【正文】 同半徑 r 處 Q 相等， 各處熱通量 q 卻不等。 r1 , r2 ──圓筒壁內(nèi)外半徑， m?！?)或 W/(m AbAbAb332211 ::????321 :: RRR?山東輕工業(yè)學(xué)院 18 六、通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假設(shè)： (1) 各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變，穩(wěn)定溫度場(chǎng)； (2) 各點(diǎn)溫度只沿徑向變化，一維溫度場(chǎng)。 AbttAbttAbttQ334322321121?????????總熱阻總推動(dòng)力????????????iRttiAiibttAiibitQ 413141??推廣至 n層： Q t t bAt tRniiinniin＝ ＝1 111 11? ?????? ??山東輕工業(yè)學(xué)院 17 （三）各層的溫差 從上面的式子可以推出： ? ? ? ? ? ?433221 :: tttttt ???在穩(wěn)定多層壁導(dǎo)熱過(guò)程中，哪層熱阻大，哪層溫差就大； 反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。 若積分式上限從 改為 積分得： x b t t? ?時(shí)， 2 x x t t? ?時(shí)，xAQttttAxQ ?? ????? 1)1(若 ? 不隨 t變化， t ～ x 直線關(guān)系； )1(0 at?? ??則 t ～ x 拋物線關(guān)系。℃ )或 W/(m (2)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。 固體絕熱材料的熱導(dǎo)率之所以小 ， 因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)呈纖維狀或多孔 ， 其空隙率很大 ， 孔隙中含有大量空氣的緣故 。K)) (氣體 102～ 101 W/(mK)) (絕緣材料 102～ 101 W/(m ?山東輕工業(yè)學(xué)院 13 λ(金屬 固體 ) λ(非金屬固體 ) λ(液體 ) λ(氣體 ) λ的大概范圍： (金屬固體 101～ 102 W/(m T? ??T? ??)1(0 at?? ??絕大多數(shù)液體， T 增 λ減 。 山東輕工業(yè)學(xué)院 12 （ 1） 固體 ? 純金屬 ， ， 純金屬 λ比合金的 λ大。 從強(qiáng)化傳熱來(lái)看，選用 ?大的材料；相反要削弱傳熱，選用 ?小的材料?！?) ? 三、傅立葉定律 ? 熱傳導(dǎo)速率（單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量）與溫度梯度及垂直于法向的導(dǎo)熱面積成正比。 溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，溫度增加方向?yàn)檎? t1 t2 t1t2 等溫面 Q 任意點(diǎn)不能同時(shí)有兩個(gè)溫度 山東輕工業(yè)學(xué)院 9 二、溫度梯度 ? 溫度梯度： 兩等溫面的溫度差 ?t與其間的垂直距離 ?n之比，在 ?n趨于零時(shí)的極限（表示溫度場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)沿等溫面法線方向上的溫度變化率）。 ? ?t f x y z? , ,山東輕工業(yè)學(xué)院 8 等溫面： 在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)組成的面。 不穩(wěn)定溫度場(chǎng)： 各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變的溫度場(chǎng)。 高溫下，輻射傳熱是主要傳熱方式。 特點(diǎn)： 熱輻射既是能量的轉(zhuǎn)移，又伴有能量形式的轉(zhuǎn)化。物體會(huì)因各種原因發(fā)射出輻射能 熱輻射： 物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過(guò)程，高溫物體把熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式進(jìn)行傳熱現(xiàn)象。 ? 強(qiáng)制對(duì)流： 流體在外力的強(qiáng)制作用下運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的對(duì)流。通常 把傳熱固體表面與接觸流體的傳熱也稱為 對(duì)流給熱 ，簡(jiǎn)稱 給熱 。 ? 非導(dǎo)電固體： 非導(dǎo)電體導(dǎo)熱是通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ? 液體： 存在兩種不同的觀點(diǎn)，類似于氣體和非導(dǎo)電固體。 從微觀角度來(lái)看 ， 氣體 、 液體 、 導(dǎo)電固體和非導(dǎo)電固體的導(dǎo) 熱機(jī)理各不相同： 氣體： 氣體分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果 。1 《化工原理》 Principles of Chemical Engineering 化工原理教研室 Chemical Engineering Teachingamp。Research Section 2 第五章 傳 熱 Chapter 5 Heat Transfer 山東輕工業(yè)學(xué)院 4 概述 (Introduction) 傳熱的三種基本方式 一 、 熱傳導(dǎo)： 依靠物體中微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng) ， 熱量從物體內(nèi)部高溫部分傳 遞到低溫部分或者相互接觸的物體之間由高溫物體傳遞到低 溫物體的過(guò)程 ， 如固體中的傳熱； 特點(diǎn)： 單純的熱傳導(dǎo)過(guò)程中 ， 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位 移 ， 即沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移 。 山東輕工業(yè)學(xué)院 5 ? 導(dǎo)電固體： 自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng)；良好的導(dǎo)電體中有相當(dāng)多的自由電子在晶格之間運(yùn)動(dòng)，正如這些自由電子能傳導(dǎo)電能一樣，它們也能將熱能從高溫處傳到低溫處。 二、對(duì)流： 流體各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程，對(duì)流只能發(fā)生在流體中。 ? 自然對(duì)流： 靜止流體內(nèi)部由于溫度不同、密度不同，造成流體內(nèi)部發(fā)生對(duì)流而傳熱。 山東輕工業(yè)學(xué)院 6 三、輻射傳熱： 以電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。 任何物體能以電磁波的形式把熱能輻射出來(lái)，也能把其他物體輻射的電磁波吸收并轉(zhuǎn)變成熱能。此 外，輻射能可以在真空中傳播，不需要任何物質(zhì)作媒介。 山東輕工業(yè)學(xué)院 7 ? 一、溫度場(chǎng)和等溫面 溫度場(chǎng)： 某一時(shí)刻，物體（或空間）各點(diǎn)的溫度分布 熱傳導(dǎo) ? ??, zyxft ?t ── 某點(diǎn)的溫度， ℃ ； x,y,z ── 某點(diǎn)的坐標(biāo)； ? ── 時(shí)間。 ? ??, zyxft ?穩(wěn)定溫度場(chǎng)： 任一點(diǎn)的溫度均不隨時(shí)間而改變的溫度場(chǎng) 。不同溫度的等溫面不相交。 ntntn ??????? 0lim溫度梯度與熱流方向的關(guān)系 n Q dA t t?t t+?t 偏導(dǎo)數(shù)的意義：不同等溫面間的導(dǎo)熱，只考慮其沿法線方向的溫度差。 山東輕工業(yè)學(xué)院 10 dQ ── 熱傳導(dǎo)速率， W或 J/s； dA ── 導(dǎo)熱面積， m2； ?t/?n ── 溫度梯度， ℃ /m或 K/m； λ ── 熱導(dǎo)率，表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)， ? 越大，導(dǎo)熱性能越好， W/(m ntAQ?????? dd用熱通量來(lái)表示： ntAQq?? ????dd一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)： dxdtAQ dd ???山東輕工業(yè)學(xué)院 11 四、熱導(dǎo)率 熱導(dǎo)率定義由傅立葉定律給出： ntq??/???物理意義： 溫度梯度為 1時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積的熱通量；數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通 量， ，導(dǎo)熱性能越好。 ???與分子運(yùn)動(dòng)和分子間相互作用力有關(guān) ， 是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的表征；數(shù)值大小取決于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成 、 溫度和壓力等因素 。 ? 非金屬 ， ， 同樣溫度下， ? 越大， 越大 ? 在一定溫度范圍內(nèi)（溫度變化不太大），大多數(shù)均質(zhì)固體 λ與 t呈直線關(guān)系，可表示為： （ 2） 液體 :金屬液體和非金屬液體 ? 金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)較高，非金屬液體較低，非金屬中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。 一般來(lái)說(shuō)， λ 純液體 ＞ λ 溶液 。K)) (建筑材料 101～ 100 W/(mK)) (液體 101 W/(mK)) （ 3） 氣體 氣體不利于導(dǎo)熱 ， 但可用來(lái)保溫或隔熱 。 T? ??山東輕工業(yè)學(xué)院 14 ? 五、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) ? （一）單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假設(shè)： (1)平壁內(nèi)溫度只沿 x方向變化， y和 z方向上無(wú)溫度變化，是一維溫度場(chǎng)。 一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)： xtAQdd???若對(duì)邊界條件積分： Q d x A d tbtt0 12? ?? ? ?若 ?不隨 t 而變 AbttttAbQ?? 2121 )(????山東輕工業(yè)學(xué)院 15 式中 : Q ──熱流量，即單位時(shí)間通過(guò)平壁的熱量， W或 J/s A ──平壁的面積， m2； b ──平壁的厚度， m； ? ──平壁的熱導(dǎo)率， W/(mK)； t1 , t2 ──平壁兩側(cè)的溫度， ℃ 。 若 ? 隨 t 變化關(guān)系為： 山東輕工業(yè)學(xué)院 16 （二）通過(guò)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假定： （ 1）一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng) （ 2）各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。 當(dāng)總溫差一定時(shí)，傳熱速率的大小取決于總熱阻的大小。 （一）通過(guò)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 取厚度為 dr同心薄層圓筒 Q A tr? ? ? dd圓筒的內(nèi)外半徑不等，導(dǎo)熱面積與半徑成正比， A =2π r l 代入傅立葉公式： Q A dtdr rl dtdr? ? ? ? ?? ? ?2山東輕工業(yè)學(xué)院 19 Q ──熱流量，即單位時(shí)間通過(guò)圓筒壁的熱量， W或 J/s ? ──圓筒壁的導(dǎo)熱系數(shù)， W/(mK)； t1 , t2 ──圓筒壁兩側(cè)的溫度， ℃ 。 r r t t? ?1 1時(shí)， r r t t? ?2 2時(shí)，邊界條件為： ?? ???? 21212tt l d trr drrQ ??12ln)21(2rrttlQ??????山東輕工業(yè)學(xué)院 20 2．對(duì)于 的圓筒壁，以算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值 導(dǎo)致的誤差 4%。 Qt tbAt tRL t trrnii iinniinniiiin＝ ＝ ＝1 111 111 11121? ? ????????? ? ????m( )ln多層圓筒壁傳熱的總推動(dòng)力也為總溫度差，總熱阻也為各層熱阻之和，但計(jì)算時(shí)與多層平壁不同的是各層熱阻對(duì)應(yīng)的傳熱面積不相等，應(yīng)采用每層的平均面積 。 間壁式換熱： 參與傳熱的兩種流體在固體間壁的兩側(cè) ， 冷 熱流體在不直接接觸的條件下通過(guò)固體間壁進(jìn)行熱量交換 套管式換熱器 冷溶液進(jìn) 冷溶液出 熱溶液進(jìn) 熱溶液出 兩流體間的熱量傳遞 山東輕工業(yè)學(xué)院 23 換熱器換熱過(guò)程： 固體間壁的導(dǎo)熱； 流體與壁面間的傳熱 —— 對(duì)流給熱。 層流底層： 流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向作平行 流動(dòng)，傳熱方向上無(wú)質(zhì)點(diǎn)的混合，溫度 變化大，近壁處層流底層的傳熱主要是 熱傳導(dǎo)。 湍流主體： 在遠(yuǎn)離壁面的湍流中心，流 體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度趨于一致（熱阻?。?，傳熱主要以對(duì)流方式進(jìn)行。 兩流體通過(guò)間壁的傳熱 山東輕工業(yè)學(xué)院 24 ? 過(guò)渡區(qū)域： 溫度分布不像湍流主體那么均勻，也不像層流底層變化明顯，傳熱以熱傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式共同進(jìn)行。 ? 根據(jù)熱傳導(dǎo)分析，溫差大熱阻就大。 ? 要強(qiáng)化傳熱，必須減少層流底層的厚度。 ? 假設(shè)流體與固體壁面之間的傳熱熱阻全集中在當(dāng)量厚度為 δt 的膜內(nèi)，膜外無(wú)熱阻存在，膜內(nèi)傳熱主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。 兩流體通過(guò)間壁的傳熱 山東輕工業(yè)學(xué)院 25 牛頓冷卻定律 在虛擬膜內(nèi)由傅立葉定律表示傳熱速率： 冷流體被加熱： Q A t tt? ??? ( )w熱流體被冷卻： )w( TTAtQ ???? ?? 設(shè) ? ???t，對(duì)流傳熱速率方程可用牛頓冷卻