《水工艺设备基础》教案第3章 3-4 热量传递与交换理论.ppt

水工艺设备基础
环境与市政工程学院给排水教研室
熊家晴
2002年9月22日
§ 热量传递与交换理论
热量是因温度差别而转移的能量,它是过程量而不是状态量。热量传递有三种形式:热传导、热对流和热辐射。
§ 热传导
一、概述
热传导(简称导热):指温度不同的物体各部分无相对位移,或温度不同的两物体之间直接接触时,依靠分子、原子、自由电子等的移动、转动即自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。的运动有密切的关系。因此,物质的导热本质或机理就必然与组成物质的微观粒子的运动密切相关。
热量传递和交换理论是从宏观角度进行分析研究的,并不关心物质的微观结构,而把物质看作是连续介质。水工艺设备中热量交换介质的几何尺寸远大于分子的直径和分子间的距离,因此,研究对象热媒和被加热水可以认为是连续的介质
二、导热基本概念
(1)温度场
在物体中,热量传递与物体内温度的分布情况密切相关。某一时间,物体中任何一点都有一个温度的数值,某一时刻空间所有各点温度分布的总合称为温度场。
T =f(x,y,z,t)
式中:T——温度;
x,y,z——空间坐标;
t——时间。
上式表示物体的温度在x,y,z三个方向和在时间上都发生变化的三维非稳态温度场。非稳态温度场的导热过程叫做非稳态导热。如果温度场不随时间而变化,称为稳态温度场,稳态温度场的导热过程叫做稳态导热,这时表达式简化为
T =f(x,y,z)
如果稳态温度场仅和一个坐标有关,则称为一维稳态温度场
T =f(x)
(2)等温面与等温线
同一时刻,温度场中所有同温度的点连接所构成的面叫做等温面。相同的等温面与同一平面相交,则在此平面上构成一簇曲线,称为等温线。
(3)温度梯度
在等温面上,因不存在温度差异,所以不可能有热量的传递。热量传递只发生在不同的等温面之间。从某一等温面上的某点出发,沿不同方向到达另一等温面时,因距离不同,则单位距离的温度变化(即温度的变化率)也不同。其中,以该点法线方向的温度变化率为最大。沿法线方向温度浠实南蛄砍莆温度梯度,温度增加的方向规定为正,。温度梯度的表达式为:
式中n表示法线方向上的单位向量, 表示沿法线方向温度的方向导数。温度梯度在直角坐标系中的三个分量等于其相应的方向导数,即
式中i、j、k分别表示三个坐标轴方向的单位向量。温度梯度的负值叫温度降度,它是与温度梯度数值相等而方向相反的向量。
(4)热流向量q
热量传递不能沿等温面进行,必须穿过等温面。单位时间单位面积上所传递的热量称为热流密度,或称热流通量。在不同方问上,热流密度的大小是不同的。以通过等温面上某点最大热流通量的方向为方向,数值上也正好等于沿该方向热流通量的向量称为热流通量向量,简称热流向量。其他方向的热流通量都是热流向量在该方向的分量。
(5)傅立叶定律
法国数学物理学家傅里叶()通过研究导热过程发现,热流向量与温度梯度的大小成正比的关系,即:
q =-λgrad T
式中的比例系数λ恒为正数,称为导热系数。热流向量和温度梯度位于等温面的同一法线上,但指向温度降低的方向,式中的负号就是表示热流向量的方向与温度梯度的方向相反,永远沿着温度降低的方向。
博里叶定律确定了热流向量和温度梯度的关系。因此要确定热流向量的大小,就必须知道温度梯度,亦即知道物体内的温度场。
关于导热系数λ:
不同物质构造上的差别和固、液、气三相不同的导热机理,导致了不同物质间导热系数的差异。工程计算中,导热系数常取使用温度范围内的算术平均值,并把它作为常数看待。
①气体:气体的导热系数不随压力发生变化;当气体的温度升高时,气体的分子运动平均速度和定容比热都增大,所以,气体的导热系数随温度的升高而增大。
②液体:液体的导热系数与液体的定压比热,液体的密度,液体的分子量以及一个与晶格振动在液体中的传播速度成正比的系数有关,这个系数与温度有关,而与液体的性质无关。对水来说,水的导热系数随温度和压力的升高而增大。
③金属固体:大多数纯金属的导热系数随着温度的升高而减小,而大部分合金的导热系数是随着温度的升高而增大的。
④非金属固体:导热系数都随温度的升高而增大。与水工艺设备有关的非金属固体主要是隔热保温材料。隔热保温材料也叫热绝缘材料
二、导热基本定律
1、导热微分方程式
假定:
(1)所研究的物体是连续均匀和各向同性的介质;
(2)导热系数λ、比热C和密度ρ均已知
(3) 假定物体内具有内热源qv(W/m3)表示内热源的强度(单位体积单位时间内所发出的热量)。
从进行导热过程的物体中分割出一个微元体dV=dx·dy·dz,设:在dt时间内,导入与导出微元体的净热量为dQ1,内热源的发热量为dQ2,微元体内能的增加为d