传热学课件第四章非稳态导热.ppt

第一节 非稳态导热的基本概念 非稳态导热根据温度场随时间变化规律的特性可分为周期性非稳态导热和非周期性非稳态导热两大类。非周期性非稳态导热过程也称瞬态导热。 非稳态导热主要研究两方面的内容： 1. 确定物体在加热或冷却时其内部温度随时间和空间位置的变化规律； 2. 计算物体在加热或冷却过程中吸收或放出的热量。 在平壁右侧表面温度开始升高以前，平壁右侧与周围环境并无换热，从平壁左侧得到的热量完全储蓄于平壁之中，用以提高自身的温度。从某一时刻开始平壁右侧才向外散热，随着时间的推移，平壁内的温度逐渐升高，Φ1随着壁温的升高而减小，而右侧表面只有当其温度开始升高后才向外散热，其散热量Φ2随着右侧壁面温度升高而增大。当Φ1 = Φ2时，平壁进入新的稳态导热阶段。两条曲线间的面积（阴影部分）则为平壁在瞬态导热过程中所获得的热量，以热力学能的形式储存于平壁之中。 2. 炽热球体突然置于流体中冷却时的导热： 若把一个刚从炉内取出的炽热球形钢锭放在空气中冷却，则从钢锭内部到表面进行着非稳态导热过程，钢锭内各处的温度从表面到球心逐层不断下降，直到钢锭与所处环境达到热平衡而处于稳定状态为止。 二、非稳态导热过程的特点： 非稳态导热过程可分为三个阶段: 初始阶段 正规状况阶段 新稳态阶段 两个特点： 1. 在非稳态导热的过程中，物体内的温度变化是逐层“传播”的，各点的温度随时间不断地变化。 2. 在与热流方向相垂直的各个截面上的热流量处处不等，即使在同一截面上，不同时刻的热流量也不相等，物体内有能量的积聚或散失。 第二节 集总参数法 二、Bi数对导热体温度分布的影响 的大小对非稳态导热过程中导热体内的温度分布有重要的影响。 厚为2δ的平壁突然置于流体中冷却时 ，Bi数不同壁中温度场的变化会出现三种情形 。 思考题: 试说明毕渥数的物理意义。 毕渥数趋于零和毕渥数趋于无穷各代表什么样的换热条件？有人认为，毕渥数趋于零代表了绝热工况，你是否赞同这一观点，为什么？ 答：毕渥数是物体内外热阻之比的相对值。毕渥数趋于零时说明传热热阻主要在边界，内部温度趋于均匀，可以用集总参数法进行分析求解;毕渥数趋于无穷时，说明传热热阻主要在内部,可以近似认为壁温等于流体温度。 认为毕渥数趋于零代表绝热工况是不正确的,该工况是指边界热阻相对于内部热阻较大,而绝热工况下边界热阻无限大。 例4-1 一块厚20mm的钢板，加热到500℃后置于20℃的空气中冷却。设冷却过程中钢板两侧面的平均换热系数为80 ，钢板的导热系数为45 ，热扩散率为1.37× 。试确定使钢板冷却到30℃时所需的时间。 解：对于厚度为2的平板，其V/A=δ=0.01 可用集总参数法： 根据 得 第三节 一维非稳态导热问题的图解法 对于非稳态导热问题的求解，当不满足集总参数法的应用条件时，若采用集总参数法则会产生大于5 %的误差，这是工程上不允许的。本节介绍采用线算图求解的图解法。 无限大平壁无量纲中心温度 无限大平壁任意位置无量纲温度 [例4-2] 一块厚200mm的钢板，初始温度为20℃，被放入1000℃高温的加热炉内两侧受热。已知钢板的热导率 ，热扩散率为 ，加热过程中的平均换热系数 试求：钢板受热表面达到500℃温度所需的时间；并计算此时钢板剖面上的最大温差。 解：本题为厚2δ=200mm的平板两侧突然受第三类边界条件的非稳态导热。 于是在表面上 查图可知：在平板表面上 平板中心的无量纲过余温度 查图可知 第五节 火电厂的非稳态导热实例分析 火电厂的各种热力设备在启动、停机或变工况时，其内部的温度都在不断地变化，它们的导热过程都属于非稳态导热过程。 一、启动过程中汽缸壁的非稳态导热分析 为便于分析把汽缸壁近似 看作平壁，在汽轮机启动过 程中，汽缸壁与保温层内部 的温度变化如图所示。 二、启动过程中锅炉汽包壁的非稳 态导热分析 由于锅炉构件多，而且联结复杂，使得锅炉启动过程的非稳态导热比汽