热量传递篇--传热原理 第十四讲 传热概述 热传导

耐火砖 厚度（mm） 硅藻土砖 石棉水泥砖
115
125
70
导热系数(w/(m2· K))
1.16
0.116
0.350
设T 解： 2、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：
q T1 T n 1
n

495 60 0 . 115 1 . 16 0 . 125 0 . 116 0 . 070 0 . 350
不稳态传热：各点的温度随时间发生变化
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。
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。
2 L
Am
二. 热传导—圆筒壁稳态热传导
rm r2 r1 ln r2 r1
称对数平均半径
算数平均值: (a+b)/2 对数平均值: (a-b)/ln(a/b) 几何平均值: (ab)0.5
当
r1 / r2 2
时，对数平均半径rm可用算术平均半径代替。
二. 热传导—多层圆筒壁稳态热传导
Q c A Tn Tn '
本讲小结
1. 掌握基本概念：三种传热方式；传热量、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。
热量传递篇－－传热原理
第十四讲
传热概述
热传导
作业：习题4-1，4-3
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
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。
Q A t n ( 2 r L ) dT dr
T2
将上式分离变量并积分，有：
Q
r2
dr r
r1
2 L
dT
T1
二. 热传导—圆筒壁稳态热传导
若T1>T2，上式整理得：
Q 2 L
T1 T 2 ln r2 r1
463 . 7 316
0 . 125 0 . 116
123 . 2 C
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
热阻R＝b/λ（m2/W） 0.099 1.078 0.200
二. 热传导—圆筒壁稳态热传导
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：
传热量和传热速度之间的关系： q
dQ dA
2. 传热量与传热速度
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 热阻 T r 1 r
q
＝

(T t ) K (T t )
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)
T3 T 4 b3

T3 T 4 b3 (3 A )
依据等比定理，有：
Q T1 T 2 T 2 T 3 T 3 T 4 b1 ( 1 A ) b2 ( 2 A ) b3 (3 A ) T1 T 4 b1 ( 1 A ) b2 ( 2 A ) b3 (3 A )
3.各种物质导热系数的影响因素
1).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。 纯金属的λ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。
二. 热传导—多层平壁稳态热传导
推广到通过n层平壁的稳态热传导,
Q T1 T n 1

i 1
n
bi
(i A )
q
T1 T n 1

i 1
n
bi
i
二. 热传导—多层平壁稳态热传导
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。
二. 热传导—一维平壁稳态热传导
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：
q dQ dA t n dt dx dt dx Q A
Q A
边界条件： x=0, t=T1 ; x=b, t=T2
Q A T1 T 2 b T1 T 2 b ( A )
316 W / m
2
1137 kJ /( m h )
2

i 1
bi
i
Q 1 A
T1 T 2 b1 b1 495 316 0 . 115 1 . 16 463 . 7 C
T 2 T1 q
1
同理：
T3 T 2 q b2
2
1. 传热计算：设计或校核换热器；
2. 改进和强化传热设备
典型换热流程
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
1.传热过程
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 稳态传热：各点的温度不随时间发生变化
t q / 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· K) s· 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：
金属>非金属固体>液体>气体
材料
金属
建筑材料
绝热材料
液体
气体
二. 热传导—固体导热系数
传导距离越大，传 热面积和导热系数 越小，热阻越大。
Байду номын сангаас
二. 热传导—多层平壁稳态热传导
2) 通过多层平壁的稳态热传导
Q 1 A T1 T 2 b1
T 2 T3 b2

T1 T 2 b1 ( 1 A )
2 A
T2 T3 b2 ( 2 A )
3 A
T1 T n 1
推广到通过n层圆筒 Q 壁的稳态热传导,

i 1
n
bi
( i A mi )
二. 热传导—多层圆筒壁稳态热传导
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)
二. 热传导—液体导热系数
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。
二. 热传导—气体导热系数
3).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。 气体的分子运动。 原因？
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：
Q T1 T 2 T 2 T 3 T 3 T 4 b1 ( 1 A m 1 ) b2 ( 2 Am 2 ) b3 ( 3 Am 3 )

T1 T 4 b1 ( 1 A m 1 ) b2 ( 2 Am 2 ) b3 ( 3 Am 3 )
r
K
二. 热传导—傅里叶定律
1.傅立叶定律与导热系数（Fourier’s Law）
1）傅立叶定律 温度相同的点所组成的面称 为等温面；两等温面的温度 差与其间的法向距离之比称 为温度梯度。
q t n
负号表示方向
λ：导热系数，反映了不同物质的导热能力。
二. 热传导—导热系数
2）导热系数
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
青藏铁路建设—冻土问题
科学思路：主动冷却路基保 护多年冻土，包括块石路基、 碎石护坡，在路基两旁埋设 高效导热的热棒、热桩，在 路基中铺设通风管，铺设遮 阳棚、遮阳板等。
传统思路：增加热阻 保护多年冻土的方法
一.传热概述
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：
ln
T1 T 2 r2 r1
ln
r2 r1
/ 2 L
/ 2 L
热阻
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：
ln
r2 r1 r2 r1 2 L r2 r1 ln r2 r1 b 2 L rm b