重庆科技学院：《热工学基础》课程教学资源（电子教案）第二章 热量传输

第一次课课题:2.热量传输 2.1基本概念及基本定律 2.1.1基本概念 2.1.2基本定律 、本课的基本要求: 1.掌握导热、对流、辐射三个基本概念。 2.正确理解传热系数K、热阻R的含义,传热一般方程。 3.重点掌握傅立叶稳定导热的基本定律。 4掌握导热系数λ及导温系数a的单位、物理意义、影响因素 、本课的重点、难点: 1.本课的重点是傅立叶稳定导热的基本定律。 2.本课的难点是区分导热系数和导温系数。 三、作业 P2062 四、教参及教具 1.高家锐,动量、热量、质量传输原理,重庆大学出版社,1987 2.张先棹,冶金传输原理,冶金工业出版社,1988。 第2章热量传输 热量传输简称传热,它是极为普遍而又重要的物理现象。冶金生产过程无论是否伴 随化学反应或物态转变,热量传输往往对该过程起限制作用。 1.传热的动力:温差 2.本章研究传热的内容: (1)传热方式 (2)特定条件下传热速率 提高传热速率一一提高生产率 降低传热速率一一提高热效率(节能) §2.1基本概念及基本定律 2.1.1基本概念 1.传热方式 导热 对流 辐射 (1)传导传热(导热) ①定义:在一个连续介质内若有温差存在,或者两温度不同的物体直接接触时,在 物体内没有可见的宏观物质流动时所发生的传热现象叫导热。 ②条件:温差、无物质宏观运动。 ③取决于:物质本身的物性。 (2)对流传热(对流)

1 第 一 次课 课题：2.热量传输 2.1 基本概念及基本定律 2.1.1 基本概念 2.1.2 基本定律 一、本课的基本要求： 1.掌握导热、对流、辐射三个基本概念。 2.正确理解传热系数 K、热阻 R 的含义，传热一般方程。 3.重点掌握傅立叶稳定导热的基本定律。 4.掌握导热系数及导温系数 a 的单位、物理意义、影响因素。 二、本课的重点、难点： 1.本课的重点是傅立叶稳定导热的基本定律。 2.本课的难点是区分导热系数和导温系数。 三、作业： P206 2 四、 教参及教具 1．高家锐，动量、热量、质量传输原理，重庆大学出版社，1987。 2．张先棹，冶金传输原理，冶金工业出版社，1988。 第 2 章 热 量 传 输 热量传输简称传热，它是极为普遍而又重要的物理现象。冶金生产过程无论是否伴 随化学反应或物态转变，热量传输往往对该过程起限制作用。 1．传热的动力：温差 2．本章研究传热的内容： （1） 传热方式 （2） 特定条件下传热速率 提高传热速率——提高生产率 降低传热速率——提高热效率（节能） §2.1 基本概念及基本定律 2.1.1 基本概念 1.传热方式 导热 对流 辐射 （1）传导传热（导热） ①定义：在一个连续介质内若有温差存在，或者两温度不同的物体直接接触时，在 物体内没有可见的宏观物质流动时所发生的传热现象叫导热。 ②条件：温差、无物质宏观运动。 ③取决于：物质本身的物性。 （2）对流传热（对流）

①定义:有流体存在,并有流体宏观运动情况下所发生的传热叫对流。 ②条件:温差、有物质宏观运动。 ③取决于:物质本身的物性、流动状态 (3)辐射传热(辐射) ①定义:物体因受热发出热辐射能,髙温物体失去热量而低温物体得到热量,这种 传热方式叫辐射传热 ②条件:温差、发射电磁波。 ③取决于:两物体空间位置(角度系数)、表面特性(黑度)。 2.传热基本方程 (1)热流量Q:单位时间传递的热量。 (2)热通量(热流密度)q:单位时间通过单位面积传递的热量 (3)传热方程:O=K·Mt·A.r O=K·M·A q K·△t (4)传热系数K:单位时间、单位面积、温差为1℃C传递的热量,即单位传热量。 提高传热速率的措施:K↑、R↓ 降低传热速率的措施:K↓、R个 (5)热阻R ZKA ZK R R一传热面上的总热阻;R一单位传热面上的热阻。 (6)单位换算 kcal=4.187kJ1kcal/h=1.163J/s=1.163W (7)传热问题的电模拟法 R 3.温度场、等温面及温度梯度 (1)温度场:温度按空间及时间的分布规律和变化规律就是温度场。 数学表达式 分类:稳定温度场:不随时间而变化的温度场。t=f(x,y,z)特点:=0,为稳定传 不稳定温度场:如≠0,为不稳定传热

2 ①定义：有流体存在，并有流体宏观运动情况下所发生的传热叫对流。 ②条件：温差、有物质宏观运动。 ③取决于：物质本身的物性、流动状态。 （3）辐射传热（辐射） ①定义：物体因受热发出热辐射能，高温物体失去热量而低温物体得到热量，这种 传热方式叫辐射传热。 ②条件：温差、发射电磁波。 ③取决于：两物体空间位置（角度系数）、表面特性（黑度）。 2.传热基本方程 （1）热流量 Q：单位时间传递的热量。 （2）热通量（热流密度）q：单位时间通过单位面积传递的热量。 （3） 传热方程： Q = K t  A Q = K t  A q = K t （4）传热系数 K：单位时间、单位面积、温差为 1C 传递的热量，即单位传热量。 提高传热速率的措施：K、R 降低传热速率的措施：K、R （5）热阻 R： Rd t KA t Q  =  = 1 R K t q 1 1 =  = Rf —传热面上的总热阻； R—单位传热面上的热阻。 （6）单位换算 1kcal=4.187kJ 1kcal/h=1.163J/s=1.163 W （7）传热问题的电模拟法 R t q 3.温度场、等温面及温度梯度 (1)温度场：温度按空间及时间的分布规律和变化规律就是温度场。 数学表达式： t=f(x，y，z，) 分类：稳定温度场：不随时间而变化的温度场。t=f(x，y，z)特点： = 0    t ，为稳定传 热。 不稳定温度场：  0    t ，为不稳定传热

空间(一、二、三维温度场 (2)等温面 3)等温线 (4)温度梯度: 2.1.2基本定律 1.傅立叶导热定律 (1)稳定温度场的建立 a 稳定温度场的建立 τ1τ3为不稳定导热,τ为稳定导热时期 (2)傅立叶导热定律 在稳定导热状态下,物体的热通量与温度梯度成正比。 λ一一导热系数。 (3)导热系数λ 1)单位:w/m°c 2)物理意义:物体的导热能力,λ个→q个→导热能力个 3)影响因素:a.物质种类:λt:0.0060.6w/mc 入液:0.070.7w/m°c λ金属:2.2~420w/m°c;其中纯银最高,铜、金、铝次之。 入工程材料:0.0253w/m°c b.物理状态:温度、压力、密度、湿度等,其中温度是最重要的因素 对于工程材料: 入=入o(1+bt) 入=a+at (4)导温系数a λa(pct) ca (热量梯度) 即单位时间、单位面积的热流量与热量梯度成正比

3 空间（一、二、三维温度场） (2)等温面 (3)等温线 (4)温度梯度：  t 2.1.2 基本定律 1.傅立叶导热定律 (1)稳定温度场的建立 y 3 1  t t0 tx t0 tx t0 tx （a） (b) (c) 稳定温度场的建立 1 ~3为不稳定导热，为稳定导热时期。 (2)傅立叶导热定律 在稳定导热状态下，物体的热通量与温度梯度成正比。 n t q   = − A n t Q    = − ——导热系数。 (3)导热系数 1)单位：w/mc 2)物理意义：物体的导热能力，→q→导热能力 3)影响因素：a.物质种类：气：0.006~0.6 w/mc 液：0.07~0.7w/mc 金属：2.2~420w/mc；其中纯银最高，铜、金、铝次之。 工程材料：0.025~3w/mc b.物理状态：温度、压力、密度、湿度等，其中温度是最重要的因素。 对于工程材料： =0（1+bt） =0+at (4)导温系数 a n t q   = − ( ) n c t c      = −    ( ) n c t a     = −  (热量梯度) 即单位时间、单位面积的热流量与热量梯度成正比

a= 导温系数 C 1)单位:a= m/s 2)物理意义:热量传输能力 a=2=导热能力/吸热能力 热量传递快,温度传递快。 a:λ↓,cp↓,热量传递慢,温度传递慢

4    = c a ——导温系数 1）单位：    = c a m 2 /s 2）物理意义：热量传输能力    = c a =导热能力/吸热能力 a：，c   ，热量传递快，温度传递快。 a： ，c   ，热量传递慢，温度传递慢

第二次课课题:傅立叶克希荷夫导热微分方程式 ξ2.2稳定导热 、本课的基本要求: 1.了解F-K方程的推导过程。 2.掌握F-K方程各部分的物理意义及整个方程的物理意义、适用范围及求解, 3.正确理解三类边界条件 4.掌握一维平壁的温度分布规律及导热量的计算。(第一类、第三类边界条件;单 层、多层;λ为常数、λ不为常数。) 、本课的重点、难点: 1.本课的难点是F-K方程的应用 2.本课的重点是一维平壁的温度分布规律、导热量的计算。 三、作业: P2063、4 1.傅立叶-克希荷夫导热微分方程式 推导方法:元体分析法 dv=dxdydz 假设条件:1)无内热源 2)忽略摩擦热 d 3)常物性(λ,c,p等) 推导依据:能量守恒 [元体热收入][元体热支出]元体热焓变化 元体的热收支差=热焓量的变化 (1)方程式的推导 1)x方向的对流热收支差: at do dQ1=-c·po,=+t 2)x方向的导热热收支差 d@ 2=n.dxdyds 3)x方向的总热收支差: -c·川x=+t 4)元体热收支差: a-t c·川O dady

5 第 二 次课 课题：傅立叶-克希荷夫导热微分方程式  2.2 稳定导热 一、本课的基本要求： 1.了解 F-K 方程的推导过程。 2.掌握 F-K 方程各部分的物理意义及整个方程的物理意义、适用范围及求解。 3.正确理解三类边界条件。 4.掌握一维平壁的温度分布规律及导热量的计算。（第一类、第三类边界条件；单 层、多层；为常数、不为常数。） 二、本课的重点、难点： 1.本课的难点是 F-K 方程的应用。 2.本课的重点是一维平壁的温度分布规律、导热量的计算。 三、作业： P206 3、4 1． 傅立叶-克希荷夫导热微分方程式 推导方法：元体分析法 dz dv=dxdydz dQx1 A B dQx2 假设条件：1）无内热源 2）忽略摩擦热 dx dy 3）常物性（，c，等） 推导依据：能量守恒 元体热收入−元体热支出=元体热焓变化 即 元体的热收支差=热焓量的变化 (1) 方程式的推导 1)x 方向的对流热收支差： dxdydz x t x t dQ c t x x         +   = −   1   2)x 方向的导热热收支差： dxdydz x t dQx 2 2 2   =  3)x 方向的总热收支差： dxdydz x t x t c x t dQx x                 +   −    =   2   2 4)元体热收支差： dxdydz y t y t c y t dQy y                 +   −    =   2   2