热工基础与设备第2章-传热

第二章 传 热导 热 对流换热 辐射换热

综合传热

传热 现象

硅酸盐工 业窑炉

本章节内容第一节第二节 第三节 第四节 第五节

传导传热——导热对流换热 热辐射 综合传热 热换器

基本概念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。 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.

等温面等温线 温度梯度： gradt

图2-1温度梯度和热流 t t gradt lim n 0 n n0

C/m

基本概念稳定温度场

1、温度场2、等温面

不稳定温度场等温线

t 0 t 0

稳定导热

不稳定导热

Q 0 Q 0

3、温度梯度 4、热流量：单位时间内传递的热流量

t t lim gradt (n) n n 0 n

c/m

Q (w)

热流密度：单位时间，通过单位面积的热流量 稳定导热 不稳定导热

q (w/m2)(热流密度)

传热的几种方式及基本特点导热： 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。 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。 辐射： 1,无须介质传播2,有能量形式的转换

§2.1 传导传热—导热定 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。

导热1、1 导热基本定律—傅立叶定律表达式： (一维稳定) 稳态 非稳态

t Q F x t q x

t dQ dF d x t dq d x(w /m c)or(KJ /m²hr c/m)

式中：导热系数

q t x

λ: 温度降为 1 c/m 时，单位时间、单位面积传递的热量。

λ:材料的导热系数/热导率表示物体内温度降度为1℃/m,单位时间内通过单位 面积的热流量，它标志物质的导热能力。 λ = Q/[(- t/ x )· F] W/(m· ℃) 气体: 0.006~0.6 W/(m· ℃), 分子运动和相互碰撞 的结果;

液体: 0.07~0.7 W/(m· ℃); 固体： 金 属: 2.2~420 W/(m· ℃ );非金属: 0.025~4 W/(m· ℃); 导热系数随温度而变化：λt=λ0(1+βt)= λ0+btm

导热

影响 的因素：A、热导率随温度变化而变化 砌炉材料t 0

1 t bt0

t —— t ℃时的热导率 0 —— 0℃时的热导率 b,β——实验常数，1/ ℃

o o400

°c 14.2 600 °c 12.2

如粘土砖、硅砖、刚玉、红砖 如高铝砖、镁砖、碳化硅砖

800 °c 10.3

1000 °c 9.2

1200 °c 8.0

导热 影响 的因素：使用温度 B、物质的种类 C、物质的结构 D、其他条件 一般 气体 t , 液体 多数 t , 水、甘油 t , 固 液 气 金属 非金属 绝缘材料

单晶 多晶 非晶 耐材、建材 绝缘材料 如含水量、气孔率等

影响导热系数的因素： f ( 种类、结构、湿度、密 度、温度)

一维稳定导热1、2 平壁导热

导热

单层平壁导热

(1)

constdt q dx

根据付里叶定律：

将此式分离 变量并积分：

q

t1 t2

t x

t t2

,

1

x t

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 。

导热(2)

constdt q dx t 0 1 t

q

t t1

2

0 1 t av tx

t t1

2

av 1

β =0

t

1

1

2

2 qx

0

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

利用公式

q

t1 t2

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λ,t1, t2,δ,求q); 计算所需保温层的厚度(已知q,λ,t1, t2,求δ); 计算物质的导热系数(已知q, t1,t2,δ求λ); 计算炉墙等物体的内外壁温度(已知q,λ, δ, t1(t2),求t2(t1)); 推算炉壁不同厚度处的温度：tx=t1- (t1-t2)x/δ

导热 引伸 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λ

讨论强化或削弱导热的途径

例题1: 如图，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λ= 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 。

解： 不考虑红砖的λ随温度变化，已知此红砖墙 的λ= 0.50W/(m·℃),故根据付立叶定律有： (1) q = ( t1 - t2 ) λ/ = (140-20)×0.50 / 0.24 = 250 W/m2 ( 2) ta = t 1 – [ ( t 1 - t2 ) / ] x = 140-[(140-20)/0.24]×0.06 = 110℃tb = 80℃; tc = 50℃. (3)上述可知，当λ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, 0≤x≤0.24m