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熱傳導heat conduction，thermal conduction

時間：2020-03-01 來源：網(wǎng)絡(luò) 瀏覽：
依靠物質(zhì)的分子、原子或電子的運動（包括移動和振動），使熱量從物體的高溫部位向低溫部位傳遞的過程，是熱量傳遞的三種基本方式之一。一切物體，不論其內(nèi)部有無質(zhì)點間的相對運動，只要存在溫度差，就有熱傳導。工業(yè)上有許多以熱傳導為主的傳熱過程，如橡膠制品的加熱硫化、鋼鍛件的熱處理等。在窯爐、傳熱設(shè)備和熱絕緣的設(shè)計計算及催化劑顆粒的溫度分布分析中，熱傳導規(guī)律都占有重要地位。在高溫高壓設(shè)備（如氨合成塔及大型乙烯裝置中的廢熱鍋爐等）的設(shè)計中，也需用熱傳導規(guī)律來計算設(shè)備各傳熱間壁內(nèi)的溫度分布，以便進行熱應力分析。
　　熱傳導方程 　當物體內(nèi)的溫度分布只依賴于一個空間坐標，而且溫度分布不隨時間而變時，熱量只沿溫度降低的一個方向傳遞，這稱為一維定態(tài)熱傳導。此時的熱傳導可用下式描述：
　　　　　　　　

　　　　　　　　 (1)

式中q為熱量通量;T為溫度;x為熱傳遞方向的坐標；λ為熱導率。此式表明q正比于溫度梯度dT/dx，但熱流方向與溫度梯度方向相反。此規(guī)律由法國物理學家J.-B.-J.傅里葉于1822年首先發(fā)現(xiàn)，故稱為傅里葉定律。
　　在最一般的熱傳導中，溫度隨時間和三個空間坐標而變化，且伴有熱量產(chǎn)生（如反應熱）。這時的熱傳導稱為三維非定態(tài)熱傳導，可用下式描述：
　　　　

　　　 (2)

式中τ為時間；x、y、z為坐標軸；ρ為密度；cp為定壓比熱容；α為導溫系數(shù)，又稱熱擴散系數(shù)，α＝λ/(cp·ρ)，表示非定態(tài)熱傳導過程中物體內(nèi)部溫度趨于均勻的能力，即導溫系數(shù)越大，則溫度趨于均勻越快；qc為單位體積內(nèi)熱量生成的速率。
　　一維定態(tài)熱傳導的計算 　以連續(xù)操作的窯爐中熱量通過爐壁的傳遞為例，熱量從內(nèi)壁面?zhèn)鞯酵獗诿?，將?1)積分，得出熱流量為：
　　　　　　　　

　　　　　　　　 (3)

式中T1和T2分別為壁的內(nèi)外兩側(cè)面的溫度；A為爐壁面面積;δ為爐壁的厚度；T1-T2為傳熱的推動力;Q為傳熱速率。根據(jù)速率等于推動力比阻力的概念，δ/(λA)是平壁面熱傳導的熱阻。由于熱傳導的速率正比于熱導率，所以換熱器中采用熱導率高的材料(如銅、鋼、石墨等)作為傳熱間壁材料。在熱絕緣設(shè)施中，采用熱導率低的材料作為絕熱材料。對于壁面相等的多層平壁，根據(jù)串聯(lián)熱阻的概念，其熱流量計算式為：
　　　　　　　

　　　　　　　　　 (4)

式中ΔT為最內(nèi)層壁內(nèi)側(cè)面與最外層壁外側(cè)面之間的溫度差；n為層數(shù)。
　　非定態(tài)熱傳導計算 　如果操作是間歇的或周期性的，如蓄熱器（見換熱器）的操作，這時熱傳導是非定態(tài)的。對于形狀簡單的物體（如平板、長方體、柱體和圓球），可由式 (2)結(jié)合一定的初始條件、邊界條件求得解析解，但通常求得的解很復雜，往往以無窮級數(shù)形式表示。為便于應用，常將這些結(jié)果以圖線表述。
　　對于二維、三維等更復雜的熱傳導，難以用解析法求解，一般可用數(shù)值法求解。  
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