传热学导热

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传热学

1传热学概论一、基本概念：1.研究对象：传热学是研究热量传递规律的学科。1）物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传向低温部分；2）物体之间存在温差时，热量就会自发地从高温物体传向低温物体。2.在下列技术领域中大量存在传热问题：动力、化工、制冷、建筑、环境、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…2

23.热量传递过程：根据物体温度与时间的关系，热量传递过程可分为两种：1）稳定传热过程凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳定传热过程。2）不稳定传热过程凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程均称不稳定传热过程。各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳定传热过程；而在启动、停机、工况改变时的热传递过程则属不稳定传热过程。3

34.工程传热问题：分为两种类型：1）增强传热目的是提高传热设备的换热能力，或在换热量一定时减小设备尺寸。2）削弱传热目的是减少散热损失。学习传热学的目的：分析和认识传热规律，能动地控制热量传递，有效地解决工程技术中增强或削弱传热的问题，实现能源的合理使用，提高设备的生产能力。4

4二、热量传递的三种基本方式:1.导热（又称热传导）指温度不同的物体各部分间或温度不同的两物体间直接接触时而发生的热量传递现象。导热可以在固体、液体及气体中发生。2.热对流依靠流体的流动，把热量由一处传递到另一处的现象，称为热对流。3.热辐射热辐射是依靠物体表面对外发射可见和不可见的射线（电磁波）传递热量。5

5三、传热学与工程热力学的关系：1.联系：传热学以热力学第一定律和第二定律为基础。即：热量Q传递始终是从高温物体向低温物体传递；在热量传递过程中，总量始终保持守恒。2.区别：1)研究内容工程热力学：热能的性质、热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律。传热学：热量Q传递过程的规律。2)时间工程热力学：不考虑传热的时间。计算总热量Q。传热学：考虑传热时间。计算热流量Ф（单位时间内传热量）。6

6火电厂中的传热现象锅炉传热汽轮机散热凝汽器换热7

7火电厂中的传热现象高压加热器冷却塔8

8其它工业中的传热应用9

9生活中的传热现象72℃的铁和600℃的木头摸上去的感觉是一样的吗？10

10生活中的传热现象烧开水时，为什么一旦水烧干了，铝壶就很容易烧坏？11

11生活中的传热现象两滴完全相同的水珠分别落在120℃和400℃的铁板上，哪一滴先汽化掉？12

12导热传热学

13导热的基本概念导热的基本定律平壁稳定导热圆筒壁稳定导热不稳定导热本章主要内容14

148-1导热的基本概念1.概念：指物体内各部分间或不同物体之间直接接触时因温差而发生的热量传递现象，也称热传导。一、导热及其本质：2.导热特点：①必须有温差。②物体直接接触。③不发生宏观的相对位移。④导热是物质的属性，可在固体内（间），液体内（间），气体内（间）发生导热。⑤单纯的导热只在固体中发生。15

153.导热机理：从微观角度分析：（1）气体中：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。（2）导电固体：自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。（3）非导电固体：通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的。（4）液体的导热机理：存在两种不同的观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些；第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。——依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量。16

16二、温度场：1.概念：指在各个时刻物体内各点温度分布的总称。物体的温度分布是空间和时间的函数：t=f(空间，时间）即17

172.温度场分类：（1）按时间特性分①稳定温度场：是指在稳态条件下，物体各点的温度分布不随时间的改变而变化的温度场，其表达式为：在稳定温度场内发生的导热称为稳定导热.②不稳定温度场：是指在变动工作条件下，物体中各点的温度分布随时间而变化的温度场，其表达式为：在不稳定温度场内发生的导热称为不稳定导热.18

18（2）按空间特性分①一维温度场：若物体温度仅沿一个方向有变化的温度场称一维温度场.②二维温度场：③三维温度场：温度场表达式19

19三、等温面与等温线：1.定义：等温面：同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起来所构成的面。等温线：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇。2.特点：(1)温度不同的等温面或等温线彼此不能相交；(2)在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止于物体的边界上。20

20物体的温度场通常用等温面或等温线表示：如图所示，为t=f(x)温度场中的等温线。（a）平壁（b）圆筒壁21

218-2导热的基本定律一、导热的基本定律——傅立叶定律热流量Φ—单位时间传递的热量，W（或J/s）热流密度φ--单位时间通过单位面积的热量，W/m2热导率λ—反映材料导热能力的系数，W/(m.K)WW/m222

22二、热导率（导热系数）1.物理意义：——它反映了物质导热能力的强弱，常由实验测定。2.影响因素：物质的种类、温度、湿度、密度等。（动画：温度对不同材料热导率的影响）常有：23

23几种典型材料在常温下的热导率材料名称λ，[W/（m.K）]材料名称λ，[W/（m.K）]纯银427冰（0℃）2.22纯铜398水（0℃)0.511纯铝236水蒸汽（0℃）0.183钢约47矿渣棉0.04~0.046不锈钢29玻璃棉0.037玻璃0.65~0.71润滑油0.146木材0.12干空气0.0259红砖0.23~0.58氢气0.177试比较发电机定子及转子线圈采用空冷、氢冷及水冷的冷却效果。24

24我国规定:t≤350℃时,λ≤0.12w/(m.k)的材料称为保温材料。我国50年代规定为0.23W/（m.k)，80年代GB4272-84中是0.14W/（m.k)。保温材料都是多孔性结构材料，孔隙充满空气。电厂中常用的保温材料：石棉、矿渣棉、硅藻土、膨胀珍珠岩和超细玻璃棉等。3.保温材料（隔热、绝热材料）注意：一般保温材料的热导率随温度的升高而增大，随湿度的增大而明显增大。如矿渣棉含水10.7%时热导率增加25%，而含水23.5%时热导率增加500%.25

258-3平壁的稳定导热无限大平壁：指长度及宽度都远大于其厚度的平壁。实践经验表明，当平壁长度及宽度为厚度8倍以上时，可视为无限大平壁。因而平壁两侧保持均匀壁温的稳定导热就可以归纳为一维稳定导热问题。在电厂中，锅炉墙壁、汽轮机汽缸壁等在稳定运行时的导热均可按平壁的一维稳定导热来分析。26

26一、单层平壁的稳定导热：如图所示，平壁的长和宽远远大于厚度，且两侧壁面温度保持tw1和tw2，则热量只沿厚度方向传导，为一维稳定导热问题。（计算中假定λ为定值）27

271.温度分布和导热量计算：tw1tw2热流密度：单层平壁稳定导热时壁内温度分布呈直线分布。28

282.导热热阻与热路图：分析：（1）热流密度φ（热流量Φ）与平壁两侧的温度差（∆t）成正比，与热阻Rλ成反比。（2）当导热量一定时，壁面两侧温度差越大，则该壁面的热阻就越大。29

293.热阻的含义：项目转移驱动力转移阻力转移量基本定律导电电压△U(V)电阻R(Ω)电流强度I(A)I=△U/R导热温差△t(℃)热阻Rλ(m2℃/W)热流密度φ(W/m2)φ=△t/Rλ热量传递是自然界的一种转移过程,与自然界的其他转移过程类同，如：电量的转移,动量、质量等的转移。其共同规律可表示为：过程中的转移量=过程中的动力/过程中的阻力在电学中，这种规律性就是欧姆定律；热传导中为傅里叶定律。导热与导电比较30

30二、多层平壁的稳定导热（以三层平壁导热为例）串联热阻叠加原则：串联过程的总热阻等于各串联环节的分热阻之和。q31

31多层平壁稳定导热的温度分布q多层平壁稳定导热时壁内温度分布为何为一条折线，而不是一条连续的直线？（答案：由于各层材料的热导率不同）32

32例题分析例8-1用一厚为1.5mm的平底铝锅烧开水，铝的热导率为200W/(m.℃)，现锅底的内、外表面分别结了一层0.2mm厚的水垢和0.1mm厚的烟垢，已知水垢和烟垢的热导率分别为1.5W/(m.℃)和0.1W/(m.℃)，若两侧温差不变，试问锅底结垢后的导热量变化了多少？（锅底可认为是大平壁）解：结垢前为单层平壁导热，即结垢后为三层平壁导热，即则33

33思考题在三层平壁的稳定导热问题中，已测得tw1、tw2、tw3、tw4依次为600℃、500℃、200℃、100℃，试问哪一层壁热阻最大？假设各层厚度相同，问哪一层壁材料的热导率最小？（答案：中间层热阻最大，热导率最小）34

348-4圆筒壁的稳定导热电厂中的很多换热设备均采用管式结构，如锅炉水冷壁、过热器、省煤器以及凝汽器、回热加热器等管壁的导热。无限长圆筒壁：指长度比内、外径大得多（通常取L/D大10倍及以上时）的圆筒壁。其导热过程在圆柱坐标系中可简化为仅沿半径方向的一维导热。35

35一、单层圆筒壁的稳定导热：如图所示，圆筒壁长为L，内径为d1，外径为d2，内壁温为tw1，外壁温为tw2，则由傅里叶定律得：tw1tw2可见：圆筒壁内温度分布为对数曲线。36

36通过单位管长的导热量：热流量：37

37二、多层圆筒壁的稳定导热：tw1tw4如三层时单位管长热流量：多层圆管壁内稳定导热时的温度分布为一条曲折线。38

388-5不稳定导热一、不稳定导热过程的特点1、不稳定导热的定义：——物体的温度随时间而变化的导热过程称不稳定导热。2、不稳定导热的分类：周期性不稳定导热：物体的温度随时间而作周期性的变化。瞬态不稳定导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值。39

393、瞬态不稳定导热过程的温度变化和热量传递：Φ1——板左侧导入的热流量Φ2——板右侧导出的热流量温度变化以一平壁左面突然加热为例：40

404、不稳定导热过程的两大特点：（1）每一个与热流方向相垂直的截面上的热流量处处不等。（2）物体内部各处的温度随时间依次升高，不到一定时间，壁面另一侧的温度是不会升高的。41

411、热扩散率的定义式：λ——物体的热导率（导热系数）；ρc——单位体积的物体温度升高1℃所需的热量。ρc越小，温度升高1℃所吸收的热量越少，可以剩下更多的热量向物体内部传递，使物体内温度更快地随界面温度升高而升高。二、热扩散率及物理意义m2/s42

422、热扩散率的物理意义：（1）ɑ越大，表示物体受热时，其内部各点温度扯平的能力越大。（2）ɑ越大，表示物体中温度变化传播得越快。所以，ɑ也是材料传播温度变化能力大小的指标，亦称导温系数。43

43三、电厂中不稳定导热的实例分析热应力——由于壁面中温度不均匀而引起的应力统称热应力。其大小与壁面两侧的温差Δt成正比。在金属材料的不稳定导热过程中，壁面两侧的温差要比进入稳定状态后的温差大得多。δ——平壁厚度，mα——热扩散率，m2/sw——蒸汽升温速度，/s44

44三、电厂中不稳定导热的实例分析1、启动过程中汽缸壁的不稳定导热分析减小热应力的措施：（1）法兰螺栓加热装置；（2）控制蒸汽升温速度；（3）高、中压缸采用双层缸结构。45

45三、电厂中不稳定导热的实例分析2、启动过程中锅炉汽包壁的不稳定导热分析减小汽包内、外壁及上、下壁间热应力的措施：（1）控制锅炉冷态进水温度（不超过90℃）及进水时间（夏季为2～3h，冬季为4～5h）；（2）控制蒸汽升温、升压速度。46

46本章小结比较热流量及热流密度热导率的影响因素及保温材料的热导率范围通过平壁和圆筒壁的一维稳定导热计算（比较其导热热阻的表示）47

47一炉墙由耐火层、保温层及防护板三层构成，热导率分别为0.96、0.1和46w/(m.K)，厚度分别为120、180和4mm，炉墙内表面温度为640℃，外表面温度为52℃，求该炉墙单位面积的热损失和各层间接触面的温度。课外作业48

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51法兰螺栓加热装置52

52国产300MW汽轮机高压缸的双层结构示意图5——高压内缸；8——高压外缸53