热量传递篇--传热原理.

主要内容
一. 传热概述
1.传热过程
2.传热速率
二. 热传导
1. 傅立叶定律和导热系数 2. 一维稳态导热
三. 本讲小结
作业：习题19-1，19-3
一.传热概述
热力学第二定律指出，凡是有温度差存在的 地方，就必然有热量传递，故在几乎所有的 工业部门，如化工、能源、冶金、机械、建 筑等都涉及传热问题。 物料的预热和冷却 合理利用能源 可持续发展 减少热损失 煤与石油
115
1.16
125
0.11670来自0.350设T2、T3分别为耐火砖与硅藻土砖的界面温度、硅藻 土砖和石棉水泥砖的界面温度。依题意，知道热损失 即为由炉墙内向炉墙外的传热量，有： T1 Tn 1 495 60 q n 316 W / m 2 1137kJ /(m 2 h) 0.115 0.125 0.070 bi 1.16 0.116 0.350 i i 1
边界条件： x=0, t=T1 ; x=b, t=T2
T1 T2 T1 T2 Q A b b ( A)
传导距离越大，传 热面积和导热系数 越小，热阻越大。
2) 通过多层平壁的稳态热传导
T1 T2 T1 T2 Q 1 A b1 b1 (1 A) T2 T3 T2 T3 2 A b2 b2 (2 A)
推广到通过n层平壁的稳态热传导,
T1 Tn 1 Q n bi (i A) i 1 T1 Tn 1 q n bi

i 1
i
例题：锅炉炉墙由耐火砖、硅藻土砖和石棉水泥砖三层组 成，各层的厚度、导热系数由下表所示，炉墙内外表面的 温度分别为495℃ 和60℃ ，试求每平方米炉墙每小时的热 损失及各层界面上的温度。 耐火砖 厚度（mm） 导热系数 (w/(m2· K)) 解： 硅藻土砖 石棉水泥砖
1.傅立叶定律与导热系数（Fourier’s Law）
1）傅立叶定律
t q n
负号表示方向 λ：导热系数，反映了不同物质的导热能力。
2）导热系数
q t n
导热系数定义式。
导热系数为单位导热梯度下的热通量，单位为 W/(m· K)或J/(m· s·K)。 说明： 1.各种物质的导热系数通常由实验确定； 2.各种物质的导热系数差别很大：
研究的目的：强化传热；削弱传热 化工过程中需要解决的传热问题：
1. 传热计算：设计或校核换热器；
2. 改进和强化传热设备
1.传热过程
1)传热过程中冷热流体的接触方式 直接接触式传热 间壁式传热 蓄热式传热 只适用于 气体介质 工业应用 最多
2）主要传热类型 三 种 类 型 热传导：冷热物体直接接触 对流传热：流体质点发生相对位移 辐射传热：电磁波传递能量，不需介质
Q c A Tn Tn'
本讲小结
1. 基本概念要清楚：三种主要传热方式，传热速率 2. 对于热传导，要掌握傅立叶定律及其在平壁导热和 圆筒壁导热中的应用。 3. 要掌握对数平均半径的求解方法，对数平均的概念 在以后的学习中会经常用到。 4. 导热系数是物质的属性，要知道其数值随温度、压 力以及其他外界条件的变化关系。
气体的分子运动。
2).液体导热系数 非金属液体的导 热系数以水最大。 除水和甘油外， 液体的导热系数 随温度的升高而 略有减小。如右 图所示。
3).固体导热系数
0 (1 t )
λ为温度为 t 时的导热系数 λ0为温度为零度时的导热系数 β为温度系数，对大多数金属材料为负值；但对大 多数非金属材料为正值。
T1 T2 Q 1 A b1 0.115 T2 T1 q 495 316 463.7C 1 1.16
同理：
b1
0.125 T3 T2 q 463.7 316 123.2C 2 0.116
温度差 ΔT/K
耐火粘土砖 硅藻土砖 石棉水泥砖 31.3 340.6 63.2
为将热阻表示为与平壁热阻相同的形式，对热阻作如下变形：
r2 ln r2 r1 b b r1 2 L 2 L r2 r1 2 L rm Am r2 ln r1
rm
r2 r1 r2 ln r1
称对数平均半径。
当 r1 / r2 2 时，对数平均半径rm可用算术平均半径代替。
一般的传热过程都是两种或两种以上类型的传热方 式的组合作用。例如工业上常用的套管式换热器。
稳态与不稳态传热
稳态传热：各点的温度不随时间发生变化 不稳态传热：各点的温度随时间发生变化
2. 传热量与传热速度：
传热量Q：单位时间内通过传热面A的热量，又称热流量 或换热量，单位为W。 传热速度q：单位时间内通过单位面积传热面的热量，又 称热通量或热流密度，单位为W/m2。 传热量和传热速度之间的关系：
将上式分离变量并积分，有：
Q
r2
r1
T2 dr 2 L dT T1 r
若T1>T2，上式整理得：
T1 T2 T1 T2 Q 2 L r2 r2 ln ln r1 r1 2 L
r2 r1 为热阻。 2 L ln
dQ q dA
与其它传递过程类似，传热速度也可以表示成传热 推动力和热阻的比值的形式：
传热推动力 T 1 q ＝ (T t ) K (T t ) 热阻 r r
T T t
：冷热流体的温度差，为传热推动力 ：传热阻力 ：传热系数，W/(m2· K)
r
K
二. 热传导
推广到通过n层圆筒 壁的稳态热传导,
T1 Tn 1 Q n bi (i Ami ) i 1
注意： A.圆筒导热的推动力与平壁导热相同， 亦为总温度差，总热阻亦为各层热阻 之和；但计算热阻的传热面积不相等， 为各层的平均面积。 B. 虽然通过各层的传热量Q相同，但 由于传热面积不同，各层的热通量q均 不相同。 C. 接触热阻：接触系数αc ， W/(m2 · K)
4) 通过多层圆筒壁的稳态热传导
与多层平壁的稳态热传导类似， 依据等比定理，多层圆筒壁的 稳态热传导表示为：
T1 T2 T2 T3 T3 T4 Q b b1 b 2 3 (1 Am1 ) (2 Am 2 ) (3 Am 3 ) T1 T4 b1 (1 Am1 ) b2 (2 Am 2 ) b3 (3 Am 3 )
金属>非金属固体>液体>气体
各种材料导热系数的范围
材料 金属 建筑材料 绝热材料 10-2～10-1 液体 10-1 气体 10-2～10-1
101～102 10-1～100 导热系数 （W/m· K）
3.各种物质导热系数的影响因素
1).气体导热系数 气体导热系数很小，不利于传热，但利于绝热、保温。 例如棉花、软木塞、羽绒等。 气体导热系数随温度升高而加大。 原因？
T3 T4 T3 T4 3 A b3 b3 (3 A)
依据等比定理，有：
T1 T2 T2 T3 T3 T4 T1 T4 Q b b b1 b1 b2 3 b2 3 (1 A) (2 A) (3 A) (1 A) (2 A) (3 A)
纯金属的随温度的升高而减小；金属的纯度对导热系 数影响很大，合金的导热系数一般比纯金属低。
非金属建筑材料或绝热材料的导热系数与物质的组成、 结构的致密程度及温度有关。
2. 一维稳态热传导
1) 通过平壁的稳态热传导 依傅立叶定律，有：
dQ t dt Q q dA n dx A dt Q A dx
b2
热阻R＝b/λ（m2/W）
0.099 1.078 0.200
3) 通过圆筒壁的稳态热传导 特点：与稳态平壁热传导不同， 圆筒壁的导热量Q为定值，导热 通量q 随半径的增大而减小。
对于半径为r的等温圆柱面， 依傅立叶定律，有：
t dT Q A (2 r L) n dr
热量传递篇－－传热原理
第十四讲 传热概述 热传导
Chapter 14 Introduction of Heat Transfer Thermal Conduction
Key words: Heat transfer, Conduction,
Fourier’s Law, Convection,
Radiation Heat Transfer.