传热学教材 DOC 全套

作者:7298棋牌游戏中心 | 2020-12-02 00:23

  本人大学期间学习教育学科,教学功底扎实。多次组织参与教育实践、研究活动。能够将先进的教学方法灵活运用到教学活动中,成效显著。有过支教和学校实习经历,尤其了解小学中低年级阶段学生心理特点。经过冯老师的辅导,学生成绩显著提升。

  内容提示:1 第一章 绪论 1 -1 传热学概述 一、什么是传热学 传热学是研究热量传递规律的科学。 (热量传递由什么引起的) 基于热力学的定义,热是一种传递中的能量。传递中的能量不外乎是处于无序状态的热和有序状态的功,他们的传递过程常常发生在能量系统处于不平衡的状态下,而系统的状态是可以用其状态参数来确定的。热力学的基本状态参数是压力p、温度T以及比容积v。对于一个不可压缩的热力学系统而言,温度的高低就反映了系统能量状态的高低和单位质量系统内热能(或称热力学能,简称内能)的多少。热力学第二定律告诉我们,能量总是自发地从高能级状态向低能级状态传递和迁...

  1 第一章 绪论 1 -1 传热学概述 一、什么是传热学 传热学是研究热量传递规律的科学。 (热量传递由什么引起的) 基于热力学的定义,热是一种传递中的能量。传递中的能量不外乎是处于无序状态的热和有序状态的功,他们的传递过程常常发生在能量系统处于不平衡的状态下,而系统的状态是可以用其状态参数来确定的。热力学的基本状态参数是压力p、温度T以及比容积v。对于一个不可压缩的热力学系统而言,温度的高低就反映了系统能量状态的高低和单位质量系统内热能(或称热力学能,简称内能)的多少。热力学第二定律告诉我们,能量总是自发地从高能级状态向低能级状态传递和迁移。因此,热的传递和迁移就会发生在热系统的高内能区域和低内能区域之间,也就是高温区域和低温区域之间。对于自然界的物体和系统,将其视为热力学系统时,他们常常是处于不平衡的能量状态之下,各部位存在着压力差和温度差,因而功和热的传递是一种非常普遍的自然现象。 因此,凡是有温度差的地方就有热量传递。热量传递是自然界和工程领域中极普遍的现象。我们学习传热学就是要掌握各种热量传递现象的规律,从而为设计满足一定生产工艺要求的换热设备,提高现有换热设备的操作和管理水平,或者对一定的热过程实现温度场的控制打下理论基础。 (课程安排) 在本课程中,我们将首先简要的介绍传热学的主要研究内容,给出导热、对流与辐射这三种热量传递基本方式的概念及所传递热量的计算公式。然后分别讨论导热、对流换热和辐射换热的基本规律,最后,在此基础上,把上述知识综合起来,介绍传热过程及换热设备的计算方法。 二、传热学的重要性 几乎在每个工程技术部门中都会遇到传热问题。 (例子) 例如建筑物的供热与降温。 自然界 (沙尘暴) 。 。 三、传热学与工程热力学在研究方法上的异同 工程热力学与传热学都是研究热现象的,都以热能的传递与转换过程中的基本规律作为研究对象。但是,工程热力学与传热学从不同的角度来研究热现象,因此在研究内容与方法上有很大区别。 2 1. 工程热力学着重研究的是在能量转换与传递过程中各种形式的能量在数量方面的关系以热能在质量方面的情况。在经典的热力学中,不考虑能量传递过程所需的时间。工程热力学中的这种研究是对实际工程问题的高度抽象,是为了简化复杂的实际问题而又得出具有一定的指导意义的结论所必须的。这只是研究的一个方面。 为了使所讨论的能量传递过程付诸实施,并能满足一定的生产、工艺要求,必须引入时间的概念。 时间是传热学的重要变量。许多情况下,我们致力于研究高效的热量传递方法,及特定设备在单位时间内传递较多热量的方法。 2. 工程热力学主要研究可逆过程 (冷、热介质温差无限小的情况下) ,而传热学研究的一切热量传递过程是不可逆过程。 3. 工程热力学不仔细研究过程进行的不同时刻与设备的不同地点上温度变化情况,而这是传热学感兴趣的话题。 (小节) 利用工程热力学的方法可以从理论上分析热力系统的状态、能量传递和迁移的多少以及系统的发展方向与性能的好坏。但是,能量是以何种方式传递和迁移?传递和迁移的速率如何?以及能量状态随时间和空间的分布如何?热力学都没有给予回答。处理和解决诸如此类的问题就是传热学的根本任务所在。例如,对于一个物体的加热过程,我们可以将其视为一个热力学过程。因此,热力学可以根据能量守恒的原则,研究这一系统最终达到的平衡温度,以及初态与终态之间的系统内能变化,而传热学则是基于热传递现象的机理,研究该物体在达到平衡以前的任何时刻、任意位置的温度变化,以及加热过程中热量随时间的变化关系。 所以传热学分析各种具体的传热过程是如何进行的,探求工程及自然现象中热量传递过程的物理本质,揭示各种热现象的传输机理,建立能量输运过程的数学模型,分析计算传热系统的温度和热流水平,揭示热量传递的具体规律。在一些较为复杂的场合,则通过计算机模拟或直接用实验方法,研究热量传递的规律。 1 -2 热量传递的基本方式 自然界存在三种基本的热量传递方式:热传导、热对流、热辐射。 (举例说明) 在各种不同的场合下,这三种方式可能单独存在,也可能产生不同的组合形式。 一、热传导 1. 定义和特征 当物体内部存在温度差 (也就是物体内部能量分布不均匀)时,在物体内部没有宏观位移的情况下,热量会从物体的高温部分传到低温部分;此外,不同温度的物体互相接触时,热量也会在相互没有物质转移的情况下,从高温物体传递到低温物体。这样一种热量传递的方式被称为热传导或简称为导热。因此, 当物体各部分 3 之间不发生相对位移时,借助于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而实现的热量传递过程称之为导热。 导热过程的特点有两个:(1)导热过程总是发生在两个互相接触的物体之间或同一物体中温度不同的两部分之间;(2)导热过程中物体各部分之间不发生宏观的相对位移。 2. 导热机理 在导热过程中,物体各部分之间不发生宏观位移,从物质的微观结构对导热过程加以描述与计算是比较复杂的。从微观角度看,气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理是不同的。 气体中,导热是气体分子不规则热运动是相互碰撞的结果。众所周知,气体的温度越高,分子的运动动能越大,不同能量水平的分子相互碰撞的结果,使能量从高温处传向低温处。 导电固体中有相当多的自由电子,它们在晶格之间像气体分子那样运动,自由电子的运动在导电固体的导热中起主要作用。 非导电固体中,导热通过晶格结构的振动,即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现。 液体的导热机理十分复杂,有待于进一步的研究。 3. 傅里叶公式 对于导热这种热量传递的方式的研究可以追溯到19世纪初期毕欧(Boit)早期的研究工作。他在对大量的平板导热实验(如图1-1所示)的数据分析中得出如下的结论: 通过垂直于平板方向上的热流量正比于平板两侧的温度差和平板面积的大小,而反比于平板的厚度。归纳如下数学关系: xt tA Q=2 1 , W (1-1) (1-5) 式中, Q 为单位时间导热量,又称热流量,单位是W;A为导热面积,单位是m 2 ;t 1 -t 2 为大平板两表面之间的温差,单位是℃(或K); 为相应的比例系数,称为平板材料的导热系数(或热传导率),表示物 体 导 热 能 力 的 大 小 的 物 性 量 , 单 位 是) C m /( Wo 。上式亦可表示为如下形式, xt tq=2 1, 2m / W (1-2) 式中 q 为单位面积热流,又称热流密度,单位是W/m 2 。 1822年,法国数学家傅里叶(Joseph Fourier)将毕欧的热传导关系归纳为 t 1t 2 0x QA图 1-1 通过无限大平板的导热 4 ntq = 2m / W (1-3) 此式称为傅立叶定律,在第二章中将对其进行详细的论述。式中, n t 为温度梯度,负号表示热流密度的方向与温度梯度的方向相反。即热量传递的方向与温度升高的方向相反。当温度t沿x方向增加时,dt/dx0,q0,说明热量沿x减小的方向传递(图1-2);反之,dt/dx0,q0,说明热量沿x增加的方向传递。 二、热对流与对流换热 举例:灼热金属在风扇前比在静止空气中散热更快。 1. 定义及特征 流体中温度不同的各部分流体之间,由于发生相对运动而把热量由一处带到另一处的热现象称为热对流,这是一种 借助于流体宏观位移而实现的热量传递过程。宏观位移是大量分子集体运动或者说流体微团的运动结果,这时不仅有宏观运动,还有随机运动,即微观运动。所以实际上流体在进行热对流的同时热量的传导过程也同时发生。因此,发生在流动介质中的热量传递是热传导与热对流的综合过程。工程上还经常遇到 流体与温度不同的固体壁面接触时的热量交换的情况,这种热量的传递过程称为对流换热。由于 单一的热对流是不存在的,因而传热学中讨论的对流问题主要是对流换热过程。 2. 分类 对流换热按照不同的原因可分为多种类型。按照 是否相变,分为:有相变的对流换热和无相变的对流换热。按照 流动原因,分为:强迫对流换热和自然对流换热。按照 流动状态,分为:层流和紊流。 强迫对流换热是由外因造成的,例如风机、水泵或大自然中的风。 自然对流换热是由于温度差造成密度差,产生浮升力,热流体向上运动,冷流体填充空位,形成的往复过程。例如无风天气,一条晒热的路面与环境的散热。有风时,强迫换热占主导。 3. 牛顿冷却公式 1701年,牛顿(Isaac Newton)首先提出了计算对流换热热流量的基本关系式,常称为牛顿冷却定律,其形式为 u t ft w QA图 1-4 对流换热过程示意图 图 1-2 图 1-3 5 t A t t A Qf w = = ) ( W (1-4) 式中, t w 是物体表面的温度; t f 是流体的温度; ⊿ t=t w -t f 这里认为t w t f ,人为约定 t取正值; 是一个定义的系数,称为对流换热系数或表面传热系数,单位为W/( 2mo C)它是一个反映对流换热过程强弱的物理量。 由于对流换热是一个复杂的热量交换过程,影响因素很多,如:引起流动的原因(自然或强迫流动):流体流动的状态(层流或紊流):流体的物理性质(密度、比热等):流体的相变(沸腾或冷凝);换热边界的几何因素(形状、大小及相对位置等)。显然,单凭(1-4)式是不可能描述或反映这些复杂因素对换热过程的影响,而只是把这些因素都集中到对流换热系数 之中。因此,针对各种对流换热问题求解对流换热系数 则是分析和研究对流换热问题的主要任务。 表1-1给出了几种对流换热表面的换热系数值。就 换热方式而言,自然对流换热系数最小(空气为1-10,水为200-1000),有相变时最大(10 3 -10 4 量级),强迫对流居中。 就介质而言,水比空气强烈。 三、热辐射 1. 定义 物质的微观离子(分子、原子和电子等)的运动会以光的形式向外辐射能量,我们称之为电磁辐射。电磁辐射的波长范围很广,从长达数百米的无线 米的宇宙射线。这些射线不仅产生的原因各不相同,而且性质也各异,由此也构成了围绕辐射过程的广泛的科学和技术领域。这里我们无意去讨论各种辐射过程,仅仅对由物质的热运动(即无序运动)而产生的电磁辐射,以及因这些电磁辐射投射到物体上而引起的热效应感兴趣。我们把 物体通过电磁波来传递热量的方式称为热辐射。凡是温度高于0[K]的物体都有向外发射热射线的能力。热辐射的波长大多集中在红外线区,在可见光区占比重不大。 (红外夜视仪) 物体的温度越高,辐射能力越强。温度相同,但物体的性质和表面状况不同,辐射能力也不同。 2. 特点 热辐射是热量传递的基本方式之一。与热传导和热对流不同,热辐射是通过电磁波(或光子流)的方式传播能量的过程,它不需要物体之间的直接接触,也不需要任何中间介质它不需要物体之间的直接接触,也不需要任何中间介质。当两个物体被真空隔开时,导热和对流均不会发生,只有热辐射。太阳将大量的热量传给地球,就是靠热辐射的作用。 热辐射的另一个特点是:它不仅产生能量的转移,而且还 伴随着能量的转换。即发射时从热能转化为辐射能,吸收时又从辐射能转化为热能。 3. 斯蒂芬- 玻尔兹曼 (Stefen-Boltzmann) 定律 一个理想的辐射和吸收能量的物体被称为黑体。黑体的辐射和吸收本领在同温度物体中是最大的。 黑体向周围空间发射出去的辐射能由下式给出 40 TA Q = , (1-5) 6 式中,Q为黑体发射的辐射能;A为物体的辐射表面积 , T为绝对温度,K; 0 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,其值为5.67 × 10 -8 W/( 2m K 4 )。 (1-5)式称为斯蒂芬-玻尔兹曼 (Stefen-Boltzmann) 定律,它是从热力学理论导出并由实验证实的黑体辐射规律,又称为辐射四次方定律,是计算热辐射的基础。一切实际物体的辐射能力都小于同温度下黑体的辐射能力。实际物体发射的辐射能可以用辐射四次方定律的经验修正来计算 4T A Q = W (1-6) 式中, ) 为该物体的发射率(又称黑度),其值小于1。一个物体的发射率与物体的温度、种类及表面状态有关。物体的 值越大,则表明它越接近理想的黑体。 自然界中的所有物体都在不断的向周围空间发射辐射能,与此同时,又在不断地吸收来自周围空间其它物体的辐射能,两者之间的差额就是物体之间的辐射换热量。 物体表面之间以辐射方式进行的热交换过程我们称之为辐射换热。对于两个相距很近的黑体表面,由于一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上,那么它们之间的辐射换热量为 ) T T ( A Q4241 = 。 (1-7) 当T 1 =T 2 时,也就是物体和周围环境处于热平衡时,辐射换热量等于零。但此时是动态平衡,辐射和吸收仍在不断进行。此时物体的温度保持不变。 温度不随时间变化的换热过程称为 稳态过程。 温度随时间改变的换热过程称为 非稳态过程。一般是机器的启动、停机或变工况运行时, 1 -3 传热过程与热阻 工业生产中所遇到的许多实际热交换过程常常是热介质将热量传给换热面,然后由换热面传给冷介质。这种 热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程称为传热过程 程。传热过程中由热流体传给冷流体的热量通常表示为: t kA Q =, (1-8) 式中, t 为热流体与冷流体间的平均温差;k 为传热系数,W/( 2m o C)。在数值上,传热系数等于冷、热流体间温差 t =1 o C、传热面积A=1 m 2 时的热流量值,T 1T 2QA图 1-5 两平行黑平板间的辐射 7 是一个表征传热过程强烈程度的物理量。传热过程越强,传热系数越大,反之则越弱。 以如图1-6所示的墙壁为例:屋内热空气的热量通过墙壁和保温层传递给屋外冷空气,这个过程就属于传热过程。若屋内空气温度为t f1 ,屋外的空气温度为t f2 ,传热温差 t = t f1 - t f2 。若屋内对流和辐射总换热系数为1 ,屋外侧的对流换热系数为2 ,墙壁、保温层的厚度分别为1 和2 ,墙壁、保温层的导热系数分别为1 和2 。 从热流体t f1 到t w1 : ) (1 1 1 w ft t A Q = 则11 1 AQt tw f= t w1 到t w2 : 1 2 1 1/ ) ( w wt t A Q = 则112 1 AQt tw w= t w2 到t w3 : 2 3 2 2/ ) ( w wt t A Q = 则223 2 AQt tw w= t w3 到冷流体: ) (2 3 2 f wt t A Q = 则22 3 AQt tf w= 相加整理得: AktA A A AQ1 1 1 t - t2 2 2 221 111 1f2 f1=+ + += 。 (1-9) 将(1-9)式表示成热阻的形式,有 tRtR R R RtQ=+ + +=4 3 2 1 (1-10) 导热 对流辐射对流 图 1-6 墙壁传热图 8 式中,R i (i=1,2,3,4)为传热过程的各个分热阻, o C/W,R t 为传热过程的总热阻。式(1-9)相当于电学中的欧姆定律(电流=电压/电阻: R / U I = ),且式中总热阻和分热阻的关系也具有电学中串联电路的电阻叠加特性:总电阻等于各串联分电阻之和。 导热现象的比拟(流量= 动力/) 阻力)(图1-7) 热阻是传热学的基本概念之一。用热阻的概念分析各种传热现象,不仅可使问题的物理概念更加清晰,而且推导和计算也来得简便。对于某一传热问题,如果要增强传热,就应设法减少所有热阻中最大的那个热阻;若要减弱传热,就应该加大所有热阻中最小的那个热阻,或者再增加额外的热阻,即增加保温层。 思 考 题 1 试以日常生活或生产实践中的例子说明热传导、对流换热和辐射换热现象。 2 夏季在温度为20 o C的室内,穿单衣感到舒适,而冬季在同样温度的室内却要穿绒衣,试从传热的观点解释其原因。 3 冬天,上午晒棉被,晚上睡觉为什么会觉得很暖和? 4 暖水瓶瓶胆为镀银真空夹层玻璃,简述暖水瓶的保温原理。 5 何为热阻,单位面积热阻和总面积热阻有何区别? 0.02 Kcal/( h m o C)。 第二章 导热的基本定律及稳态导热 ................................................................................ 9 2-1 导热的基本概念和定律 ............................................................................................ 9 1 温度场和温度梯度 ................................................................................................ 9 2 傅里叶定律的严格表述 ........................................................................................... 11 2-2 导热微分方程式 ...................................................................................................... 12 2-3 一维稳态导热分析 ..................................................................................................... 17 1 通过平壁的导热 ...................................................................................................... 17 2 通过圆筒壁的导热 .................................................................................................. 22 2-4 通过肋片的导热分析 .............................................................................................. 27 1 肋片导热(散热)微分方程及其求解 .............................................................. 27 2 肋片效率与肋片的工程计算 .................................................................................. 29 4 几点注释 .................................................................................................................. 31 2-5 复杂情况的稳态导热 .............................................................................................. 33 图 1-7 导热现象的比拟 9 第二章 导热的基本定律及稳态导热 从本章开始将深入的讨论三种热量传递方式的基本规律。研究工作基本遵循经典力学的研究方法,即提出物理现象、建立数学模型而后分析求解的处理方法,对于复杂问题亦可在数学模型的基础上进行数值求解或试验求解。采用这种方法,我们就能够达到预测传热系统的温度分布和计算传递的热流量的目的。 导热问题是传热学中最易于用数学方法处理的热传递方式。因而我们能够在选定的研究系统中利用能量守恒定律和傅立叶定律建立起导热微分方程式,然后针对具体的导热问题求解其温度分布和热流量。最后达到解决工程实际问题的目的。 2 -1 导热的基本概念和定律 1 温度场和温度梯度 1.1 温度场 由于热量传递是物质系统内部或其与环境之间能量分布不平衡条件下发生的无序能量的迁移过程,而这种能量不平衡特征,对于不可压缩系统而言,可以用物质系统的温度来表征。于是就有“凡是有温差的地方就有热量传递”的通俗说法。因此,研究系统中温度随时间和空间的变化规律对于研究传热问题是十分重要的工作。按照物理上的提法,物质系统内各个点上温度的集合称为温度场,它是时间和空间坐标的函数物质系统内各个点上温度的集合称为温度场,它是时间和空间坐标的函数,记为 ) , , , ( z y x f t = 2-1 式中,t为温度; x,y,z为空间坐标; -- 为时间坐标。 如果温度场不随时间变化,即为稳态温度场,于是有 ) , , ( z y x f t = 22 稳态温度场仅在一个空间方向上变化时为一维温度场, ) (x f t = 23 10 稳态导热过程具有稳态温度场,而非稳态导热过程具有非稳态温度场。 1.2 等温面 温度场中温度相同点的集合称为等温面,二维温度场中则为等温线,一维则为点.取相同温度差而绘制的等温线(对于二维温度场)如图2-1所示,其疏密程度可反映温度场在空间中的变化情况。 等温面不会与另一个等温面相交,但不排除十分地靠近,也不排除它可以消失在系统的边界上或者自行封闭。这就是等温面的特性。 1.3 温度梯度 温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量。按照存在温差就有热传的概念,沿着等温面方向不存在热量的传递。因此,热量传递只能在等温面之间进行。热量从一个等温面到另一个等温面,其最短距离在该等温面的法线方向。对于均质系统而言,在这个方向上应该有最大的热量通过。因而定义,系统中某一点所在的等温面与相邻等温面之间的温差与其法线间的距离之比的极限为该点的温度梯度系统中某一点所在的等温面与相邻等温面之间的温差与其法线间的距离之比的极限为该点的温度梯度,记为 grad t。它是一个矢量,其正方向指向温度升高的方向。结合图 22 所示,我们有 ntntLim gradtn== 0。 24 显然,温度梯度表明了温度在空间上的最大变化率及其方向。对于连续可导的温度场也就存在连续的温度梯度场。 1.4 热流密度 在绪论中业已提及,热流密度是定义为单位时间内经由单位面积所传递的热量,可以一般性地表示为 dAdQq = , 2--5 式中,dQ为垂直通过面积dA的热流量,因而热流密度q也是一个矢量,其方向与所通过面的方向一致。注意一下关于温度梯度的定义,不难发现热流密度通过的面就是等温面。那么,温度梯度和热流密度的方向都是在等温面的法线方向。由于热流是 图 2―1 温度场与等温面 n gradt p t +t q t t-t 图 2―2 温度梯度与热流密度 t t-t t+t 11 从高温处流向低温处,因而温度梯度和热流密度的方向正好相反。在图 22 中显示了这一特征。 2 傅里叶定律的严格表述 傅里叶定律是在毕欧(Boit)进行大量实验后所得结果的基础上由傅立叶(Fourier)归纳得出的。毕欧的平板导热实验可以认为是在两个等温面之间进行的,如图 23 所示。那么,通过平板上微元等温面的热流量可写成如下形式 ntdA dQ = , 经整理并取极限得出 gradt q = 。 26 这就是傅里叶定律严格的数学表达式。式中的负号是因为热流密度与温度梯度的方向不一致而加上的。于是,傅里叶定律可表述为系统中任一点的热流密度与该点的温度梯度成正比而方向相反系统中任一点的热流密度与该点的温度梯度成正比而方向相反。对于连续可导的温度场,显然存在着连续的温度梯度场,也就存在连续的热流密度场。 式(26)中的 比例系数 称为导热系数。它应该是一个与物质结构和状态密切相关的物理性质参数,常简称为物性量或物性参数,其量纲为 W/(m℃),它反映了物质微观粒子传递热量的特性。 一般而言, 不同物质的导热机理是不同的。气体是依靠其分子无规则的热运动而造成分子间碰撞和迁移来实现热量传递的。固体物质则是依靠其晶格振动来实现热量传递的(即所谓的“弹性波”传递)。对于金属物质,由于晶格间自由电子的存在,其在热运动下的漂移就构成传递热量的主要机制。液体物质的导热机理更类似于气体,而分子的密集程度类似于固体,分子间的引力会对导热过程产生较大影响,因而液体导热的机制是一种综合的作用,因而是以碰撞漂移为主还是“弹性波”效应,至今尚无定论。 n dt dn t 1 t t+dt t 2 0 x 图 2-3 平壁导热实验与傅里叶定律 12 同一种物质的导热系数也会因其状态参数的不同而改变,因而导热系数是物质温度和压力的函数。由于物质温度和压力的高低直接反映物质分子的密集程度和热运动的强弱程度,直接影响着分子的碰撞、晶格的振动和电子的漂移,故物质的导热系数与温度和压力密切相关。但是由于固体和液体的不可压缩性,以及气体导热系数在较大压力范围变化不大,因而一般把导热系数仅仅视为温度的函数,而且在一定温度范围还可以用一种线性关系来描述,即 ) 1 (0bT + = 27 式中, 0 为参考温度下的导热系数,b 为一实验常数。 各种物质的导热系数数值均由实验确定。各类物质的导热系数数值的大致范围及随温度变化的情况示于图 2―4 中。 2 -2 导热微分方程式 图 2―4 各种物质导热系数数值的大致范围 dydz dxxttx+ dydzxt dxdzyt dxdz dyytty+ dxdyzt dxdy dzzttzt+ 导热系统 13 傅里叶定律确定了温度梯度和热流密度之间的关系,而要确定物体的温度梯度就必须知道物体的温度场,即温度分布。因此,导热分析的首要任务就是确定物体内部的温度场导热分析的首要任务就是确定物体内部的温度场。在这里我们以能量守恒定律和傅里叶定律为基础,分析物体(系统)中的微元体,得出反映导热现象基本规律的导热微分方程式。图 2―5 给出了一个导热系统及其在直角坐标系中的一个微元体dxdydz。为分析问题的方便,取系统的物性量,密度 ,比热 c 和导热系数均为常数。 根据能量守恒定律,单位时间净导入微元体的热量 Q d 加上微元体内热源生成的热量 Q v 应等于微元体焓的增加量,即 + =v dQ Q 。 28 根据傅里叶定律,在 d 时间内,在 x 方向上导入的热量为 dydzdxt ,而导出的热量为 dydzd dxxttx) (+ 。因此,在 x 方向上净导入的热量为 dxdydzdxt22。 同理可导出,在 y 方向上净导入的热量为 dxdydzdyt22, 而在 z 方向上净导入的热量为 dxdydzdzt22。于是有 dxdydzdztytxtQ d ) (222222++= 。 (a) 微元体内热源在 d时间内生成的热量为 图 2―5 直角坐标中导热系统与其微元体 14 dxdydzd q Qv v= , (b) 式中,vq 为单位时间单位体积的内热源发热量,单位为3m W 。 微元体在 d 时间内焓的增加量为 dxdydzdtc= 。 (c) 将式(a),(b),(c)代入(28)中,并且两边同时除以 dxdydzd ,则可以得到 vqztytxt tc + ) (222222++= 。 29a 上式亦可写为 cqt acqztytxtatv v + = +++=2222222) ( , 29b 式中, 2 为拉普拉斯算子; c a = 称热扩散系数,单位为 s m 2 。 热扩散系数 a 也是一个物性参数,从其物理量的组成表明了物质导热特性与其贮存热能特性的对比关系,因而反映了物质导热的动态特征。对于相同大小的物质系统,在加热或冷却的过程中,热扩散系数越大的物质,其内部温度趋于一致的能力越大。由此也可将热扩散系数称为导温系数。 式(2―9)为导热系统的导热微分方程式。它表述了导热系统内温度场随时间和空间的变化规律,是导热温度场的场方程。 对于稳态温度场, 0 =t,则式(2―9)变为 02= + vqt 或 0222222= +++vqztytxt, 210 此式常称为泊桑方程。如果无内热源存在,则方程变为 02= + t 或 0222222=++ztytxt, 2―11 此式则称为拉普拉斯方程。它是研究稳态温度场最基本的微分方程式。 由于我们是在一般意义下从能量守恒定律推导出来的导热微分方程式,因而反映系统内能变化的一切导热问题的温度场都是可以用导热微分方程式来加以描述 15 的。这也就是说,导热微分方程是导热问题的普适性方程,也常常称之为支配方程或主导方程,一切导热问题的温度场都必须满足导热微分方程式。但对于具体的导热问题,还必须给出反映该问题特征的单值性条件,最后才能通过分析求解而得出满足该导热问题的特定温度场。导热问题的单值性条件通常包括如下四项: 几何条件――表征导热系统的几何形状和大小(属于三维,二维或一维问题); 物理条件――说明导热系统的物理特性(即物性量和内热源的情况); 初始条件――(又称时间条件,反映导热系统的初始状态)和 边界条件――反映导热系统在界面上的特征,也可理解为系统与外界环境之间的关系。 由于几何条件和物理条件可以在导热微分方程式以及初始条件和边界条件中反映出来。因此,从数学求解的层面上讲,微分方程式加上初始条件和边界条件就构成一个微分方程的定解问题。下面我们着重讨论一下导热系统的初始条件和边界条件。 微分方程的初始条件就是给出导热过程初始瞬间系统内的温度分布。数学表达式为 ) 0 , , , ( z y x f t = 。 如果初始温度分布是均匀恒定时,则有 常数 = =it t 。 对于稳态导热问题则不需要初始条件。 微分方程的边界条件是用来描述导热系统在边界上的热量传递特征的。常见的有如下三类: (1)第一类边界条件-该条件是给定系统边界上的温度分布,它可以是时间和空间 的 函 数 , 也 可 以 为 给 定 不 变 的 常 数 值 , 如 图 2-6a 所 示 的 t=f(y,z, ) ) , , ( z y fxt= ) = t txt( x x x 0 x 1 0 x 1 0 x 1 a.第一类边界条件 b.第二类边界条件 c.第三类边界条件 图 2―6 三类边界条件的给定 16 ) , , (1 1 z y f t x x = = 时 ; (2)第二类边界条件-该条件是给定系统边界上的温度梯度,即相当于给定边界上的热流密度,它可以是时间和空间的函数,也可以为给定不变的常数值,如图 2-6b 所示的 ) , , (2 1 z y f x t x x = = 时 ; (3)第三类边界条件-该条件是第一类和第二类边界条件的线性组合,常为给定系统边界面与流体间的换热系数和流体的温度,这两个量可以是时间和空间的 函 数 , 也 可 以 为 给 定 不 变 的 常 数 值 , 如 图 2-6c 所 示 的)1 = = t t x t x x ( 时- 。 对于稳态导热问题则不需要初始条件。 利用坐标变换,我们可以把直角坐标系中的导热微分方程式变换为圆柱坐标系或球坐标系中的导热微分方程式,这两种坐标系中的导热微元体如图 2―7 所示。各自的微分方程形式为: 对于圆柱坐标系 cqzt tr rtr rtatv ϕ ++++=)1 1(22222 22 212 对于球坐标系 cq trtr rtrr ratv ϕ +++=]sin1) (sinsin1) (1[222 2 222 213 这两种坐标系中的导热微分方程式也有其在空间坐标和时间坐标上的相应的简化形式,这里不再列出。 a.圆柱坐标系 b.球坐标系 图 2―7 两种坐标微元体示意图 17 2 -3 一维稳态导热分析 在稳态情况下,利用导热微分方程式加上边界条件就可以求解微分方程式而得出相应系统的温度场,进而利用傅里叶定律求出热流场。在这一节里,我们将就工程实际中常用的一维稳态导热问题,如通过平壁的导热,通过圆筒壁的导热,进行分析。 1 通过平壁的导热 所谓平壁,就是板状物体,也可以俗称为大平板。它的长度和宽度都远大于其厚度,因而平板两侧保持均匀边界条件的稳态导热就可以归纳为一维稳态导热问题。从平板的结构可分为单层壁,多层壁和复合壁等类型,如图 2―8 所示。 1.1 通过单层平壁的导热 单层壁稳态导热的物理模型如图 2―9 所示,其导热微分方程式为 022= +vqdxt d 。 214 a.单层壁导热 b.多层壁导热 c. 复合壁导热 图 2―8 一维平壁导热示意图 18 在不同的边界条件下可求出不同的温度分布和热流量。 最简单的求解情况是在第一类边界条件下且无内热源,同时平壁材料的导热系数为常数的导热问题.。此时微分方程和边界条件可写为 022=dxt d ; (a) 1, 0 t t x = = ; (b) 2, t t x = = 。 (c) 积分(a)式得到2 1c x c t + = ,并代入边界条件(b),(c),即可得到平壁中的温度分布 11 2t xt tt += 或 xt tt t=1 21 。 215 可见,在无内热源而导热系数又为常数的情况下,平壁的温度分布是线性的,即为一条直线 所示。 由傅里叶定律dxdtq = 在对上式求导后代入可得, ) (2 1t t q = 或 2 1t tq= 。 216 这就是计算通过平壁的导热热流密度的公式,后一种形式是热阻表达式。那么,通过整个平壁表面的热流量的计算式则为 A t t Q ) (2 1 = 或 At tQ2 1 = 。 2―17 上式中的后一种形式也是热阻表达式。应注意到,2-16 式中的为单位面积的导热热阻 m 2 C/W,而 2-17 式中的 ) ( A 则为平壁的导热热阻C/W。 如果平壁的导热系数不为常数,在设定导热系数是温度的线bt + = 的情况下,微分方程和边界条件变为 t 1 t 2 0 x 图 2―9 通过单层壁导热 = 0 (1+bt)b0 b0 19 0 ) 10= + 〕 ( 〔dxdtbtdxd (a) 1, 0 t t x = = (b) 2, t t x = = (c) 最后可求得其温度分布为 ( ) ( )( ) ( )xt tbt tt tbt t=+ + + + 1 2 1 21 12121 2--18 而热流密度计算式为 ( )2 11 2 021t tt tbq+ + = 或 ) (2 1t t qm = 219 式中 ( ) ( ) [ ] ( )m mbt t t b + = + + = + = 1 2 1 20 2 1 0 2 1 ,从中不难看出, m为平壁两表面温度下的导热系数值的算术平均值,亦为平壁两表面温度算术平均值下的导热系数值。 从温度分布函数的形式可以看出,在无内热源但导热系数线性变化的情况下,温度分布为抛物线 所示,其抛物线的凹向取决于系数 b 的正负。 如果平壁内有均匀的内热源vq ,且认为导热系数为常数 . const = 和平壁两边温度相等。图 2―10 显示了这种情况,于是有方程和边界条件 022= +vqdxt d 0 , 0 = =dxdtx (坐标中心取在平板中心,由对称性可得到此边界条件) wt t x = = , 。 t w t w 图 2―10 含源平壁导热问题 0 x q v 20 积分该微分方程可以得到2 122c x c xqtv+ + =,再代入上述边界条件得到相应温度分布 ) (22 2xqt tvw + = 。 220 温度分布曲线 中。它也是一条抛物线,其顶点在平板的中心。 可以求得中心温度为 ) 2 /(2 v w cq t t + = 。 221 也可以求出平壁中的热流密度为 x q qv= ,而壁面上则为 v wq q = 。 例 例 2 -1 有一砖砌墙壁,厚为 0.25m。已知内外壁面的温度分别为 25℃和 30℃。试计算墙壁内的温度分布和通过的热流密度。 解:由平壁导热的温度分布xt tt t=1 21代入已知数据可以得出墙壁内 t=25+20x 的温度分布表达式。再从附录查得红砖的=0.87W/(m℃),于是可以计算出通过墙壁的热流密度22 1/ 4 . 17 ) ( m W t t q = =。 例 例 2 -2 某一维导热平板,平板两表面稳定分布为 t 1 和 t 2 。在这个温度范围内导热系数与温度的关系为 = 1/(t) 。求平板内的温度分布。 解:一维稳态导热微分方程为 0 = dxdtdxd ,将 = 1/(t) 代入后积分得出: 11cdxdtt=,分离变量为 dx ctdt;1 = , 积分得到 Int=c 1 x+c 2 代入边界条件 当 x = 0 时 t=t 1 有 c 2 =Int 1 ; 而当 x = 时 t=t 2 有 Int 2 =c 1 +Int 1 ,得出 1211ttIn c= ; 于是温度分布为1121Int xttIn Int + =或写为+ =1121exp Int xttIn t。 1.2 通过多层壁的导热 由不同材料的平板组成的壁面称为多层壁,建筑物的墙壁和工业炉的炉墙都可 21 以看着是多层壁的结构,这也是多层壁导热问题的实际例子。 多层壁的导热分析是通过对每一层的导热分析而得到其相应的温度分布的。对于导热系数为常数的多层壁,其温度分布应为一条折线 显示一个三层壁导热问题。 在稳态情况下由热流平衡原则可知,通过多层壁的热流密度亦为通过每一层的热流密度,即 334 3223 2112 1t t t t t tq=== 由和分比关系,上式可以写为 3322114 1+ +t tq= 222a 推广到 n 层壁的情况,则有 =+=niiint tq11 1 222b 这里应该注意到,在推导多层壁导热的公式时,假定了两层壁面之间是保持了良好的接触,要求层间保持同一温度。而在工程实际中这个假定并不存在。因为任何固体表面之间的接触都不可能是紧密的,见图 2―12。在这种情况下,两壁面之间只有接触的地方才直接导热,在不接触处存在空隙,热量是通过充满空隙的流体的导热、对流和辐射的方式传递的,因而存在传热阻力,称为接触热阻。有时接触热阻远大于导热热阻,这是因为空隙中填充着不流动的空气,而空气的导热性能又远低于固体的原故。接触热阻是普遍存在的,而目前对其研究又不充分,往往采用一些实际测定的经验数据。通常,对于导热系数较小的多层壁导热问题接触热阻多不予考虑;但是对于金属材料之间的接触热阻就是不容忽视的问题。 例 例 2 -3 由三层材料组成的加热炉炉墙。第一层为耐火砖。第二层为硅藻土绝热层,第三层为红砖,各层的厚度及导热系数分别为 1 = 240mm , 1 =1.04W/(m ℃ ) , 2 = 50mm, 2 =0.15W/(m ℃ ) , 3 = 115mm, 3 =0.63W/(m ℃ ) 。炉墙内侧耐火砖的表面温度为 1000 ℃。炉墙外侧红砖的表面温度为 60 ℃。试计算硅藻土层的平均温度及通过炉墙的导热热流密度。 解:已知 1 = 0.24m, 1 =1.04W/(m ℃ ) T q 图 2 - 11 通过多层壁的导热 x t 图 2 - 12 表面接触热阻示意图 t 2 t 3 t 4 t 1t 1 t 2 t 22 2 = 0.05m, 2 =0.15W/(m ℃ ) 3 = 0.115m, 3 =0.63W/(m ℃ ) t 1 =1000 ℃ t 2 =60 ℃ ℃℃289700/ 1259222 3111 223322112 1= == ==+ +=q t tq t tm Wt tq 硅藻土层的平均温度为: ℃ 49923 2=+ t t 2 通过圆筒壁的导热 圆筒壁就是圆管的壁面。当管子的壁面相对于管长而言非常小,且管子的内外壁面又保持均匀的温度是时,通过管壁的导热就是圆柱坐标系上的一维导热问题。这里仅讨论稳态的情况。 2.1 通过单层圆筒壁的导热 由单一材料制成的圆管管壁中的导热是典型的 通过单层圆筒壁导热的例子。图 2-13 给出一圆筒,其内外半径分别为 r 1 和 r 1 ,长为 L,内外表面分别维持均匀不变的温度 t 1 和 t 2 ,材料的导热系数为,且为常数。那么在圆柱坐标中,微分方程和边界条件可写为 0 = drdtrdrd; 2 21 1,,t t r rt t r r= == =。 积分上面的微分方程两次得到其通解为 2 1c nr c t + =  。 代 入 边 界 条 件 后 得 到 积 分 常 数 t 1 r 1 t 2 r r 2 图 2 - 13 单层圆筒壁的导热问题 23 1212 11 2212 11; nrrrnt tt crrnt tc   == 。于是得出圆筒壁的温度分布为 1211 21rrnrrnt tt t=。 223 不难看出圆筒壁内的温度分布是一条对数曲线 中。 利用傅里叶定律 ( ) rLdrdtQ 2 = ,又因rcdrdt1= ,故而通过圆筒壁的导热量为: ( )122 12 112212rrnLt tt trrnLQ  = = 。 224 如果上述导热问题中,材料的导热系数不为常数,且有 ( ) bt + = 10 。此时,通过圆筒壁的导热量由傅立叶定律可以表示为 ( ) ( ) rLdrdtbt Q 2 10+ = 。由于在稳态条件下 Q=常数,因而可以用分离变量积分的办法得到其温度分布,即 ( ) ( )( ) ( )1211 2 1 21 12121rrnrrnt tbt tt tbt t=+ + ++。 225 不难看出变导热系数的温度分布仍然是一条对数曲线。进而也就可以得到通过圆筒壁的热流量 122 121rrnLt tQm= , 2--26 式 中 , ( ) ( )m mbt t tb+ =+ + = 1210 2 1 0 , 为 圆 筒 壁 的 平 均 导 热 系 24 数,22 1t tt m+= 为内外壁面温度的算术平均值。 2.2 通过含内热源圆柱体的导热 含源圆柱体的导热问题在工程上是常常会遇到的,如求通电圆柱体内的温度分布问题。在导热系数为常数的情况下,其方程和边界条件为 w wvt t r rdrdtrqdrdtrdrdr= == == + ,; 0 , 0; 01 (第二个边界条件也可以用第三类边界条件,其结果一样。) 积分上面的微分方程两次有2 124c nr cr qtv+ + = ,代入边界条件后得到 4, 022 1w vwr qt c c + = = 。于是可以整理得出圆柱体内的温度分为: ( )2 24r rqt twvw + = 227 它是一条抛物线 中。圆柱体中温度最高点在圆柱体的中心温度为: 24wvw crqt t+ = 。 228 由傅里叶定律 dr dt q = 可以得出圆柱体内的热流密度分布 2r qqv= ,而通过壁面的热流量是 L r q Qw v2 = 。 229 例 2 - 4 有一圆管外径为 50mm ,内径为 30mm ,其导热系数为 25W/(m ℃ ), 内壁面温度为 40 ℃外壁面温度为 20℃。试求通过壁面的单位管长的热流量和管壁内温度分布的表达式。 图 2 - 14 含内热源圆柱体的导热 t c t w r w r 0 25 解:由通过圆筒壁的热流计算公式求得 m Wnrrnt tq l / 0295 . 122 1= ==  。 再由圆筒壁的温度分布1211 21rrnrrnt tt t=代入已知数据有1525015 . 02040nn nr t  =,最后得出4269 . 204 1520 . 39 + = nr t  。 例 2 - 5 有一圆柱体,其导热系数为 25W/(m ℃ ), 直径为 30mm, 长为 500mm 。当对其通以P=100W 的电功率后测得圆柱体表面的稳定温度为 40 ℃。试计算圆柱体的中心温度和表面热流密度。 解:由圆柱体中心温度的计算式2224t rqtvc+ =,以及由题意L rPq v22= ,可以得出: 6366 . 40 40242= + = + = tLPt c ℃。 再由热流密度计算式 rqqv2= 可以得到22/ 066 . 212222m WL rPqr r= ==. 2.3 通过多层圆筒壁的导热 由不同材料制作的圆筒同心紧密结合而构成多层圆筒壁,如带有保温层的热力管道、嵌套的金属管道和结垢、积灰的输送管道等均属此类。如果管子的壁厚远小于管子的长度,且管壁内外边界条件均匀一致,那么在管子的径向方向构成一维稳态导热问题。一个三层圆筒壁的导热问题示于图 2――15 中。 该问题的温度分布可以分层求得,每层均为对数曲线。由于在稳态情况下通过各层的热流量是相等的,因而有 3434 32323 21212 1212121rrnLt trrnLt trrnLt tQ   === , 经整理可得到 =+=3114 1121iiiirrnLt tQ ,或 图 2 - 15 通过三层圆筒壁的导热 t 1 t 2 t 3t 4r 1 r 2 r 3 r 4 r0 26 =+= =3114 1121iiiilrrnt tLQq 2--30 式中,q l 为单位管长的热流量,单位为 m W 。上式可推广到更多层圆筒壁的情况。 由于圆筒壁导热的计算式中含有对数项,计算实际问题时不够方便,可参照平壁导热计算公式作近似计算,即 ( )mAt tQ 2 1 = , 2――31 式中, ( )1 2r r = 为圆筒壁的壁厚; ( ) L r r L rr Am m 2 12 + = = 为热流通过的平均圆筒壁面积。计算表明,当 21 2 r r 时,此式计算的结果与式 2――24 的计算结果的误差小于 4%,满足工程计算的要求。对于多层壁导热问题可参照上述办法处理。 例 2 - 6 某管道外经为 2r,外壁温度为 t 1 ,如外包两层厚度均为 r(即 2 = 3 =r)、导热系数分别为 2 和 3 ( 232=)的保温材料,外层外表面温度为 t 2 。如将两层保温材料的位置对调,...


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