§1-1 導(dǎo)熱基本概念與傅里葉定律.ppt

1、Heat Transfer傳熱學(xué),Building Energy Efficiency is the Wave of the Future !,1 導(dǎo)熱理論基礎(chǔ),建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)主干課程之一 !,Chapter1 Heat conduction theory,Heat Transfer,1-1 導(dǎo)熱基本概念與傅里葉定律,一、基 本 概 念,1、溫度場(chǎng) （Temperature field） （1 ）概念 溫度場(chǎng)是指在各個(gè)時(shí)刻物體內(nèi)各點(diǎn)溫度分布的總稱。 物體的溫度分布是坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)：,其中 為空間坐標(biāo)， 為時(shí)間坐標(biāo)。,Heat Transfer,（2）溫度場(chǎng)分類 1）穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)（定常溫

2、度場(chǎng)） （Steady-state conduction） 是指在穩(wěn)態(tài)條件下物體各點(diǎn)的溫度分布不隨時(shí)間的改變而變化的溫度場(chǎng)稱穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，其表達(dá)式：,一、基 本 概 念,Heat Transfer,2）非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)（非定常溫度場(chǎng)） （Transient conduction） 是指在變動(dòng)工作條件下，物體中各點(diǎn)的溫度分布隨時(shí)間而變化的溫度場(chǎng)稱非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，其表達(dá)式： 若物體溫度僅一個(gè)方向有變化，這種情況下的溫度場(chǎng)稱一維溫度場(chǎng)。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,（Steady-state conduction）,非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,（Transient c

3、onduction）,三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：,一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng):,一、基 本 概 念,Heat Transfer,2、等溫面與等溫線,等溫線：用一個(gè)平面與各等溫面相交，在這個(gè)平面上得到一個(gè)等溫線簇,等溫面：同一時(shí)刻、溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)連接起來所構(gòu)成的面,一、基 本 概 念,Heat Transfer,等溫面與等溫線的特點(diǎn)：,(1) 溫度不同的等溫面或等溫線彼此不能相交,(2) 在連續(xù)的溫度場(chǎng)中，等溫面或等溫線不會(huì)中斷，它們或者是物體中完全封閉的曲面（曲線），或者就終止于物體的邊界上,物體的溫度場(chǎng)通常用等溫面或等溫線表示,一、基 本 概 念,Heat Transfer,等溫線圖的物理意義： 若每條

4、等溫線間的溫度間隔相等時(shí)，等溫線的疏密可反映出不同區(qū)域?qū)釤崃髅芏鹊拇笮　Ｈ鐖D所示是用等溫線圖表示溫度場(chǎng)的實(shí)例。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,3、溫度梯度（Temperature gradient）,等溫面上沒有溫差，不會(huì)有熱傳遞。,不同的等溫面之間，有溫差，有導(dǎo)熱,溫度梯度是用以反映溫度場(chǎng)在空間的變化特征的物理量。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,系統(tǒng)中某一點(diǎn)所在的等溫面與相鄰等溫面之間的溫差與其法線間的距離之比的極限為該點(diǎn)的溫度梯度，記為gradt。,注：溫度梯度是向量；正向朝著溫度增加的方向,一、基 本 概 念,Heat Transfer,4、熱流密度

5、矢量（Heat flux）,熱流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積上所傳遞的熱量；,熱流密度矢量：等溫面上某點(diǎn)，以通過該點(diǎn)處最大熱流密度的方向?yàn)榉较颉?shù)值上正好等于沿該方向的熱流密度,一、基 本 概 念,Heat Transfer,溫度梯度和熱流密度的方向都是在等溫面的法線方向。由于熱流是從高溫處流向低溫處，因而溫度梯度和熱流密度的方向正好相反。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時(shí)間內(nèi)通過給定截面所傳遞的熱量，正比例于垂直于該截面方向上的溫度變化率，而熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反，即：,數(shù)學(xué)表達(dá)式：,二、傅里葉定律（Fourier Law）,1、傅里葉定律,Hea

6、t Transfer,（負(fù)號(hào)表示熱量傳遞方向與溫度升高方向相反）,傅里葉定律用熱流密度表示：,其中： 熱流密度(單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱流量) 物體溫度沿 x 軸方向的變化率,二、傅里葉定律（Fourier Law）,Heat Transfer,當(dāng)物體的溫度是三個(gè)坐標(biāo)的函數(shù)時(shí)，其形式為:,是空間某點(diǎn)的溫度梯度；,是通過該點(diǎn)等溫線上的法向單位矢量，指向溫度升高的方向；,是該處的熱流密度矢量。,二、傅里葉定律（Fourier Law）,Heat Transfer,負(fù)號(hào)是因?yàn)闊崃髅芏扰c溫度梯度的方向不一致而加上,傅里葉定律可表述為:系統(tǒng)中任一點(diǎn)的熱流密度與該點(diǎn)的溫度梯度成正比而方向相反,注：傅里葉

7、定律只適用于各向同性材料各向同性材料：導(dǎo)熱系數(shù)在各個(gè)方向是相同的,二、傅里葉定律（Fourier Law）,Heat Transfer,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） thermal conductivity,1、定義 傅利葉定律給出了導(dǎo)熱系數(shù)的定義 :,w/m,導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度作用下單位時(shí)間內(nèi)單位面積的熱量。 導(dǎo)熱系數(shù)是物性參數(shù)，它與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密切相關(guān)，例如物質(zhì)的種類、材料成分、溫度、 濕度、壓力、密度等，與物質(zhì)幾何形狀無關(guān)。 它反映了物質(zhì)微觀粒子傳遞熱量的特性。,Heat Transfer,不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能不同：,0C時(shí)：,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） ther

8、mal conductivity,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,2 、保溫材料（隔熱、絕熱材料） 把導(dǎo)熱系數(shù)小的材料稱保溫材料。 我國(guó)規(guī)定：350 時(shí)， 0.12w/mk 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)界定值的大小反映了一個(gè)國(guó)家保溫材料的生產(chǎn)及節(jié)能的水平。越小，生產(chǎn)及節(jié)能的水平越高。 我國(guó)50年代 0.23W/mk 80年代 GB42

9、72-84 0.14w/mk 90年代 GB427-92 0.12w/mk,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） thermal conductivity,Heat Transfer,保溫材料熱量轉(zhuǎn)移機(jī)理 ( 高效保溫材料 ) 高溫時(shí)： （ 1 ）蜂窩固體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱 （ 2 ）穿過微小氣孔的導(dǎo)熱 更高溫度時(shí)： （ 1 ）蜂窩固體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱 （ 2 ）穿過微小氣孔的導(dǎo)熱和輻射,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） thermal conductivity,Heat Transfer,超級(jí)保溫材料 采取的方法： （1）夾層中抽真空（減少通過導(dǎo)熱而造成熱損失） （2）采用多層間隔結(jié)構(gòu)（ 1cm 達(dá)十幾層） 特點(diǎn)：間隔材料的反射率很高，減少輻射換熱，垂直于隔熱板上的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)： 10 - 4w/mk,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） thermal conductivity,Heat Transfer,同一種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)因其狀態(tài)參數(shù)的不同而改變，因而導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)溫度和壓力的函數(shù)。,一般把導(dǎo)熱系數(shù)僅僅視為溫度的函數(shù)，而且在一定溫度范圍還可以用一種線性關(guān)系來描述,三、導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率、比例系數(shù)） thermal conductivity,Heat Transfer,3、各向異性材料 指有些材料（木材，石墨）各向結(jié)構(gòu)不同，各方向上的 也有較大差別，這些材料稱各向異性材料。此類材料 必須