第七章 CH3.4 热量传递交换理论.pdf

§3.4 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。 §3.4.1 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 温度梯度，温度增加的方向规定为正， 见图3.79。温度梯度的表达式为： T grad T n （3.5） n T 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 n 角坐标系中的三个分量等于其相应的方向导数，即 T T T grad T i j  k x y z 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（J．Fourier ）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