【正文】 第三章 傳熱原理 1 傳熱，它是極為普遍而又重要的物理現(xiàn)象。冶金生產(chǎn)過(guò)程無(wú)論是否伴隨化學(xué)反應(yīng)或物態(tài)轉(zhuǎn)變，熱量傳輸往往對(duì)該過(guò)程起限制作用。 傳熱的動(dòng)力：溫差 本章研究傳熱的內(nèi)容： 提高傳熱速率 ——提高生產(chǎn)率 降低傳熱速率 ——提高熱效率（節(jié)能） 2 導(dǎo)熱 對(duì)流 輻射 傳熱方式 傳熱學(xué)的任務(wù) 研究不同條件下熱壓和熱阻的具體內(nèi)容和數(shù)值，從而能計(jì)算出傳熱量大小，并合理地控制和改善傳熱過(guò)程。 在學(xué)習(xí)過(guò)程中，首先分別研究各種傳熱方式單獨(dú)存在時(shí)的傳熱規(guī)律和熱阻，然后再擴(kuò)大到研究一般的實(shí)際傳熱過(guò)程。 3 (1) 傳導(dǎo)傳熱（導(dǎo)熱） ①定義：在一個(gè)連續(xù)介質(zhì)內(nèi)若有溫差存在，或者 兩溫度不同的物體直接接觸時(shí)，在物體 內(nèi)沒(méi)有可見(jiàn)的宏觀物質(zhì)流動(dòng)時(shí)所發(fā)生的 傳熱現(xiàn)象叫導(dǎo)熱。 ②條件：溫差、無(wú)物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)。 ③取決于：物質(zhì)本身的物性。 4 （ 2） 對(duì)流傳熱（對(duì)流） ① 定義：有流體存在 ， 并有流體宏觀運(yùn)動(dòng)情況 下所發(fā)生的傳熱叫對(duì)流 。 ② 條件：溫差 、 有物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng) 。 ③ 取決于：物質(zhì)本身的物性 、 流動(dòng)狀態(tài) 。 5 （ 3）輻射傳熱（輻射） ① 定義：物體因受熱發(fā)出熱輻射能 ， 高溫 物體失去熱量而低溫物體得到熱 量 ， 這種傳熱方式叫輻射傳熱 。 ② 條件：溫差 、 發(fā)射電磁波 。 ③ 取決于：兩物體空間位置 （ 角度系 數(shù) ） 、 表面特性 （ 黑度 ） 。 6 穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱 定義：即導(dǎo)熱系統(tǒng)內(nèi)各部分的溫度不隨時(shí)間發(fā)生變化，或者說(shuō)同一時(shí)間內(nèi)傳入物體任一部分的熱量與該部分物體傳出的熱量是相等的。 等溫面：物體內(nèi)溫度相同的所有點(diǎn)聯(lián)成的面積稱為等溫面。 導(dǎo)熱作用是物體內(nèi)部?jī)上噜徺|(zhì)點(diǎn)（如分子，原子，離子）通過(guò)熱振動(dòng)，將熱量依次傳遞給低溫部分，如爐壁的散熱，就存在導(dǎo)熱作用。 7 導(dǎo)熱的基本方程式（傅立葉方程式） 如圖 31所示：設(shè)兩等溫面間距離為 dx，溫差為 dt，則傳導(dǎo)的熱量 Q（ W），應(yīng)與溫度差及傳熱面積成正比 ,而與距離成反比： FdxdtQ ??W 得： λ的單位為： CmWmmCWFdxdtQ 020 ./??????8 導(dǎo)熱系數(shù) ? 1） 單位： w/m?c 2） 物理意義：物體的導(dǎo)熱能力， ???q??導(dǎo)熱能力 ? 3）影響因素： ： ?氣 ： ~ w/m?c ?液 ： ~?c ?金屬 ： ~420w/m?c；其中純銀最高，銅、金、鋁次之。 ：溫度、壓力、密度、濕度等，其中溫度是 最重要的因素。 4）函數(shù)： λt＝ λ0 + b t W/m℃ 導(dǎo)熱系數(shù) λ ：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積、溫差為 1?C傳 遞的熱量，即單位傳熱量。 9 單層平壁的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱 設(shè)壁兩側(cè)溫度分別為 t t2，壁厚為 S。穩(wěn)定熱態(tài)下的導(dǎo)熱方程： FsttQ 21均???可見(jiàn)： 平壁穩(wěn)定導(dǎo)熱時(shí)的“熱壓”即為壁兩側(cè)的溫度差，而“熱阻”則為 ： FSR均??℃ /w w 即熱阻與壁厚成正比，而與平均導(dǎo)熱系數(shù)及傳熱面積成反比 10 多層平壁的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱 已知壁內(nèi)外兩側(cè)溫度為各層厚度為 tt3，各層壁厚為 S 1及 S 2，導(dǎo)熱系數(shù)分別為λ λ2。假定兩層壁為緊密接觸，且接觸面兩邊溫度相同，并假令其為 t2（圖 3－ 3）。 第一層平壁： 第二層平壁： FSttQ11211???FStt2322???假定均為穩(wěn)定熱態(tài)，通過(guò)物體的熱流應(yīng)相等，即 Q1=Q2＝ Q 11 按和比定律得： 對(duì)平壁，若內(nèi)外側(cè)面積都相等，也可將 F提出： FSFSttFSFS)tt()tt(Q22112122113221???? ????????FSS ttQ221121?? ??? 可看出：通過(guò)兩層平壁導(dǎo)熱的熱流等于兩層的熱壓之和與兩層熱阻之和的比值，即 21312121RRttRRttQ????????12 當(dāng) Q求出后，可求出中間溫度 t2: FSQtt1112 ??? FSQtt1112 ??? 或 可用同樣方法證明，通過(guò)幾層平里的導(dǎo)熱量為： WRttQn1ii1n1???式中： iiii FSR??13 注意：（ 1）在推導(dǎo)多層平壁公式時(shí)，曾假定各層緊密接觸，而接觸的兩表面溫度相同。實(shí)際中往往由于表面不平滑兩相鄰面很難緊密貼在一起，而且由于空氣薄膜的存在，將使多層熱阻增加。這種附加熱阻稱為“接觸熱阻”，其數(shù)值與空隙大小，充填物種類及溫度高低都有關(guān)系。 （ 2）當(dāng)應(yīng)用公式時(shí)，須要確定各層的平均導(dǎo)熱系數(shù)。因而要知道各接觸面的溫度。但實(shí)際中往往難于測(cè)定這些溫度。 為解決這一問(wèn)題，一般采用試算逼近法。 （ a）先假定接觸面溫度為兩極端溫度的某種中間值，依此算出 Q值后，再驗(yàn)算中間溫度（見(jiàn)下例）。 （ b）若相差太多則以驗(yàn)算結(jié)果為第二次假定溫度，再算一次。直至兩個(gè)數(shù)值相近為止。 14 圓筒壁的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱 單層圓筒壁導(dǎo)熱 平壁導(dǎo)熱的特點(diǎn)是導(dǎo)熱面保持不變，筒壁導(dǎo)熱導(dǎo)熱面積不斷地增大。 假定溫度沿表面分布均勻，而且等溫面都與表面平行 ,即溫度只沿徑向改變。 假設(shè) （ 1）圓筒的內(nèi)半徑為 r1，內(nèi)壁溫度為 t1，半徑為 r2，外壁溫度為 t2。 （ 2）溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面。 在半徑 r處取一厚度為 dr的薄層，若圓筒的長(zhǎng)度為 L，則半徑為 r處的傳熱面積為 A=2πrL。 15 根據(jù)傅立葉定律，對(duì)此薄圓筒層可寫出傳導(dǎo)的熱量為： RL2drdtQ πλ ???W 以 λ表示平均導(dǎo)熱系數(shù)，分離變量后積分得： ?? ?? 2121 rrtt rL2 drdtQ πλ 1221 rrlnrL2 1)tt(Q πλ ??整理后得： 121221FFlnFFSttQ ?????式中： 1212FFlnFF ?稱為 F2與 F1的對(duì)數(shù)平均值。 于是 均FSttQ 21???16 多層圓筒壁的導(dǎo)熱 圖 35 多層圓筒壁的導(dǎo)熱 假設(shè)： （ 1）各層之間接觸很好，兩接觸面具有同 樣的溫度； （ 2）已知多層壁內(nèi)外表面溫度為 t1和t4，各層內(nèi)、外半徑為 r r r r4，各層導(dǎo)熱系數(shù)為 λ λ λ3。 （ 3）層與層之間兩接觸面的溫度 t2和t3是未知數(shù)。 17 通過(guò)各層的熱量： 13211rrln1)tt(L2Q?? ??23322rrln1)tt(L2?? ??34433rrln)tt(L?? 在穩(wěn)定狀態(tài)下，通過(guò)各層的熱量都是相等的，即 : Q1＝ Q2＝ Q3＝ Q。 18 即有： 12121 rrln1L2 Qtt ???? ?? 23232 rrln12tt ???? 34343 rrLQt ??將上面方程組中各式相加得多層總溫差： )rrln1rrln1rrln1(L2 Qtt34323212141 ???? ????19 得熱流 Q的計(jì)算式： 34323212141rrln1rrln1rrln1)tt(L2Q????????同理，幾層圓筒壁的導(dǎo)熱計(jì)算公式為： ???????? ????nini 1 i1ii1n11 i1ii1n1rrlnL21ttrrln1)tt(L2Q???? WRtRttQ1i1n1 ???????ni或 i1in1i in1i i rrlnL21RR ??? ???? ??式中 : 20 求得各層的接觸面溫度 12112 rrlnL2Qtt??? )rrlnrrln1(L2 QtrrlnL2 Qtt 23121123223 ???? ????34343 rrlnL2 Qtt ???? 或 （ 1）多層平壁導(dǎo)熱中，溫度變化是一條連續(xù)的直線； （ 2）多層圓筒壁中，每一層內(nèi)的溫度是按照對(duì)數(shù)曲線變化，而整個(gè)多層壁內(nèi)溫度變化曲線則是一條不連續(xù)的曲線 注意 21 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，常把圓筒壁當(dāng)作平壁計(jì)算。 W FSttQ1 iii1n1?????ni 均?iF均—— 各層內(nèi)外表面的對(duì)數(shù)平均值， m2。 2FFF 1iii???均22 對(duì)流給熱 對(duì)流給熱的分析 對(duì)流給熱的機(jī)理 運(yùn)動(dòng)的流體與固體表面之間通過(guò)熱對(duì)流和導(dǎo)熱作用所進(jìn)行的熱交換過(guò)程，稱為對(duì)流給熱或?qū)α鲹Q熱。 對(duì)流給熱既具有分子間的微觀導(dǎo)熱作用，又具有流體宏觀位移的熱對(duì)流作用，所以必然受導(dǎo)熱規(guī)律和流體流動(dòng)規(guī)律的制約，是一個(gè)較復(fù)雜的熱傳遞過(guò)程。 23 幾個(gè)名詞 c、傳熱邊界層 a、流體邊界層（動(dòng)力邊界層） b、主流 流體在流動(dòng)時(shí)，與固體接