时间函数: t = f (x, y, z,) 如果温度场不随时间改变，则称为稳定传热，反之为不稳定传热
2、。 例如: A: 窑炉中的窑墙、窑顶，虽然各点温度不同，但不随时间而改变，属稳定传热. B: 在加热或冷却过程中，窑炉同一部位的温度都随时间改变，属不稳定传热.,基本概念,2018/5/16,上海大学材料学院,6,等温面,图2-1温度梯度和热流,温度梯度： Gradt,等温线,2018/5/16,上海大学材料学院,7,3、温度梯度,c/m,2、等温面 等温线,4、热流量 q (w/m2)（热流密度） 热量 Q (w),基本概念,2018/5/16,上海大学材料学院,8,导热： 1，接触越紧密，导热量越大； 2，无质点的相对位移和能量形式的转换。,辐射： 1，无须介质传播 2，有能量形式的转换,
3、对流： 1，有质点的相对位移、无能量形式的转换； 2，对流换热的同时，必然伴有导热现象。,传热的几种方式及基本特点,2018/5/16,上海大学材料学院,9,定 义: 指物体各部分无相对位移或不同物体的直接接触，依靠物质的分子、原子、自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象导 热。,2.1 传导传热导热,2018/5/16,上海大学材料学院,10,: 温度降为 1c/m 时，单位时间、单位面积传递的热量。,（w /m c）or（KJ /m hr c/m）,导热,1、1 导热基本定律付里叶定律,式中：导热系数,2018/5/16,上海大学材料学院,11,表示物体内温度降度为1/m，单位时间内
4、通过单位面积的热流量，它标志物质的导热能力。 = Q/( t/x )F W/(m) 气体: 0.0060.6 W/(m)， 分子运动和相互碰撞 的结果; 液体: 0.070.7 W/(m)； 固体： 金 属: 2.2420 W/(m)； 非金属: 0.0254 W/(m); 导热系数随温度而变化：t=0(1+t)= 0+btm,:材料的导热系数/热导率,2018/5/16,上海大学材料学院,12,影响的因素：,砌炉材料,如粘土砖、硅砖、刚玉、红砖,如高铝砖、镁砖、碳化硅砖,A、热导率随温度变化而变化,t t 时的热导率 0 0时的热导率b,实验常数，1/ ,2018/5/16,上海大学材料学院
5、,13,D、其他条件 如含水量、气孔率等,影响的因素：,一般 气体,水、甘油,液体 多数,B、物质的种类 固液气 金属非金属绝缘材料,使用温度,C、物质的结构 单晶多晶非晶 耐材、建材绝缘材料,影响导热系数的因素：,2018/5/16,上海大学材料学院,14,1、2 平壁导热,单层平壁导热,一维稳定导热,（1）,平面壁内距内表面x处的温度tx,结论: 当材料的导热系数为常数时，单层平壁内温度呈直线分布。,根据付里叶定律：,将此式分离变量并积分：,2018/5/16,上海大学材料学院,15, 随温度变化时，可视为平均温度下的平均导热系数,平壁内温度呈曲线分布,（2）,2018/5/16,上海大学
6、材料学院,16,利用公式 可以解决某些工程实际问题：,计算炉墙等物体的散热损失（已知，t1， t2，求q）； 计算所需保温层的厚度（已知q，t1， t2，求）； 计算物质的导热系数（已知q， t1，t2，求）； 计算炉墙等物体的内外壁温度（已知q， ，t1（t2），求t2（t1）； 推算炉壁不同厚度处的温度：tx=t1- (t1-t2)x/,2018/5/16,上海大学材料学院,17,平板法测定材料的导热系数,已知：试件尺寸d，厚h 通过试件的热流量Q 内表面温度t1 外表面温度t2 求：试件的导热系数,讨论强化或削弱导热的途径,引 伸,2018/5/16,上海大学材料学院,18,例题1: 如
7、图，有一红砖窑墙，其厚度为240mm(长度及宽度远远大于厚度，可视为“一维”导热)，窑墙的两表面温度分别为t1=140、t2=20。 该红砖墙= 0.50W/(m),求: 通过此墙壁的热流密度q和平壁a、b、c各平面的温度ta，tb，tc ? 这些平面相距均为60mm。并写出窑墙壁不同距离的温度关系表达式。,2018/5/16,上海大学材料学院,19,解： 不考虑红砖的随温度变化，已知此红砖墙 的= 0.50W/(m)，故根据付立叶定律有： （1） q = ( t1 - t2 ) / = (140-20)0.50 / 0.24 = 250 W/m2 （2） ta = t1 ( t1 - t2
8、) / x = 140-(140-20)/0.240.06 = 110 tb = 80; tc = 50. （3）上述可知，当为常数时单层平壁内温度按 直线分布，在壁内x处的温度为： tx = 140 ( 140 - 20 ) / 0.24 x tx = 140 500x, 0x0.24m,2018/5/16,上海大学材料学院,20,例题：如图所示隧道窑冷却带窑顶为拱形，由耐火粘土砖砌成，拱厚230mm，拱心角为90o,拱内半径为0.85m，拱顶内外表面积平均温度分别为700及100，求每米窑长拱顶散失热量。(已知耐火粘土砖t= 0.836+0.5810-3 t ),2018/5/16,上海大
9、学材料学院,21,3、电热模拟,单位面积的导热热阻,传热面F的导热热阻,以热阻的概念可求解多层平壁导热计算,2018/5/16,上海大学材料学院,22,电热（阻）网络图,多层平壁导热,多层平壁内外表面温度为t1和t4，且t1 t4，且层与层之间温度为t2和t3，则通过各层的热流量可表示为：,2018/5/16,上海大学材料学院,23,将上述三式移项分别可得： t1 - t2 = Rt1 Q1； t2 - t3 = Rt2 Q2； t3 - t4 = Rt3 Q3 Q1 = Q2 = Q3 = Q ，通过该三层平壁热流量为： Q = (t1 - t4 ) / (Rt1 + Rt2 + Rt3)
10、= t / Rt i (W)三层平壁的总热阻为： Rt = Rt1 + Rt2 + Rt3 这和电阻串联的原理一样。对各层之间温度： t2 = t1 - QRt1； t3=t1 - Q ( Rt1+Rt2 )； 或 t3=t4+QRt3对于多层第 i 层 和 i+1 层之间温度： ti+1 = t1 - Q( Rt1+Rt2+Rti ),2018/5/16,上海大学材料学院,24,多层平壁导热Q计算通式：,先假设，后校核（中间层温度未知，用误差法求解（5%）,2018/5/16,上海大学材料学院,25,例题 : 某隧道烧成带的砌筑材料, 如下表窑墙：内表面温度t1 = 1400，外表面温度t5
11、 = 80， 求: 热流密度q和各层温度分布?,2018/5/16,上海大学材料学院,26,解：（1） 根据公式，先计算单位面积的热阻： Rt1 = 1/1 = 0.46/1.8 = 0.26 (m2) / W Rt2 = 0.23/0.79 = 0.29 (m2) / W Rt3 = 0.46/0.47 = 0.98 (m2) / W Rt4 = 0.113/0.81 = 0.14 (m2) / W 热流密度: q = (t1-t5) / Rti = (140080 )/( 0.26+0.29 +0.98 +0.14 ) = 790 W/m2,2018/5/16,上海大学材料学院,27,（2
12、）各层温度分布: t2 = t1 q Rt1 = 1400 790 0.26 = 1195 ； t3 = t1 q ( Rt1 + Rt2) = 1400 790 ( 0.26 + 0.29 ) = 966 ； t4 = t1 q ( Rt1 + Rt2 + Rt3 ) = 1400 790 ( 0.26 + 0.29 + 0.98 ) = 191 ,2018/5/16,上海大学材料学院,28,例题 ：窑墙砌筑材料及厚度如下：粘土砖(内层): 230mm；硅藻土砖: 65mm， (=500 kg/m3 )；红砖: 500mm；窑墙内表温度t1=1000，外表温度：t4=50，求: 通过窑墙的热
13、流密度q?（层间温度未知情况下）,2018/5/16,上海大学材料学院,29,解：一般情况下，当层间温度不给出时， 采用估计插值及平均温度方法算出， 并满足：(qmax qmin ) / qmin 4%，(参见教材） 否则重新计算。 先假定：t2 = 855，t3 = 670， 各层平均温度: t1-2 = ( 1000 + 855 ) / 2 = 927.5 t2-3 = 762.5, t3-4 = 360； 各种材料的导热系数根据附录查得： 1 = 0.698 + 0.6410-3 t 1-2 = 1.2916 W/(m)； 2 = 0.2791； 3 = 0.6486,2018/5/16
14、,上海大学材料学院,30,各层热阻Rt与热流密度qi ： Rt1 = 0.23 / 1.2916 = 0.1781 (m2)/W； Rt2 = 0.065/ 0.2791 = 0.2329 (m2)/W； Rt3 = 0.50 / 0.6486 = 0.7709 (m2)/W q1 = ( 1000 855 ) / 0.1781 = 814.15 ( W/m2 ) q2 = ( 855 670 ) / 0.2329 = 794.33 ( W/m2 ) q3 = ( 670 50 ) / 0.7709 = 804.25 ( W/m2 ),2018/5/16,上海大学材料学院,31,相对误差（校核
15、）： (814.15794.33) / 794.33 100% = 2.5% 4%， 故认为假定合理 *最后计算通过该墙壁的热流平均密度q： q = ( t1 - t4 ) / ( Rt1 + Rt2 + Rt3 ) = ( 1000 50 ) / ( 0.1781 + 0.2329 + 0.7709 ) = 804 （W/m2）,2018/5/16,上海大学材料学院,32,例 题: 设有一窑墙，用粘土砖和红砖二层砌成，厚度均为230mm，窑墙内表面温度为1200，外表面温度为100，红砖允许使用温度为700以下，求：每平方米窑墙的热损失，并判断红砖在此条件下是否适用？已知粘土砖及红砖的导热系
16、数分别为： 粘土砖0.700.5510-3t （W/m.）; 红砖0.460.4410-3t （W/m.）。,2018/5/16,上海大学材料学院,33,复合平壁导热,可以修正,2018/5/16,上海大学材料学院,34,单层圆筒壁导热,根据付里叶定律得出：,2、圆筒壁导热,2018/5/16,上海大学材料学院,35,圆筒壁内外传热面积的对数平均值,圆筒壁内外半径的对数平均值,式中：,圆筒壁厚,温度分布：对数曲线,2018/5/16,上海大学材料学院,36,多层圆筒壁导热（由电热相似推出）,2018/5/16,上海大学材料学院,37,设圆筒壁为三层，由三种不同的材料组成，内直径d1，外直径d4
17、，中间各层直径d2、d3。内外表面温度t1、t4，层与层间温度为t2、t3。 热流密度q = ( t1 - t4 ) / (Rt,11 + Rt,12 + Rt,13 )； Rt,11 = 1 / ( 2 1 ) ln ( d2 / d1 ) Rt,12 = 1 / ( 2 2 ) ln ( d3 / d2 ) Rt,13 = 1 / ( 2 3 ) ln ( d4 / d3 ) 对于n层圆筒壁，则q =(t1-tn+1)/(Rt,11+Rt,12+Rt,ln)； 第i层与i+1层的温度为： ti+1 = t1 - q ( Rt,11 + Rt,12 + + Rt,1i ) ,2018/5/1
18、6,上海大学材料学院,38,例题：蒸气管内径和外径分别为160mm和170mm，管外裹着两层隔热材料。第一层隔热材料的厚度2= 30mm，第二层厚度3= 50mm，管壁及两层隔热材料的导热系数为1= 58，2= 0.17, 3=0.09 W/ (m)，,蒸气管内表面温度t1=300，外表面温度t4=50，试求：每米长度蒸气管的热损失和各层之间温度。,2018/5/16,上海大学材料学院,39,解：已知：r1=d1 / 2 = 0.08m； r2 = d2 / 2 = 0.085m； r3 = r2 + 2 = 0.115m； r4 = r3 +3 = 0.165m各层热阻值 及热流 Rt1 =
19、 1 /（ 21） ln（ r2 / r1） = 2 58 -1 ln（ 0.085 / 0.08） 0.01 (m2)/W Rt2 = 1 /（22） ln（ r3 / r2 ） = 20.17 -1 ln（ 0.115 / 0.085 ）= 0.28 (m2)/W Rt3 = 1 /（23） ln（ r4 / r3 ） = 2 0.09 -1 ln（ 0.165 / 0.115）= 0.64 (m2)/W q = （t1 - t4）/ R = ( 300 - 50 )/( 0.01 + 0.28 + 0.64 ) = 272 W/m层间温度ti为： t2 = t1 q Rt1 = 300
20、- 272 0 = 300 t3 = t1 q ( Rt1 + Rt2 ) = 300 - 272 ( 0 + 0.28 ) = 224,2018/5/16,上海大学材料学院,40,例题： 蒸汽直管道的外径 d1 = 30mm，准备包两层厚度都是15mm的不同材料的热绝缘层。a种材料的导热系数a=0.04 W / m， b 种材料的导热系数b=0.1W/ m 。若温差一定，试问从减少热损失的观点看下列两种方案； (1) a在里层，b在外层， (2) b在里层， a在外层。哪一种方案好? 为什么?,2018/5/16,上海大学材料学院,41,3、球壁导热,内外传热面积的几何平均值,实例：球壁导热
21、仪测定散料的导热系数,r1 r r2,2018/5/16,上海大学材料学院,42,多层空心球壁,参照前面的方法，可以推导出n层球壁传热公式： （W） 或 （W）,2018/5/16,上海大学材料学院,43,4、形状不规则物体的导热工程计算,圆筒壁近似平壁、平壁两侧不等,近似圆筒壁、方形壁：,或,条件：,(单层）,通式：,中空球体、立方体，近似球体,2018/5/16,上海大学材料学院,44,中空立方体端角、长方体边角,不规则物体,多层圆筒壁简易计算,R-导热热阻 查工程图表,2018/5/16,上海大学材料学院,45,球体埋於半无限大固体介质中,内圆外方长管道,补充部分:,2018/5/16,上海大学材料学院,46,5、温度不平均物体的平均温度计算,6、有内热源的稳态导热,传入热量-传出热量+内热源热量=热焓增量,2018/5/16,上海大学材料学院,47,问 题： 1、以下几种物质中，导热系数最小的是： A 铜； B 水泥； C 水；D 空气2、温度场、等温面、等温线和温度梯度概念；3、热流是向量吗? 其方向如何？4、传热有哪几种基本形式？5、试分析传导传热、对流换热、辐射传热各有什么特点 ? 6、简述导热系数的定义。 7、试比较固体、液体，气体导热系数的大小。如何运用它们来强化传热或隔热保温 ?,
