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多层平壁的不变导热

  高档职业手艺教育建建设备类类专业规划教材 热工学根本 RE GONG XUE JI CHU 第二部门 传热学 1 第二部门 传热学 无论正在天然界仍是工程实践中,热传送现象都普遍存 正在,并对我们的出产糊口有着主要的影响。分歧的场 合和分歧的前提下,热量的传送体例和过程都是分歧 的,传热学就是研究热的传送纪律的一门学科。正在工 程实践中我们要经常操纵这些纪律来确定某些场所的 传热量和温度分布,有时候还要按照现实需要来强化 和减弱热量的传送。好比对一个房间进行供暖,要考 虑供暖房间通过墙壁、顶棚、地板以及门窗等围护结 构的取的传热量,做为确定供暖热负荷的主要依 据;正在确定汽锅炉墙的利用材料及厚度时,要考虑到 整个炉墙范畴内的温度分布;远距离敷设的热力管道, 为避免热量散失要采纳合适的保温办法,而正在空调机 组的热互换器内为了最大程度的操纵能量,又要优化 设想,达到强化传热的目标。做为一门专业根本课, 学好传热学有益于对其他专业课学问的理解和控制。 2 第二部门 传热学 热量的传送过程按照取时间的关系,可划分为不变过 程和非不变过程,物体中各点温度不随时间变化的热 量传送过程,称为不变传热过程;反之则称为非不变 传热过程。热量传送有三种根基体例:导热、对流和 辐射,工程中良多传热过程往往是以上三种根基传热 体例分析感化的成果。我们将鄙人边的进修中,别离 引见这三种分歧的热量传送体例。 3 高档职业手艺教育建建设备类类专业规划教材 热工学根本 RE GONG XUE JI CHU 第二部门 单位6 稳态导热 4 单位6 不变导热 单位6 不变导热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(7) 6.1 导热的概念及傅里叶定律┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(5) 6.1.1 导热的概念┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(9) 6.1.2 温度场┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(12) 6.1.3 等温线、等温面和温度梯度┄┄┄┄┄┄(16) 6.1.4 傅里叶定律┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(18) 6.1.5 导热系数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(20) 6.1.6 新型节能材料┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(25) 6.2 通过平壁的不变导热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(28) 6.2.1 单层平壁的不变导热┄┄┄┄┄┄┄┄┄(29) 6.2.2 多层平壁的不变导热┄┄┄┄┄┄┄┄┄(32) 6.2.3 复合平壁的导热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(38) 6.3 圆筒壁的稳态导热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(41) 6.3.1 单层圆筒壁的稳态导热┄┄┄┄┄┄┄┄(42) 5 单位6 不变导热 6.3.2 多层圆筒壁的稳态导热┄┄┄┄┄┄┄(45) 6.3.3 圆筒壁稳态导热的简化计较┄┄┄┄┄(49) 6 单位6 不变导热 【学问点】 傅里叶定律、一维不变导热,导热热阻。 【能力方针】 控制:温度场、温度梯度、导热热阻、导热系数等基 本概念。 理解:傅里叶定律的表述及寄义。 熟悉:平壁、圆筒壁导热的温度分布。 使用:能使用相关概念和公式进行平壁、圆筒壁导热 的阐发和计较。 7 单位6 不变导热 不变导热是指温度场不随时间变化的导热过程,现实 工程中,正在不影响计较精度的环境下,很多多少导热过程 均能够简化为一维不变导热,以使计较变得愈加简洁, 本章次要引见工程上常见的一维稳态导热问题的计较。 正在进修的过程中要领会导热、温度场、温度梯度等概 念;理解反映导热根基纪律的傅里叶定律,并控制一 维稳态导热中傅里叶定律的具体使用,沉点控制多层 平壁和圆筒壁的一维不变导热计较公式及其使用。 8 6.1 导热的概念及傅里叶定律 6.1.1 导热的概念 导热即热传导,是指发生正在物质本身各部门之间或曲 接接触的物质取物质之间的热量传送现象。热量从固 体温度较高的部门传送到温度较低的部门,以及温度 较高的固体把热量传送给取之接触的温度较低的另一 固体都是导热现象。如:手持放正在热汤中的调羹柄会 感应发烫,这是由于调羹的头部被热汤加热后,又把 热量传导至调羹柄部。又如:拆正在教室中的散热器片, 当温度较高的热水正在散热器内流过时,将热量传送给 散热器片,而散热器片将所得的热量又传送给外部温 度较低的空气,热量自散热器内壁传送到外壁以及翅 片的过程就属导热过程。 9 6.1 导热的概念及傅里叶定律 导热是物质的属性,导热现象既能够发生正在固体内部, 也可发生正在静止的液体和气体之中,但微不雅机理有所 分歧。正在气体中,导热是气体犯警则热活动时碰 撞的成果,气体的温度越高,其的活动动能越大, 能量较高的取能量较低的彼此碰撞的成果, 热量就由高温处传向低温处;对于固体,导电体的导 热次要靠电子的活动来完成,而非导电固体则通 过原子、正在其均衡附近的振动来传导热量; 至于液体中的导热机理,还存正在着分歧概念,能够认 为介于气体和固体之间。 10 6.1 导热的概念及傅里叶定律 一般只要正在固态物质中才会发生纯真的导热现象,这 是由于:正在加热或冷却过程中,对于固体来说,体积 虽然有变化但不会因而诱发分歧集团的相对活动。 而流体(气体和液体)正在吸热或放热时,其体积变化 将惹起密度的变化,迸而会惹起集团的宏不雅相对 活动,所发生的对流换热现象不是严酷意义上的“纯 导热”。正在工程使用中,一般把发生正在换热器管壁、 散热肋片管道保温层、墙壁等固态材猜中的热量传送 均可看做导热过程处置。 11 6.1 导热的概念及傅里叶定律 6.1.2 温度场 只需有温差存正在,热量就会自觉地从高温物体传给低 温物体,就可能呈现导热现象。所以温差是传送热量 的动力,导热过程中热量的传送取物体内部温度分布 情况亲近相关。因而,要阐发导热现象,起首要阐发 物体内部温度分布纪律。 某一时辰物体中各点温度分布的情况称为温度场。一 般来说,温度场是空间和时间的函数,其数学表达式 为 12 6.1 导热的概念及傅里叶定律 温度场按照能否随时间变化来分类,可分为两类,即稳 定温度场和非不变温度场。当温度场内各点的温度随时 间变化时,这种温度场称为非不变温度场,例如正在房间 空调刚开机的一段时间内,房间内的温度场就属于非稳 定温度场。若是温度场中各点的温度不随时间变化,这 种温度场则称为不变温度场,例如当变化不大, 室内供暖设备工况不变、持续运转较长时间后,此时室 内的温度场就能够看做不变温度场。正在不变温度场中的 导热称为不变导热,反之,非不变温度场中的导热称为 不不变导热。 不变温度场内温度的分布取时间无关,仅是空间坐标的 函数。若是温度正在空间三个坐标标的目的都发生着变化,则 称为三维不变温度场,其数学表达式为 t=f(x,y,z) (6-2) 13 6.1 导热的概念及傅里叶定律 正在不变温度场中,若温度仅正在空间两个坐标标的目的上发 生变化,则称为二维不变温度场,即 t=f(x,y) (6.3) 正在不变温度场中,若温度仅正在空间一个坐标标的目的上发 生变化,则称为一维不变温度场,即 t=f(x) (6.4) 一维稳态温度场是最简单的温度分布,是工程手艺中 使用较多的环境。正在我们的进修过程中,也次要以一 维不变温度场做为研究对象。 工程中常以激光的热传导焊接手艺,对打印机壳体、 机箱外壳等薄壁件进行焊接,如图6.1所示:激光辐射 仅仅加热工件的概况,一部门激光被反射,别的一部 分激光则被工件接收; 14 6.1 导热的概念及傅里叶定律 工件概况层接收的热以热传导的体例传向工件深处传 递使金属熔融,熔融的金属正在工件表层构成了一个封 闭的熔池 ,熔池凝 固后构成滑润光洁 的焊缝。热传导焊 因为热能够正在宽度 标的目的和深度标的目的传 播,因而传热平均 而不会发生焊缝凸 起。 图6.1 激光焊接导热示企图 15 6.1 导热的概念及傅里叶定律 6.1.3 等温线、等温面和温度梯度 正在温度场中,把统一时辰温度相等的各点毗连起来所 形成的面,称为等温面,它可能是平面,也可能曲直 面。等温面取任一平面的交线称为等温线。等温面和 等温线)因空间中任何一点不成能同时具有两个分歧的温 度值,所以肆意两个等温线或等温面永不订交。 (2)等温线或等温面能够正在物体内部是完全封锁的曲 线或曲面,也可终止于物体的边缘,但不克不及够正在物体 内部中缀。 (3)等温线或等温面上温度差为零,没有热量的传送。 热量的传送是沿着最短的路子进行,即沿着等温面或 等温线 导热的概念及傅里叶定律 图6.2温度场、等温线 导热的概念及傅里叶定律 6.1.4 傅里叶定律 18 6.1 导热的概念及傅里叶定律 19 6.1 导热的概念及傅里叶定律 6.1.5 导热系数 由傅里叶定律的表达式可得 q ??? gradt (6.9) 导热系数λ正在数值上等于单元温度梯度感化下的热流密 度,是工程设想中合理选用材料的主要根据。导热系 数是物质的一个主要的热物性参数,其数值大小表征 着物质导热机能的好坏。影响导热系数的要素次要有 物质品种、温度、布局、密度、湿度,分歧物质的导热 系数相差很大,凡是各类物质的导热系数可从相关资 猜中查取。 20 6.1 导热的概念及傅里叶定律 (1) 因为金属的导热和导电都是依托电子,导电性 能好的金属材料,导热机能也较好。例如铜的导热系 数高达398 W/(m· ℃),铝的导热系数为236 W/ (m· ℃),制冷设备中常用铜管铝翅片制做冷凝器和 蒸发器就是操纵其导热机能好这一特点。 (2) 液体导热系数的范畴为0.07~0.7 W/(m· ℃), 气体导热系数的范畴为0.006~0.6 W/(m· ℃)。和 固体,出格是金属比拟,液体和气体的导热系数要小 得多。 (3) 非金属固体材料导热系数的范畴很大,高限可达 6.0 W/(m· ℃),低限接近气体。好比膨缩珍珠岩 正在0℃时的导热系数仅为0.042 5 W/(m· ℃)。 21 6.1 导热的概念及傅里叶定律 (4) 湿度对保温材料的导热系数影响很大,隔热保温材 料的湿度越大,则孔隙中的水分就越多,材料的导热系 数也就越大。水的导热系数比空气大20~30倍,所以 对建建物的围护布局,空调工程中的送风管道、冷媒水 管,供热工程中的供热管道等其隔热保温层的外概况应 包裹一层隔汽层,以防潮湿空气渗入。 (5) 温度会影响材料的导热系数,一般地说,所有物质的 导热系数都是温度的函数,正在工业上和日常糊口中常见 的温度范畴内,绝大大都材料的导热系数能够近似地认 为随温度线性变化,暗示为 ? ? ? 0 ?1 ? bt ? (6.10) 式中λ0为按上式计较的材料正在0℃下的近似计较值,并 非材料正在0℃下的导热系数线所示;b为 由尝试确定的,其数值取物质的品种相关。 22 6.1 导热的概念及傅里叶定律 图6.3 导热系数λ取温度t的关系 23 6.1 导热的概念及傅里叶定律 导热系数高的物质有益于热传送,导热系数低的物质 能无效地和减弱热传送。因此,对于换热器等需 要加强换热的场所,一般采用导热系数较高的金属材 料;而对于冷库、冰箱等需要隔热保温的场所要采用 导热系数小的材料。我国国度尺度GB427Z—92《设 备及管道保温手艺公例》,凡平均温度不高于 350℃时导热系数不大于0.12 W/(m· ℃)的材料称 为保温材料;而正在室温前提下,一般把导热系数小于 0.2 W/(m· ℃)的材料做为隔热保温材料。正在制冷 工程中,常用的保温材料可分为10大类:珍珠岩类、 蛭石类、硅藻土类、泡沫混凝土类、软木类、石棉类、 玻璃纤维类、泡沫塑料类、矿渣棉类、岩棉类,其相 关机能可相关手册。 24 6.1 导热的概念及傅里叶定律 6.1.6 新型节能材料 一般来说,导热系数较小的材料(或称为热绝缘体) 是所谓的多孔状材料,例如泡沫塑料。由于小孔中的 气体导热系数很低,其保温性好。国外有些公司开辟 出低导热系数的高机能PU发泡体隔热材料,次要是将 气泡孔微细化,而达到最低的导热系数0.018 6 W/ (m· ℃)。这种产物对于室第及家电的节能结果很是 高,因而除了用做室第墙体材料,也可使用于冰箱、 从动销售机等电器的隔热保温。 25 6.1 导热的概念及傅里叶定律 正在工程实践中,很多使用场所需要热绝缘体具有够高 的密度,因此正在这些场所下密度较低的发泡材料就不 合用了。科学家发觉二硒化钨(WSe2)的导热系数大约 是导热系数最大的钻石的十万分之一,是世界上导热 系数最低的材料。这种新材料不单具有像多孔状物质 般很小的导热系数,更主要的是它的密度脚够高,跟 铜差不多。他们发觉,二硒化钨的布局是多层膜的结 构,而每层二硒化钨正在热传导的标的目的都扭转了些许的 角度,因而晶格就相当不合错误称。这种新材料的发觉还 有相关手艺的开辟利用,将对提高能源的利用效率及 其他相关范畴节能材料的利用发生主要的影响。 26 6.1 导热的概念及傅里叶定律 另一方面,跟着电子手艺的成长,电子元件集成度的 提高,芯片,特别是封拆芯片的散热问题越来越凸起。 若是散热欠好,电子电将无法一般工做。日立制做 所日前开辟出了一种导热系数高达7 W/(m· ℃)的新 型环氧树脂,取现有的环氧树脂比拟,导热系数达5倍 以上。通过调整填充剂的添加量,以至有可能实现超 过10 W/(m· ℃)的热传导率。这种环氧树脂次要用 于印刷电板的绝缘材料和功率半导体的封拆材料等。 27 6.2 通过平壁的不变导热 所谓平壁,就是指长度和宽度的尺寸弘远于其厚度(10 倍以上)的物体,例如教室的墙壁。因为房间内的温度 根基分歧,室外的温度也是必然的,所以墙壁两 侧正在高度和宽度两个标的目的的温度变化就会很小,导热 正在室表里温差感化下仅沿墙壁厚度标的目的进行,可近似 地做为一维不变导热处置。 28 6.2 通过平壁的不变导热 6.2.1 单层平壁的不变导热 图6.4单层平壁一维导热 29 6.2 通过平壁的不变导热 30 6.2 通过平壁的不变导热 31 6.2 通过平壁的不变导热 6.2.2 多层平壁的不变导热 多层平壁是指由几种分歧材料所构成的复合平壁。由 多层分歧材料构成的平壁正在工程上经常碰到,如:汽锅 的炉墙是由耐火砖层、保温砖层和概况涂层三种材料 叠合而成的多层平壁;冷库的围护布局就是由建建材 料、隔热保温层和防潮层等构成的多层平壁;衡宇的 外墙就是以砖为从体,内有白灰层、外抹水泥砂浆构 成的多层平壁。 32 6.2 通过平壁的不变导热 6.2.2.1 三层平壁的不变导热 图6.5 多层平壁不变导热 33 6.2 通过平壁的不变导热 34 6.2 通过平壁的不变导热 35 6.2 通过平壁的不变导热 6.2.2.2 多层平壁的不变导热 36 6.2 通过平壁的不变导热 必需指出的是:正在上述多层平壁的计较中,是假设层 取层之间接触优良,两个相接触的概况具有不异的温 度。而现实多层平壁的导热过程中,固体概况并非是 抱负平整的,老是存正在着必然的粗拙度,因此使固体 概况接触不成避免地呈现附加热阻,工程上称为“接 触热阻”,接触热阻的大小取固体概况的粗拙度、接 触面的挤压力和材料间硬度婚配等相关,也取界面间 隙内的流体性质相关。工程上常采用添加挤压力、正在 接触面之间插入容易变形的高导热系数的填隙材料等 办法来减小接触热阻。好比为了减小计较机CPU散热 器底面取芯片的接触热阻,常用拉丝工艺(研磨),盘铣 工艺(切削),抛光等概况处置工艺减小概况的粗拙程度。 37 6.2 通过平壁的不变导热 6.2.3 复合平壁的导热 38 6.2 通过平壁的不变导热 39 6.2 通过平壁的不变导热 40 6.3 圆筒壁的稳态导热 工程中的很多导热体是圆筒形的,如热力管道、制冷 剂管、换热器中的换热管等。因为这些管的长度 远弘远于管壁的厚度,正在热流量计较中,能够忽略沿 轴向的温度变化,而仅仅考虑沿径向发生的温度变化。 管壁表里的温度可看做是平均的,即温度场是轴对称 的,所以圆筒壁的导热仍然能够看做是一维不变导热。 做为不变温度场,圆筒壁取平壁导热的不异之处正在于 沿热传导标的目的上的不划一温面间的热流量Q是相等的; 分歧之处正在于圆筒壁的传热面积随半径的增大而增大, 因此沿半径标的目的传送的热流密度随半径的增大而减小, 为了便于操纵傅里叶定律推导出其导热计较公式,圆 筒壁的导热问题计较的是整个管壁的热流量Q或单元 管长的热流量QL,而不是热流密度q。 41 6.3 圆筒壁的稳态导热 6.3.1 单层圆筒壁的稳态导热 42 6.3 圆筒壁的稳态导热 43 6.3 圆筒壁的稳态导热 44 6.3 圆筒壁的稳态导热 6.3.2 多层圆管壁的稳态导热 图6.9 多层平壁 不变导热 45 6.3 圆筒壁的稳态导热 46 6.3 圆筒壁的稳态导热 47 6.3 圆筒壁的稳态导热 48 6.3 圆筒壁的稳态导热 6.3.3 圆筒壁稳态导热的简化计较 49 6.3 圆筒壁的稳态导热 50 高档职业手艺教育建建设备类类专业规划教材 热工学根本 RE GONG XUE JI CHU 武汉理工大学出书社刊行部 地 址:武汉市武昌珞狮122号 邮 编:430070 电 线 传 线

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