华中科技大学教学课件-工程传热学1王晓墨.ppt

《华中科技大学教学课件-工程传热学1王晓墨.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华中科技大学教学课件-工程传热学1王晓墨.ppt（184页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、传 热 学Heat Transfer,主讲：王晓墨能源与动力工程学院华中科技大学,Office：87542618Home:63730105,传热学许国良编著,传热学杨世铭 陶文铨 第三版Heat TransferJ.P.Holman 8th edition数值传热学陶文铨 第二版,参考书,教 材,第一章 绪 论,1-1 传热学概述1-2 热量传递的基本方式1-3 传热过程与传热系数,1-1 传热学概述,1 传热学的概念,研究热量传递规律的一门科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法,热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源 有温差就会有传

2、热 温差是热量传递的推动力,Energy flows from hot objects to cold.,There is no energy flow between two objects at the same temperature.,热量来源,钻木取火 太阳,电热器 地热,2 传热学的基本任务,求解温度分布 计算热量传递的速率 热力学+传热学=热科学(Thermal Science),系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。,关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。,热力学：tm,Q 传热学,大规模太阳能热气流综合发电,热力学研究：热力学循环和能量转换效率,传热学研究

3、：系统内的温度、压力和速度场,传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即热量始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则热量始终是守恒的。,3 传热学应用举例,自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍日常生活中的例子：,为什么水壶的提把要包上橡胶？,不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？,特别是在下列技术领域大量存在传热问题：动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术几个特殊领域中的具体应用,a)航空航天：高温叶片气膜冷却；火箭推力室的再生冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却

4、；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机,b)微电子：电子芯片冷却c)生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存d)军事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e)制冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵f)新能源：太阳能；燃料电池,4 传热学分类,依据物体温度与时间的依变关系，可将传热过程分为稳态传热过程和非稳态传热过程。,若物体中各点温度不随时间改变，则对应的传热过程为稳态热传递过程；若物体中各点温度随时间改变，则对应的传热过程为非稳态热传递过程。稳态过程和非稳态过程又称为定常过程和非定常过程。,1-2 热量传递的基

5、本方式,热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射,1 热传导（导热）,热传导的定义,物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象,导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量不发生宏观的相对位移,导热机理气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果导电固体：自由电子运动非导电固体：晶格结构振动液体：兼有气体和固体导热的机理,We compare hydrogen(yellow,mass=2)with oxygen(blue,mass=32)to

6、 the left.As the temperature goes up,the speed of the molecules increases.,Conduction in gas,Conduction in MetalsAll metals are good conductors of electricity.For a similar reason,they are also good conductors of heat.,In metals,not only do the atoms vibrate more when heated,but the free electrons c

7、harge around more as well.These transfer the energy much faster than just vibrations in bonds.,Conduction in Non-MetalsEvery atom is physically bonded to its neighbours in some way.If heat energy is supplied to one part of a solid,the atoms vibrate faster.As they vibrate more,the bonds between atoms

8、 are shaken more.This passes vibrations on to the next atom,and so on:,Eventually the energy spreads throughout the solid.The overall temperature has increased.,导热基本定律傅立叶定律,：热流量，单位时间传递的热量W；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积m2；：导热系数（热导率）W/(m K)。,1822年，法国数学家Fourier：,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

9、传递；反之，dt/dx0，q0，说明热量沿x增加的方向传递。,负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。,热导率（导热系数）(Thermal conductivity),表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。,热流量与热阻,大平板稳态导热，由于是一维问题，且 和q为常量，积分傅立叶定律：,这里有必要引入热阻的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移过程有一个共同规律，就是：,导热热阻,单位导热热阻,2 热对流,若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。若热对流过程使具有质量流量G的流体

10、由温度t1处流至温度t2处，则此过程传递的热流量为：,热对流与对流换热,流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的是流体流过一个温度不同的物体表面时引起的热量传递，这种情况称为对流换热。,当实际流体流过物体表面时，由于粘性作用，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只能依导热的方式进行；离开物体表面，流体有宏观运动，热对流方式将发生作用。所以，对流换热是热对流和导热两种基本传热方式共同作用的结果。对流换热的特点对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热，,不是基本传热方式，导热与热对流同时存在的复杂热传递过程必须有直接接触（流体与壁面

11、）和宏观运动；也必须有温差对流换热的分类a)根据流动原因，分为：强制对流换热和自然对流换热。b)是否相变，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热,对流换热公式牛顿冷却公式,h 表面传热系数,固体壁表面温度,流体温度,当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量h是表征对流换热过程强弱的物理量影响h因素：流体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）、流动的形态（层流、紊流）、流动的成因（自然对流或强制对流）、物体表面的形状、尺寸，换热时有无相变（沸腾或凝结）等。,研究对流换热的基本任务就是用理论分析或实验方法得出不同情况下表面传热系数的计算关系式。,Typical va

12、lues of h,对流热阻Thermal resistance for convection,3 热辐射(Thermal radiation),热辐射的定义与特点定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象特点：a)任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b)可以在真空中传播；c)伴随能量形式的转变；d)辐射能与温度和波长均有关,辐射换热的定义与特点定义：物体间靠热辐射进行的热量传递特点：a)不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量；b)在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能电磁波能物体热力学能c)无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量

13、,斯蒂芬-玻尔兹曼定律,黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。或称绝对黑体。（Black body）黑体的辐射能力与吸收能力最强。黑体向外发射的辐射能：,绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度）斯蒂芬-玻尔兹曼常数，,实际物体辐射能力：低于同温度黑体,实际物体表面的发射率（黑度），01；与物体的种类、表面状况和温度有关。,特殊情况下的两表面辐射换热,例：一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42 W/(m2 K),保温层外表面的发射率问：（1）此管道散热必须考虑哪些热量传递

14、方式；（2）计算每米长度管道的总散热量。,解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为ql,近似地取墙壁的表面温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：,讨论：计算结果表明，对于表面温度为几或几十摄氏度的一类表面的散热问题，自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。,当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热,1-3 传热过程与传热系数,1 传热过程,热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程。,传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成,k 为传热系数，W/(m2oC)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温

15、差=1 oC、传热面积A1 m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。,2 传热系数的计算,热流体tf1到tw1：,tw1到tw2：,tw2到冷流体：,单位热阻或面积热阻,k越大，传热越好。若要增大k，可增大h，减小。,例:一房屋的混凝土外墙的厚度为=200mm，混凝土的热导率为=1.5W/(mK)，冬季室外空气温度为tf2=-10,有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2K)，室内空气温度为tf1=25,和墙壁之间的表面传热系数为h1=5 W/(m2K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。解：,由给定条

16、件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为,根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，,第一章作业,习题：1-3，1-6，1-16，1-18,传 热 学,主讲：王晓墨能源与动力工程学院华中科技大学,第二章 稳态导热,2-1 基本概念,2-2 一维稳态导热,分析传热问题基本上是遵循经典力学的研究方法，即针对物理现象建立物理模型，而后从基本定律导出其数学描述(常以微分方程的形式表达，故称数学模型)，接下来考虑求解的理论分析方法。导热问题是传热学中最易于采用此方法处理的传热方式。,2-1 基本概念,1 温度场(Temperature Field),定义,

17、某一瞬间，空间(或物体内)所有各点温度分布的总称。温度场是个数量场，可以用一个数量函数来表示。温度场是空间坐标和时间的函数，在直角坐标系中，温度场可表示为：,t为温度;x,y,z为空间坐标;-时间坐标,分类 a)随时间划分稳态温度场：物体各点温度不随时间改变。非稳态温度场：温度分布随时间改变。b)随空间划分三维稳态温度场：一维稳态温度场,2 等温面与等温线,定义,等温面：温度场中同一瞬间同温度各点连成的面。等温线：在二维情况下等温面为一等温曲线。特点a)温度不同的等温面或等温线彼此不能相交b)在连续的温度场中，等温面或等温线不会中止，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边

18、界上,c)物体中等温线较密集的地方说明温度的变化率较大，导热热流也较大。,3 温度梯度（Temperature gradient）,温度的变化率沿不同的方向一般是不同的。温度沿某一方向x的变化率在数学上可以用该方向上温度对坐标的偏导数来表示，即,温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量。,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gradt。,注：温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向,4 付里叶定律(Fouriers Law)第一章中给出了稳态条件下的付里叶定律，这里可推广为更一般情况。,热流密度在x,y,z 方向的投影的大小分别为

19、：,负号是因为热流密度与温度梯度的方向不一致而加上。n-是该点等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；q-是热流密度矢量。,5 导热系数定义傅利叶定律给出了导热系数的定义:,w/m,导热系数在数值上等于单位温度梯度时的热流密度的模（大小）。,根据一维稳态平壁导热模型，可以采用平板法测量物质的导热系数。对于图所示的大平板的一维稳态导热，流过平板的热流量与平板两侧温度和平板厚度之间的关系为：,只要任意知道三个就可以,求出第四个。由此可设计稳态法测量导热系数实验。,导热系数的影响因素导热系数是物性参数，它与物质结构和状态密切相关，例如物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等，与物质几何形状

20、无关。它反映了物质微观粒子传递热量的特性。不同物质的导热性能不同：,保温材料：温度低于350度时热导率小于0.12W/(mK)的材料（绝热材料）,同一种物质的导热系数也会因其状态参数的不同而改变。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。,5 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）一般形式,付里叶定律：,确定导热体内的温度分布是导热理论的首要任务。建立导热微分方程，可以揭示连续温度场随空间坐标和时间变化的内在联系。,理论基础：傅里叶定律+能量守恒方程,假设：(1)所研究物体是各向同性的连续介质；(2)热导率、比热容和密度均为已知(3

21、)物体内具有内热源；强度 W/m3;表示单位体积的导热体在单位时间内放出的热量,导入微元体的总热流量+内热源的生成热=导出微元体的总热流量+内能的增量,导入微元体的总热流量为,导出微元体的总热流量为,根据付里叶定律,单位时间内能增量,微元体内热源的生成热为：,最后得到：,单位时间内微元体的内能增量（非稳态项）,扩散项（导热引起）,源项,导热微分方程的简化形式(a)导热系数为常数时,a 称为热扩散率，又叫导温系数。(thermal diffusivity),热扩散率 a 反映了导热过程中材料的导热能力（）与沿途物质储热能力（c）之间的关系.,a值大，即 值大或 c 值小，说明物体的某一部分一旦获

22、得热量，该热量能在整个物体中很快扩散热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋于均匀一致的能力，所以a反应导热过程动态特性，研究不稳态导热重要物理量,在同样加热条件下，物体的热扩散率越大，物体内部各处的温度差别越小。,(b)无内热源，导热系数为常数时,(c)常物性、稳态,泊桑（Poisson）方程,(d)常物性、稳态、无内热源,拉普拉斯（Laplace）方程,(e)园柱坐标系和球坐标系的方程,6 定解条件,导热微分方程式的理论基础：傅里叶定律+能量守恒。它描写物体的温度随时间和空间变化的关系；没有涉及具体、特定的导热过程。通用表达式。,单值性条件：确定唯一解的附加补充说明条件，包括四项

23、：几何、物理、初始、边界,完整数学描述：导热微分方程+单值性条件,几何条件：说明导热体的几何形状和大小，如：平壁或圆筒壁；厚度、直径等,物理条件：说明导热体的物理特征如：物性参数、c 和 的数值，是否随温度变化；有无内热源、大小和分布；,初始条件：又称时间条件，反映导热系统的初始状态,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。,（Boundary conditions）边界条件常见有三类,(a)第一类边界条件:给定系统边界上的温度值，它可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值一般形式：tw=f(x,y,z,),稳态导热：tw=const；非稳态导热：tw

24、=f(),(b)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一般形式：qw=f(x,y,z,),特例：绝热边界面,(c)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,导热微分方程单值性条件求解方法 温度场,导热问题求解方法：分析解法，试验解法，数值解法,积分法、杜哈美尔法、格林函数法、拉普拉斯变换法、分离变量法、积分变换法、数值计算法,2-2 一维稳态导热,稳态导热,直角坐标系:,1 通过平

25、壁的导热,平壁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。,通过单层平壁的导热,直接积分，得：,无内热源，为常数，并已知平壁的壁厚为，两个表面温度分别维持均匀而恒定的温度t1和t2,带入边界条件：,带入Fourier 定律,线性分布,导热热阻,假设各层之间接触良好，可以近似地认为接合面上各处的温度相等,通过多层平壁的导热多层平壁：由几层不同材料组成例：房屋的墙壁 白灰内层、水泥沙浆层、红砖（青砖）主体层等组成,总热阻为：,由和分比关系,推广到n层壁的情况:,问：现在已经知道了q，如何计算其中第

26、 i 层的右侧壁温？,第一层：,第二层：,第 i 层：,无内热源，不为常数(是温度的线性函数),0、b为常数,最后可求得其温度分布,二次曲线方程,其抛物线的凹向取决于系数b的正负。当b0，=0(1+bt)，随着t增大，增大，即高温区的导热系数大于低温区。Q=-A(dt/dx)，所以高温区的温度梯度dt/dx较小，而形成上凸的温度分布。,当b0，=0(1+bt)，随着t增大，减小，高温区的温度梯度dt/dx较大。,热流密度的计算公式,或,接触热阻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

27、是紧密的。,此时，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。,由于接触热阻的存在，使导热过程中两个接触表面之间出现温差t。,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。,影响接触热阻的主要因素：接触表面的粗糙度接触表面的硬度接触表面的压力,例：一锅炉炉墙采用密度为300kg/m3的水泥珍珠岩制作，壁厚=100 mm，已知内壁温度t1=500，外壁温度t

28、2=50，求炉墙单位面积、单位时间的热损失。解：材料的平均温度为：t=(t1+t2)/2=(500+50)/2=275 由p238附录4查得：,若是多层壁，t2、t3的温度未知：可先假定它们的温度，从而计算出平均温度并查出导热系数值，再计算热流密度及t2、t3的值。若计算值与假设值相差较大，需要用计算结果修正假设值，逐步逼近，这就是迭代法。,例：一双层玻璃窗，高2m，宽1m，玻璃厚0.3mm，玻璃的导热系数为1.05 W/(mK)，双层玻璃间的空气夹层厚度为5mm，夹层中的空气完全静止，空气的导热系数为 0.025W/(mK)。如果测得冬季室内外玻璃表面温度分别为15和5，试求玻璃窗的散热损失

29、，并比较玻璃与空气夹层的导热热阻。解 这是一个三层平壁的稳态导热问题。根据式(2-41)散热损失为：,如果采用单层玻璃窗，则散热损失为,是双层玻璃窗散热损失的35倍，可见采用双层玻璃窗可以大大减少散热损失，节约能源。,可见，单层玻璃的导热热阻为0.003 K/W，而空气夹层的导热热阻为0.1 K/W，是玻璃的33.3倍。,2 通过圆筒壁的导热,稳态导热,柱坐标系：,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时，通过管壁的导热就是圆柱坐标系上的一维导热问题。通过单层圆筒壁的导热,采用圆柱坐标系，设导热系数为常数，这是沿半径方向的一维导热，微分方程为：

30、,边界条件为：,积分得：,应用边界条件,对数曲线分布,圆筒壁内温度分布曲线的形状？,，r大，面积A大，dt/dr必然小；反之，A小处，dt/dr必然大。,长度为 l 的圆筒壁的导热热阻,虽然是稳态情况，但热流密度 q 与半径 r 成反比！,通过多层圆筒壁的导热,由不同材料构成的多层圆筒壁,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,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。,单位管长的热流量,3 通过球壁的导热温度分布：,热流量：,热阻：,热流密度：,例2-3 温度为

31、120的空气从导热系数为1=18W/(mK)的不锈钢管内流过，表面传热系数为h1=65 W/(m2K),管内径为d1=25 mm，厚度为4 mm。管子外表面处于温度为15的环境中，外表面自然对流的表面传热系数为h2=6.5 W/(m2K)。(1)求每米长管道的热损失；(2)为了将热损失降低80%，在管道外壁覆盖导热系数为0.04 W/(mK)的保温材料，求保温层厚度；(3)若要将热损失降低90%，求保温层厚度。,解：这是一个含有圆管导热的传热过程，光管时的总热阻为：,(1)每米长管道的热损失为：,(2)设覆盖保温材料后的半径为r3，由所给条件和热阻的概念有,由以上超越方程解得r3=0.123

32、m故保温层厚度为123 16.5=106.5 mm。,(3)若要将热损失降低90%，按上面方法可得r3=1.07 m这时所需的保温层厚度为1.07 0.0165=1.05 m由此可见，热损失将低到一定程度后，若要再提高保温效果，将会使保温层厚度大大增加。,对于稳态、无内热源、第一类边界条件下的一维导热问题，可以不通过温度场而直接获得热流量。此方法对一维变物性、变传热面积非常有效。由付里叶定律：,4 变截面或变导热系数问题求解导热问题的主要途径分两步：求解导热微分方程，获得温度场；根据Fourier定律和已获得的温度场计算热流量；,分离变量：（由于是稳态问题，与x无关）,当 随温度呈线性分布时，

33、即 0(1bt)时,5 内热源问题电流通过的导体；化工中的放热、吸热反应；反应堆燃料元件核反应热。在有内热源时，即使是一维稳态导热：热流量沿传热方向也是不断变化的，微分方程中必须考虑内热源项。具有内热源的平壁,边界条件为：,对微分方程积分:,代边界条件(1)得c1=0,如果平壁内有均匀的内热源，且认为导热系数为常数，平壁的两侧均为第三类边界条件，由于对称性，只考虑平板一半：微分方程：,微分方程变为：,再积分:,求出c2后可得温度分布为：,任一位置处的热流密度为：,注意：温度分布为抛物线分布；热流密度与x成正比，当h 时，应有tw tf,故定壁温时温度分布为：,例：核反应堆燃料元件模型。三层平板

34、，中间为1=14mm的燃料层，两侧均为2=6mm的铝板。燃料层发热量为1.5107W/m3，1=35W/(mK),铝板无内热源,2=100W/(mK),tf=150水冷，h=3500W/(m2K),求各壁面温度及燃料最高温度。,解：因对称性只研究半个模型。燃料元件总发热量为,对铝板:,而:,对铝板:,由内热源导热公式：,注意：热阻分析从t1开始，而不是从t0开始。这是因为有内热源，不同x处的q不相等。,有内热源的圆柱体采用圆柱坐标系，设导热系数为常数，微分方程为：,边界条件为：,积分得：,通解为：,代入边界条件得：,故温度分布为抛物线：,例：一直径为3 mm、长度为1 m 的不锈钢导线通有20

35、0 A的电流。不锈钢的导热系数为=19 W/(mK)，电阻率为=710-7 m。导线周围与温度为110的流体进行对流换热，表面传热系数为4000 W/(m2K).求导线中心的温度。解 这里所给的是第三类边界条件，而前面的分析解是第一类边界条件，因此需先确定导线表面的温度。由热平衡，导线发出的所有热量都必须通过对流传热散出，有：,电阻R的计算如下：,故热平衡为：(200)2(0.099)=4000(3 10-3)(tw 110=3960 W 由此解得：tw=215,电阻R的计算如下：,由式(2-60),得导线中心的温度为：,第二章作业,习题：2-2，2-4，2-13，2-17,传 热 学,主讲：

36、王晓墨能源与动力工程学院华中科技大学,第三章 非稳态导热,3-1 非稳态导热过程,3-2 集总参数法,3-3 一维非稳态导热的分析解,第三章 非稳态导热 Unsteady Heat Conduction,定义：导热系统内温度场随时间变化的导热过程为非稳态导热。特点：温度随时间变化，热流也随时间变化。自然界和工程上许多导热过程为非稳态，t=f()例如：冶金、热处理与热加工中工件被加热或冷却；锅炉、内燃机等装置起动、停机、变工况；自然环境温度；供暖或停暖过程中墙内与室内空气温度,非稳态导热：周期性和非周期性（瞬态导热）周期性非稳态导热：在周期性变化边界条件下发生的导热过程，物体温度按一定的周期发生

37、变化。非周期性非稳态导热：在瞬间变化的边界条件下发生的导热过程，物体的温度随时间不断地升高（加热过程）或降低（冷却过程），在经历相当长时间后，物体温度逐渐趋近于周围介质温度，最终达到热平衡,3-1 非稳态导热过程1 温度分布一平壁初始温度为t0，令其左侧表面的温度突然升高到t1，右侧与温度为t0的空气接触。首先，物体紧挨高温表面的部分温度上升很快，经过一定时间后内部区域温度依次变化，最终整体温度分布保持恒定，当为常数时，最终温度分布为直线。,(a)=1(b)=2(c)=3(d)=4非稳态导热的不同时刻物体的温度分布,2 两个阶段：非正规状况阶段（初始状况阶段）、正规状况阶段非正规状况阶段（初始

38、状况阶段）：在=3时刻之前的阶段，物体内的温度分布受初始温度分布的影响较大。必须用无穷级数描述,正规状况阶段：在=3时刻之后，初始温度分布的影响已经消失，物体内的温度分布主要受边界条件的影响，可以用初等函数描述。,3 热量变化：与稳态导热的另一区别：由于有温度变化要积聚或消耗热量，同一时刻流过不同界面的热流量是不同的。通过截面A的热流量是从最高值不断减小，在其它各截面的温度开始升高之前通过此截面的热流量是零，温度开始升高之后，热流量才开始增加。,(a)=1(b)=2(c)=3(d)=4,4 边界条件对温度分布的影响,环境（边界条件）对系统温度分布的影响是很显著的,这里以一维非稳态导热过程（也就

39、是大平板的加热或冷却过程）为例来加以说明。图表示一个大平板的加热过程，并画出在某一时刻的三种不同边界情况的温度分布曲线（a）、（b）、（c）,这实质上是表明在第三类边界条件下可能的三种温度分布。,按照传热关系式作一个近似的分析。,曲线（a）表示平板外环境的换热热阻 远大于平板内的导热热阻,即,从曲线上看，物体内部的温度几乎是均匀的，这也就说物体的温度场仅仅是时间的函数，而与空间坐标无关。我们称这样的非稳态导热系统为集总参数系统（一个等温系统或物体）。,曲线（b）表示平板外环境的换热热阻 相当于平板内的导热热阻,即,这也是正常的第三类边界条件,曲线（c）表示平板外环境的换热热阻 远小于平板内的导

40、热热阻,即,从曲线上看，物体内部温度变化比较大，而环境与物体边界几乎无温差，此时可用认为。那么，边界条件就变成了第一类边界条件，即给定物体边界上的温度。,t0,把导热热阻与换热热阻相比可得到一个无因次的数，我们称之为毕欧（Boit）数，即 那么，上述三种情况则对应着Bi1。,毕欧数是导热分析中的一个重要的无因次准则，它表征了给定导热系统内的导热热阻与其和环境之间的换热热阻的对比关系。,类似于Bi数这种表征某一类物理现象或物体特征的无量纲数称为特征数，特征数中的几何尺度称为特征尺度。,3-2 集总参数法(Lumped heat capacity method),1 定义,忽略物体内部导热热阻、认

41、为物体温度均匀一致的分析方法。此时，温度分布只与时间有关，即，与空间位置无关，因此，也称为零维问题。,以下几种情况Bi很小，可用集总参数法：（1）导热系数相当大；（2）几何尺寸很小；（3）表面换热系数很小。2 温度分布,一个集总参数系统，其体积为V、表面积为A、密度为、比热为c以及初始温度为t0，突然放入温度为t、换热系数为h的环境中。,引入过余温度：,初始条件为：,能量守恒：单位时间物体热力学能的变化量应该等于物体表面与流体之间的对流换热量,积分得：,指数可写成：,是傅立叶数,无量纲热阻,无量纲时间,Biv越小，表示内部热阻小或外部热阻大，则内部温度就越均匀，集总参数法的误差就越小。Fo越大

42、，热扰动就能越深入传播到物体内部,物体各点地温度就越接近周围介质的温度。,物体中的温度呈指数分布,方程中指数的量纲：,3 时间常数,称为系统的时间常数，记为s，也称弛豫时间。,如果导热体的热容量（Vc）小、换热条件好（hA大），那么单位时间所传递的热量大、导热体的温度变化快，时间常数(Vc/h A)小,反映了系统处于一定的环境中所表现出来的传热动态特征，与其几何形状、密度及比热有关，还与环境的换热情况相关。可见，同一物质不同的形状其时间常数不同，同一物体在不同的环境下时间常数也是不相同。,如图所示，时间常数越小，物体的温度变化就越快，物体就越迅速地接近周围流体的温度。这说明，时间常数反映物体对

43、环境温度变化响应的快慢，时间常数小的响应快，时间常数大的响应慢。,用热电偶测量流体温度，总是希望热电偶的时间常数越小越好，时间常数越小，热电偶越能迅速地反映流体的温度变化，故热电偶端部的接点总是做得很小,当物体冷却或加热过程所经历的时间等于其时间常数时，即=s，,=4s，,工程上认为=4s时导热体已达到热平衡状态,4 瞬态热流量,导热体在时间 0 内传给流体的总热量：,5 集总参数系统的判定,如何去判定一个任意的系统是集总参数系统？,V/A具有长度的因次，称为集总参数系统的特征尺寸。,为判定系统是否为集总参数系统，M为形状修正系数。,厚度为2的大平板,直径为2r的长圆柱体,直径为2r的球体,复

44、杂形体,例：一温度计水银泡是圆柱形，长20mm，内径4mm，测量气体温度，表面传热系数h=12.5W/(m2K),若要温度计的温度与气体的温度之差小于初始过余温度的10%，求测温所需要的时间。水银=10.36 W/(mK),=13110 kg/m3,c=0.138 kJ/(kgK).解：,故可以用集总参数法。,由上式解得：=333 s=5.6 min为了减小测温误差，测温时间应尽量加长。,3-3 一维非稳态导热的分析解 Analytical Solution to One-Dimensional System,当几何形状及边界条件都比较简单时可获得分析解。1 无限大的平板的分析解,厚度 2 的

45、无限大平壁，、a为已知常数；=0时温度为 t0;突然把两侧介质温度降低为 t并保持不变；壁表面与介质之间的表面传热系数为h。两侧冷却情况相同、温度分布对称。中心为原点。,导热微分方程：,初始条件：,边界条件：(第三类),采用分离变量法求解：取,只能为常数：,只为的函数,只为x的函数,对 积分,得到,式中C1是积分常数，常数值D的正负可以从物理概念上加以确定。,当时间趋于无穷大时，过程达到稳态，物体达到周围环境温度，所以D必须为负值，否则物体温度将无穷增大。,令,则有 以及,以上两式的通解为：,于是,常数A、B和可由边界条件确定。,(1)(2)(3),由边界条件（2）得B=0,（a）,边界条件（

46、3）代入(b)得(c),（a）式成为(b),将 右端整理成：,注意，这里Bi数的尺度为平板厚度的一半。,显然，是两曲线交点对应的所有值。式(c)称为特征方程。称为特征值。分别为1、2 n。,.,将无穷个解叠加：,至此，我们获得了无穷个特解：,利用初始条件 求An,解的最后形式为：,令n=n,傅里叶准则,无量纲距离,定义无量纲的热量,其中Q为0时间内传导的热量（内热能的改变量）,为至无穷时间内的总传导热量（物体内能改变总量）,设从初始时刻至某一时刻所传递的热量为Q:,是时刻物体的平均过余温度。,2 非稳态导热的正规状况阶段当Fo 0.2时，采用级数的第一项计算偏差小于1%，故当Fo 0.2时:,

47、其中1是第一特征值，是Bi的函数。,3 采用海斯勒（Heisler）图计算,对于 Fo0.2 时无限大平壁的非稳态导热过程，温度场可按公式计算；也可用诺谟图计算，其中用于确定温度分布的图线称为海斯勒图。,为平板中心的过余温度,无量纲的热量,如何利用线算图,a）对于由时间求温度的步骤为，计算Bi数、Fo数和x/，从图中查找m/0 和/m，计算出，最后求出温度t,b)对于由温度求时间步骤为，计算Bi数、x/和/0,从图中查找/m,，计算m/0然后从图中查找Fo,再求出时间。,c）平板吸收（或放出）的热量，可在计算Q0和Bi数、Fo数之后，从图3-6中Q/Q0查找，再计算出,Fo数及Bi数的影响：(

48、1)当Bi数一定时，随Fo的增加而减小，即随着时间的增加（Fo增加），物体温度越来越接近流体温度。(2)当Fo数一定时，Bi越大（1/Bi越小），m/0就越小，这是因为Bi=h/越大，表面换越强，中心温度就越快地接近周围液体温度。,当1/Bi=0时，表面温度一开始就达到液体温度，中心温度变化也最快，这条线代表第一类边界条件。(3)从图3-5可看出，当1/Bi 10，即Bi0.1时，所有曲线上的过余温度差值小于5%，这时可以用集总参数法求解而误差不大。一般为了得到更高精确度，可使Bi0.01为下限，误差极微。,例：一块厚100mm的钢板放入温度为1000 的炉中加热。钢板一面加热，另一面可认为是绝热。初始温度 t0=20，求受热面加热到500所需时间，及剖面上最大温差。(h=174 W/(m2K),=34.8 W/(mK),a=0.55510-5 m2/s)解：这一问题相当于厚200mm平板对称受热问题，必须先求m/0，再由m/0、Bi查图求Fo。,w/m可查图3-5。而,由m/0和Bi从图3-4查得Fo=1.2（较困难）。,又x/=1,从图3-5(p34)查得 w/m=0.8.,求中心（绝热面）温度:,求剖面最大温差:,讨论:直接计算:,查表得 1=0.6533,另：,由温度分布式,得 Fo=1.196.,第三章作业,习题：3-1，3-3，3-7，3-10,