1、第第2篇篇 热量传输热量传输 研究对象：研究不同物体间或同一物体不同部位间存在 温度差时，其间的热量传递规律。 传热推动力：温度差或温度梯度。研究目的：一定条件下热量传递的速率。降低传热速率：提高热效率，减少热损失，节能提高传热速率：提高生产率第第9章章 热量传输的基本概念及基本定律热量传输的基本概念及基本定律 9.3 傅里叶傅里叶克希荷夫导热微分方程克希荷夫导热微分方程 F-K方程方程 9.2 傅里叶导热定律傅里叶导热定律9.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 传热方式9.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 传导传热（导热）对流传热（对流）辐射传热（辐射）（1）导热导热定义：在一
2、连续介质内若有温度差存在，或者两温度不同的物体直接接触时，在物体内没有可见的宏观物体运动时所发生的传热现象。条件：温度差。取决于物体本身的物性。9.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 （2）对流对流定义：有流体存在，并有流体宏观运动情况下所发生的传热。条件：温度差，流体的宏观运动。取决于流体本身的物性、流动状态。9.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 （3）辐射辐射定义：物体因受热发出热辐射，高温物体向低温物体热辐射，同时低温物体向高温物体热辐射，最终结果是高温物体失去热量而低温物体得到热量。辐射传热不需要物体作传热媒介，而是依靠物体发射电磁波来传递热量。条件：温度差。取决于两物体
3、空间位置（辐射角系数）和物体表面辐射特性（黑度）。 9.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 AtKQAtKtKqJJ/s (W)W/m2 热流量：单位时间传递的热量。热通量（热流密度）q：单位时间通过单位面积传递的热量。传热系数K：单位时间、单位面积、温度差为1时传递的热量，即单位传热量。传热方程：实践证明，各种传热过程的传热量都和温度差 、传热面积A、传热时间 成正比。t9.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 AtKQAtKtKqJJ/s (W)W/m2 RtKAt1rtKtq1 /W 总传热面积上的热阻。KAR1 m2/W 单位传热面积上的热阻。 Kr1 热阻：阻碍热量传递的阻
4、力。9.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 传热系数K K 和 热阻R R 是传热中两个极为重要的概念。 RtKAt1R：KR：K降低传热速率提高传热速率 上两式类似于电学中的欧姆定律，为了求解热流可类似电路中电阻的串、并联法求热阻。基于这一点，有研究传热问题的电模拟法。 rtKtq19.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 温度场：温度随空间及时间的变化规律。数学表达式：温度场按时间稳定温度场：不稳定温度场：)z, y, x(ft 0t，), z, y, x(ft0t), z, y, x(ft无热量蓄积 稳定传热定态传热不定态传热有热量蓄积 不稳定传热9.1 热量传输的基本概念热量
5、传输的基本概念 温度场物理量性质空间三维温度场 二维温度场 一维温度场 数量场 一维稳定温度场： 一维不稳定温度场： )x(ft ), x(ft9.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 等温面：温度场中，同一时刻温度相同的点所构成的面。等温线：一平面与等温面的交线。等温线9.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 温度梯度 定义：等温面法线方向单位距离上的温度变化量（最大温度变率）。向量：低温高温方向为正。ntgradt 表达式： 9.1 热量传输的基本概念热量传输的基本概念 9.2 傅里叶导热定律傅里叶导热定律 t0txtyt0txt0tx1稳定温度场的建立 一无限宽大，厚为 的平板初
6、温为t0 0平板下表面温度跃升到tx并保持不变 相邻各层逐次吸热升温，热量沿板厚方向传递不稳定温度场 温度分布不变，稳定温度场已经建立 热量传递方向与温度梯度方向相反 1AtAtAt1tqAytytqntq温度梯度，/m。2傅里叶导热定律稳定温度场 W W/m2 W/m2 W固体薄层 任意方向 W/m2 物体的导热通量与温度梯度成正比 9.2 傅里叶导热定律傅里叶导热定律 bt103.导热系数（热导率 ） 单位 W/m. 物理意义 表征物体导热能力的物性参数，即温度梯度为1时，单位时间通过单位面积的导热量。 影响因素 物体的种类 温度 气体液体固体金属 混合气体的导热系数 9.2 傅里叶导热定
7、律傅里叶导热定律 niiniiiMM11ytcaytccytqppp4热量传输系数（导温系数）a单位体积物体的热量梯度 3mmJ 热量传输系数 （导温系数、热扩散率）物体的导热通量与单位体积物体的热量梯度成正比 9.2 傅里叶导热定律傅里叶导热定律 pca 单位 物理意义 影响因素 m2/s 4热量传输系数（导温系数）a表征物体热量传递能力的重要参数 物体吸收或释放的热量物体的导热量aa 物体传递热量的能力强或物体传递热量的速度快 a 物体传递热量的能力弱或物体传递热量的速度慢 物体的种类和温度 9.2 傅里叶导热定律傅里叶导热定律 9.3 傅里叶傅里叶克希荷夫导热微分方程克希荷夫导热微分方程
8、 F-K方程方程 建立方法： 元体分析法 假设： （1）无内热源（2）忽略摩擦热（3）常物性物体 pc等为常数 建立依据： 热力学第一定律 元体热收入- 元体热支出= 元体热蓄积 元体热收支差 = 元体热蓄积1方程的建立yoXzAB1）元体对流热收支差 x方向 经A面带入 Axpdydztvc 经B面带出 Bxxpdydzdxxvvdxxttc对流热收支差 dxdydzxtvxvtcxxpy方向、z方向元体的对流热收支差 zyxvvv 9.3 傅里叶傅里叶克希荷夫导热微分方程克希荷夫导热微分方程 F-K方程方程 2）元体导热热收支差x方向 经A面导入 经B面带出 AdydzxtBdydzdxx
9、ttx导热热收支差 dxdydzxt22同理 y方向、z方向元体的导热热收支差 zyx 9.3傅里叶傅里叶克希荷夫导热微分方程克希荷夫导热微分方程 F-K方程方程 3) 元体的热量蓄积元体的热量蓄积就是元体热焓的变化，表现为温度对时间的变率 dxdydztcp元体热收入- 元体热支出= 元体热蓄积 222222ztytxtaztvytvxtvtzyxdxdydzxtvxvtcxxpdxdydzxt22代入F-K方程 9.3傅里叶傅里叶克希荷夫导热微分方程克希荷夫导热微分方程 F-K方程方程 2方程的讨论222222ztytxtaztvytvxtvtzyx元体的热量蓄积 元体对流热量传输差量 元
10、体导热热量传输差量 方程的物理意义： 表示流体在流动过程中的热量平衡关系。 方程的适用条件： 满足假设条件的对流导热过程。 9.3傅里叶傅里叶克希荷夫导热微分方程克希荷夫导热微分方程 F-K方程方程 3方程的简化固体一维稳定导热 022dxtd直角坐标0drdtrdrd柱坐标固体一维不稳定导热 22xtat9.3傅里叶傅里叶克希荷夫导热微分方程克希荷夫导热微分方程 F-K方程方程 4方程的求解第一类边界条件 Ctw第二类边界条件 Cqw第三类边界条件 wfwnt)tt (h9.3傅里叶傅里叶克希霍夫导热微分方程克希霍夫导热微分方程 F-K方程方程 小结小结一、本课的基本要求一、本课的基本要求1
11、掌握热量传输的三种基本方式、传热系数K和热阻R的概念。2理解温度场、等温面和温度梯度的概念。3掌握导热系数 、热量传输系数a的单位、物理意义和影响 因素。 4掌握F-K方程的物理意义和适用条件。二、本课的重点、难点二、本课的重点、难点重点：导热系数 、热量传输系数a的单位、物理意义和影响因素难点：F-K方程的推导三、作业三、作业习题习题P133 9-6本章小结本章小结 主要内容：主要内容：热量传输的基本概念，傅里叶导热定律，热量平衡微分方程（傅里叶-克希荷夫导热微分方程）。重点：重点：传热系数及热阻，导热系数及热量传输系数，傅里叶导热定律。基本要求：基本要求：掌握传热系数及热阻，导热系数及热量传输系数的单位、物理意义及影响因素，掌握傅里叶导热定律的物理意义。
