传热学第三章稳态导热
传热学讲义——第三章
第三章 非稳态导热(unsteady state conduction)物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。
0≠τ∂∂t，任何非稳态导热过程必然伴随着加热或冷却过程。
根据物体内温度随时间而变化的特征不同，非稳态导热过程可分为两类：（1）周期性导热（periodic unsteady conduction ）：物体的温度按照一定的周期发生变化； 如建筑物的外墙和屋顶温度的变化。
（2）瞬态导热(transient conduction)：物体的温度随时间不断升高或降低，在经历相当长时间后，物体的温度逐渐趋于周围介质的温度，最终达到热平衡。
分析非稳态导热的任务：找出温度分布和热流密度随时间和空间的变化规律。
第一节 非稳态导热的基本概念一、瞬态导热过程采暖房屋外墙墙内温度变化过程。
采暖设备开始供热前：墙内温度场是稳态、不变的。
采暖设备开始供热：室内空气温度很快升高并稳定；墙壁内温度逐渐升高；越靠近内墙升温越快；经历一段时间后墙内温度趋于稳定、新的温度分布形成。
墙外表面与墙内表面热流密度变化过程 采暖设备开始供热前：二者相等、稳定不变。
采暖设备开始供热：刚开始供热时，由于室内空气温度很快升高并稳定，内墙温度的升高相对慢些，内墙表面热流密度最大；随着内墙温度的升高，内墙表面热流密度逐渐减小；随着外墙表面的缓慢升高，外墙表面热流密度逐渐增大；最终二者相等。
上述非稳态导热过程，存在着右侧面参与换热与不参与换热的两个不同阶段。
（1）第一阶段（右侧面不参与换热）是过程开始的一段时间，特点是：物体中的一部分温度已经发生变化，而另一部分仍维持初始状态时的温度分布（未受到界面温度变化的影响），温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布，物体内各处温度随时间的变化率是不一样的，即：在此阶段物体温度分布受t分布的影响较大，此阶段称非正规状况阶段或初始阶段（initialregime）。
（2）第二阶段（右侧面参与换热）当右侧面参与换热以后，物体中的温度分布不受t影响，主要取决于边界条件及物性。
《传热学》第三章 非稳态热传导
解的唯一性定理 数学上可以证明，如果某一函数t(x,y,z,τ)满足 方程（3-1a）（3-1b）以及一定的初始和边界条 件，则此函数就是这一特定导热问题的唯一解。 本章所介绍的各种分析法都被认为是满足特定问题 的唯一解。
3.1.3 第三类边界条件下Bi数对平板中 温度分布的影响
Bi =
δ λ δh = 1h λ
1）毕渥数的定义：
δ λ δh Bi = = 1h λ
毕渥数属特征数（准则数）。 2）Bi 物理意义： 固体内部单位导热面积上的导 热热阻与单位表面积上的换热热阻之比。Bi的大小 反映了物体在非稳态条件下内部温度场的分布规 律。 3）特征数（准则数）：表征某一物理现象或过 程特征的无量纲数。 4）特征长度：是指特征数定义式中的几何尺 度。 毕渥数
∂t Φ = ∂τ ρ c
⋅
φ可视为广义热源，而且热交换的边界不是计算边 界（零维无任何边界） 界面上交换的热量应折算成整个物体的体积热源， 即： − ΦV = Ah(t − t )
∞
物体被冷却，∴φ应为负值
dt ρ cV = − Ah(t − t∞ ) dτ
适用于本问题的导 热微分方程式
方法二
温度分布主要 受初始温度分 布控制 温度分布主要 取决于边界条 件及物性
非正规状况阶段（起始阶段）、正规状况阶段、新的稳态
二类非稳态导热的区别：瞬态导热存在着有区别的 两个不同阶段，而周期性导热不存在。
5 热量变化
Φ1－－板左侧导入的热流量 Φ2－－板右侧导出的热流量
各阶段热流量的特征： 非正规状况阶段：Φ1急剧减小，Φ2保持不变； 正规状况阶段： Φ1逐渐减小，Φ2逐渐增大。
传热学稳态导热
单位长度管道上旳总热阻：
Rl
1
h1d1
1
21
ln
d2 d1
1
2ins
ln
dx d2
1
h2d x
dx
ln d d 1
x 2
h2dx
16
外径增大使导热热阻增长而换热热阻减小，总热阻到 达极小值时旳热绝缘层外径为临界热绝缘直径dc
若d2< dc ，当dx在d2与d3范围内时，管道向外旳散
热量比无绝缘层时更大，d x d3 ql
解：设两层保温层直径分别为d2、d3和d4，则 d3/d2=2，d4/d3=3/2。
将导热系数大旳放在里面：
qL
t1 t2
1 ln d3 1 ln d4
1
t ln 2＋
1
ln 3
3t ;
0.11969
22 d2 23 d3 2 23
23 2
20
将导热系数大旳包在外面：
qL
t1 t 2 1 ln 2 1
tw t(x)
导热微分方程:
d 2t 0
1
tw
dx 2
2
o
x
3
两个边界均为第一类边界条件
x 0,
x ,
t tw1 t tw2
直接积分，得通解：
dt dx
c1
t c1x c2
代入边界条件得平壁内温度分布：
t
tw2 tw1
x
tw1
（线性分布）
4
热流量
Φ A dt A tw1 tw2 tw1 tw2 tw1 tw2
线要比外壁面陡。
tw1 r1
tw2
r2
13
热流量
传热学-稳态导热例题
专题二 稳态热传导
【解】
专题二 稳态热传导
【名校真题解析】29 （北京科技大学2012） 【计算题】考察一管长6m, 内、外径分别为7.4cm、
8.0cm，导热系数为14W/(m·℃)的压缩空气管道。管的外表 面由总功率为300W的电阻带均匀加热，外包绝热层，通过 绝热层的散热损失为15％。管内空气的平均温度为−10℃ ， 管道内表面的对流换热系数为30 W/(m2·℃)。试：
专题二 稳态热传导
温度场分布：
r=r2 处有最高温度：
t2
tf
q h
t2
150 ℃ 1.05105 3 500
q 2 (t1 t2 ) 2
t1
q 2 2
t2
186.30C
燃料层控制方程： 料层边界条件：
燃料层温度分布：
t
Φ
21
1
2
2
x2
t1
燃料层最高温度：
t0
t1
1 22
21
196.8℃
【计算题】一长为L的长圆柱内热源为 ，常物性，导 热系数为λ，左端面和侧面都绝热，右端与流体接触，温 度为tf，表面传热系数为 h，求
①写出微分方程和边界条件 ②温度分布 ③最大温度tmax
【解】 控制方程:
边界条件:
第一次积分:
第二次积分:
x L,
tL
Φ 2λ
L2
c2
tf
L ; h
c2 =t f
L h
Φ 2λ
L2
温度分布: 当x=0时，取得最大温度:
专题二 稳态热传导
【名校真题解析】 25（北京科技大学2011） 【计算题】考察一功率为800W的家用电熨斗
传热学中的名词解释
传热学中的名词解释1 ．稳态导热 : 发生在稳态温度场内的导热过程称为稳态导热。
（或：物体中的温度分布不随时间而变化的导热称为稳态导热。
）2 ．稳态温度场: 温度场内各点的温度不随时间变化。
（或温度场不随时间变化。
）3 ．热对流 : 依靠流体各部分之间的宏观运行，把热量由一处带到另一处的热传递现测温度均为肋基温度的理想散热量之比。
象4 ．传热过程: 热量由固体壁面一侧的热流体通过固体壁面传递给另一侧冷流体的过程5 ．肋壁总效率: 肋侧表面总的实际散热量与肋壁21. 换热器的效能（有效度）：换热器的实际传热量与最大可能传热量之比。
或22. 大容器沸腾：高于液体饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾。
23. 准稳态导热：物体内各点温升速度不变的导热过程。
24. 黑体：吸收率等于 1 的物体。
25. 复合换热：对流换热与辐射换热同时存在的综合热传递过程。
一、名词解释1．热流量：单位时间内所传递的热量2．热流密度：单位传热面上的热流量3．导热：当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒(分子、原子或自由电子)的热运动传递了热量，这种现象被称为热传导，简称导热。
4．对流传热：流体流过固体壁时的热传递过程，就是热对流和导热联合用的热量传递过程，称为表面对流传热，简称对流传热。
5．辐射传热：物体不断向周围空间发出热辐射能，并被周围物体吸收。
同时，物体也不断接收周围物体辐射给它的热能。
这样，物体发出和接收过程的综合结果产生了物体间通过热辐射而进行的热量传递，称为表面辐射传热，简称辐射传热。
6．总传热过程：热量从温度较高的流体经过固体壁传递给另一侧温度较低流体的过程，称为总传热过程，简称传热过程。
7．对流传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的对流传热量，单位为W／(m2·K)。
对流传热系数表示对流传热能力的大小。
8．辐射传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的辐射传热量，单位为W／(m2·K)。
传热学-第3章-稳态导热的计算与分析
15
3.1.3 第一类边界条件下变物性、无内热源的平壁
d dt 0
dx dx
0 1 bt
分离变量积分并利用边界条件，得到平壁内的温度分布：
0
t
b 2
t2
m
tw2
tw1
x
0
t
w1
b 2
t 2 w1
式中：
m
0
1
tw1
tw2 2
b
为平壁平均温度下的导热系数
16
3.1.3 第一类边界条件下变物性、无内热源的平壁
0
t
b 2
t2
m
tw2 tw1
x
0
t
w1
b 2
t 2w1
这表明，当材料的导热系数随温度呈线性规律变化时，
平壁内的温度分布是二次曲线方程，该二次曲线的凹凸性
主要由温度系数b的正负决定。
利用傅里叶定律分析表明：
——b>0时，温度分布曲线的开口向下；
——b<0时曲线开口向上
17
3.1.3 第一类边界条件下变物性、无内热源的平壁
需要用平壁算术平均温度下的导热系数λm代替
19
3.1.3 第一类边界条件下变物性、无内热源的平壁 ❖ 由于热流密度为常数，仍可采用对傅立叶定律分离变量
积分的分析方法得到平壁内的温度分布 ❖ 作为练习，请大家自行推导
20
3.1.4 第三类边界条件下的常物性、无内热源的平壁
❖ 当平壁左、右两侧面分别与温度为tf1和tf2（tf1>tf2） 的流体进行对流传热时，平壁两侧均处于第三类 边界条件
态 稳态的特征：物体内各位置处的温度不随时间变化，可
以去掉方程中的非稳态项
传热学第3章非稳态导热
2019/8/31 - 8 -
第3章 非稳态导热——§3-1 非稳态导热的基本概念
Bi r h
rh
1h
当 Bi 时， r rh ，因此，可以忽略对流换热热阻 当 Bi 0 时， r rh ，因此，可以忽略导热热阻
第三章 非稳态导热
第3章 非稳态导热
§3-1 非稳态导热的基本概念 §3-2 零维问题的分析法——集中参数法 §3-3 典型一维物体非稳态导热的分析 §3-4 半无限大物体的非稳态导热 §3-5 简单几何形状物体多维非稳态导热的解析解
2019/8/31 - 2 -
第3章 非稳态导热——§3-1 非稳态导热的基本概念
3、工程上几种典型非稳态导热过程温度变化率的数量级
2019/8/31 - 3 -
第3章 非稳态导热——§3-1 非稳态导热的基本概念
着重讨论瞬态非稳态导热
4、温度分布：
t
开始的一段时间，物体内部温度变化一层
层逐渐深入到内部，温度变化速度不一样，反映 到吸热量上，吸热量不一样。
t1 P
金属壁 保 温 层
BiV
FoV
BiV
h(V
A)
FoV
a
(V A)2
2019/8/31 - 12 -
第3章 非稳态导热——§3-2 集中参数法
BiV
h(V
A)
FoV
a
(V A)2
FoV 是傅立叶数
0
exp(
hA
cV
)
exp( BiV
传热学第三章稳态导热
传热学第三章稳态导热
11
根据热阻串联的叠加原则，通过三 层壁的热流密度计算式为：
q
tw1 tw4
1 2 3
1 2 3
W/m2
、
qA
1
tw1 tw4
2 3
W
1A 2A 3A
2021/2/12
传热学第三章稳态导热
12
由
q
t
可得各层接触面上的温度分别为 ：
tw2
、tw1
q1 1
℃
tw3
பைடு நூலகம்
tw4
W/m2
可见，通过平壁稳态导热的热流密度 取决于导热系数、壁厚及两侧面的温差。
稳态下平壁内与热流相垂直的各截面 上的热流密度为常量。
2021/2/12
传热学第三章稳态导热
6
通过整个平壁的热流量为：
AqAt
W
当λ=λ0(1+bt) 时，在温差(t1-t2 ) 下的导热量仍可用常物性导热计算式来 计算，只需用平均温度t=(t1+t2)/2 下的平 均导热系数计算即可。
rλ
rh2
传热学第三章稳态导热
返回 15
第二节 通过圆筒壁的导热
一、第一类边界条件下的圆筒壁导热 二、第三类边界条件下的圆筒壁导热 三、临界热绝缘直径
2021/2/12
传热学第三章稳态导热
16
一、第一类边界条件下的圆筒壁导热
1.单层圆筒壁
已知：长圆筒壁 r1、r2、 l ；
λ=const
r=r1 ,t=tw1; r=r2 ,t=tw2 求： (1) Φ=？
第三章 稳态导热
§3-1 通过平壁的导热 §3-2 通过圆筒壁的导热 §3-3 通过球壁的导热 §3-4 接触热阻 §3-5 通过肋片的导热
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2020/7/31
8
b.通过多层平壁的导热
例：房屋的墙壁由白灰内层 (1, 1) 、水泥沙浆层 (2, 2 ) 、 红砖主体层 (3, 3 ) 等组成，假设各层之间接触良好，近似地
认为接合面上温度相等。
q
t1 t2
1
t2
2
t3
t3 t4
3
1
2
3
t1
t2
t3
q
1
t1 t4
流相等，但内壁面积小于外壁
面积，所以内壁面热流密度总
是大于外壁面，由付立叶定律
r
可知，内壁面的温度曲线要比
外壁面陡。
2020/7/31
tw1 r1
tw2
r2
13
热流量
Φ
A
dt dr
2rL
tw1 tw2 ln(r2 r1)
1 r
tw1 tw2 tw1 tw2
1 ln r2
R
2 L r1
W
单位长度圆筒壁的热流量
ql
Φ L
tw1 tw2 1 ln r2
tw1 tw2 Rl
2 r1
W m
Rl
1 2
ln
r2 r1
m C W 单位长度圆筒壁 导热热阻
2020/7/31
14
b、通过多层圆筒壁的导热(运用串联热阻叠加原理)
带有保温层的热力管道、嵌套的金属 管道和结垢、积灰的输送管道等
2020/7/31
11
3、通过圆筒壁的导热
稳态导热 t 0
柱坐标系：1 (r t ) 1 ( t ) ( t ) 0
r r
r r 2 z z
当圆筒的截面尺寸相对管长很小，且管子内外壁面保持 均匀温度时，热量只在管径方向传递，通过管壁的导热 即为柱坐标系的一维问题。
a.通过单层圆筒壁的导热
工程上，为减少管道的散热损
失，常在管道外侧覆盖热绝缘
层或称隔热保温层。
t1 t2 t2 t3 t3 t4
1 n r2
1 n r3
1 n r4
21L r1 22L r2 23L r3
1
t1 t4 3 1 n ri1
2L i1 i ri
单位管长的热流量
ql
L
1
t1 t4 3 1 n ri1
2 i1 i
ri
2020/7/31
15
c.临界热绝缘直径
t
b t2 2
(tw1
b 2
t2 w1
)
tw1
tw2
1
b 2 (tw1
tw2 ) x
2020/7/31
6
其抛物线的凹向取决于系数 b 的正负。当
b 0 时 ， 随着 t 的增大而增大，
即高温区的导热系数大于低温区。
t1
由 Adt / dx ，平壁两侧 b<0
热流相等，面积相等，所以高温
区的温度变化率较低温区平缓，
0
形成上凸的温度分布。当 b 0 时
情况与之相反。
λ=λ0(1+bt)
b>0 t2
δ
x
2020/7/31
7
热流密度计算式为 :
q
0 1
b 2
tw2
tw1
tw1 tw2
或
q
m
2 2 0 1 btw1 tw2 2 01 btm
从中不难看出，λm是平壁两表面温度对应的导热 系数的算术平均值，也是平壁两表面温度算术平
2020/7/31
5
（λ随温度呈线性变化， （0 1 bt）, 0、b 为常数）
数学描述：
d dt 0
dx dx
x 0,
x
,
t t
tw1 tw2
d dx
0 (1 bt)
dt dx
0
0 (1
bt)
dt dx
c1
再积分得通解：
0
(t
b 2
t
2
)
c1x
c2
代入边界条件得其温度分布 ： （二次曲线方程）
简化处理：当组成复合平壁各种材料的导热系数相差 不大时，可近似当作一维导热问题处理
2020/7/31
10
两侧表面 总温差
• 复合平壁的导热量：
Φ t
R
总导热热阻
B、C、D材料的导热系数相 差不大时，假设它们之间 的接触面是绝热的。
1
R
1
1
1
R A1 R B R E1 R A2 R C R E2 R A3 R D R E3
稳态导热:t 0
直角坐标系:
( t ) ( t ) ( t ) 0
x x y y z z
2020/7/31
2
1、通过平壁的导热
平壁的长度和宽度都远大于其厚度，因而当 平板两侧保持均匀边界条件时，热量只在厚度方向 传递，温度只在厚度方向变化，即一维稳态导热问 题。
a.通过单层平壁的稳态导热
2020/7/31
4
热流量
Φ A dt A tw1 tw2 tw1 tw2 tw1 tw2
dx
A
R
W
式中： R (A) C W （整个平壁的导热热组）
热流密度
q tw1 tw2 tw1 tw2 tw1 tw2
A
r
W m2
式中： r
m2 C W （单位面积导热热组）
第三章 稳态导热
1、通过平壁的导热 2、通过复合平壁的导热 3、通过圆筒壁的导热 4、通过肋片的导热分析 5、通过接触面的导热 6、导热问题分析的一些技巧
2020/7/31
1
典型稳态导热问题分析解
稳态导热问题的主要特征是物体中各点温度不随时 间变化，只是空间坐标的函数，热流也具有同样性质。
温度在空间坐标上的分布决定导热问题的维数，维 数越多问题越复杂，所以应对具体问题具体分析，从 主要因素着手，忽略次要因素，适当简化。
数学描述: d r dt 0
dr dr
r r
r1, t r2 , t
t1 t2
积分两次得通解 : t c1 ln r c2
2020/7/31
12
代入边界条件得圆筒壁的温度分布为:
r ln t t1 r1 t2 t1 ln r2
r1
圆筒壁内的温度分布 是一条对数曲线
稳态导热时圆筒壁内外壁面热
1 ＋ 2 2 ＋ 3
3
q
t4
推广到n层壁的情况:
q
t1 tn1
n i
i1
i
t1
r1
t2 r2 t3 r3
t4
2020/7/31
9
2.通过复合平壁的导热
工程上会遇到这样一类平壁，无论沿宽度还是厚度 方向，都是由不同材料组合而成 ，称为复合平壁。
如：空斗墙、空斗填充墙、空心板墙、夹心板墙。
由于不同材料的导热系数不同，严格地说复合平壁的 温度场是二维或三维的。
（无内热源，λ为常数）
导热微分方程:
d 2t 0
dx2
t tw1 t(x)
tw2
o x
2020/7/31
3
两个边界均为第一类边界条件
x 0,
x ,
t tw1 t tw2
直接积分，得通解：
dt dx
c1
t c1x c2
代入边界条件得平壁内温度分布：
t
tw2 tw1
x tw1
（线性分布）