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谈热传导不稳定导热 　　摘要：火电厂中，热动力设备在启动、停止或变工况过程中，设备壁面各处的温度都在变化，此时壁面的导热属于不稳定导热。例如锅炉升炉时，炉墙、汽包壁温度逐渐升高，停炉时温度逐渐降低；又如汽轮机启动过程中，汽缸壁、法兰的温度逐渐升高，停机时温度逐渐降低，发生在这些情况下的壁面导热，都是不稳定导热。 　　关键词：热传导;不稳定;导热 　　火电厂中，热动力设备在启动、停止或变工况过程中，设备壁面各处的温度都在变化，此时壁面的导热属于不稳定导热。例如锅炉升炉时，炉墙、汽包壁温度逐渐升高，停炉时温度逐渐降低；又如汽轮机启动过程中，汽缸壁、法兰的温度逐渐升高，停机时温度逐渐降低，发生在这些情况下的壁面导热，都是不稳定导热。 　　1.不稳定导热的特点 　　为了说明不稳定导热过程的特点，先举一个简单的例子。一块处于环境温度下的平壁，平壁内温度均为环境温度t0。，直径AD所示。如果在某时刻，平壁左侧表面突然与一温度恒定为t1的高温表面紧密接触，右侧表面仍与环境空气接触。这时，左侧壁面的温度很快升高，而平壁的其余部分仍维持环境温度t0。随着时间的推移，靠近右侧表面的材料的温度逐渐依次升高，曲线HCD、HE、HF象征性地表示了壁面内部温度分布随时间推移的变化过程，最后达到稳定时，温度分布不再随时间变化。 　　上述过程中，在平壁右侧表面温度未升高之前的一段时间内，平壁右侧表面与环境空气间没有温差，因而无热交换，平壁左侧表面从恒温高温表面所摄取的热量全部蓄于自身之中。只有当右侧表面温度升高后，才有热量从右侧表面传递给环境空气，也只有当右侧表面传递给环境空气的热量等于左侧表面从恒温高温表面摄取的热量时，平壁内部温度分布才保持稳定。 　　由此可见，不稳定导热过程与稳定导热过程的不同之处在于： (1)在不稳定导热过程中，随着热量传递，壁内各层的温度逐渐依次升高，不到一定时间，壁内某层的温度是不会升高的。这也可以看作温度从物体的一个部分向另一部分“传播”；(2)在不稳定导热过程中，每一个与热量传递方向相垂直的截面上的热流量中是处处不等的，在本例中沿途逐渐减少，所减少的部分用于该处材料的温度升高。 　　2.导温系数 　　从上述分析知道，不稳定导热中沿途导热量是减少的，减少部分用于升高该处材料的温度，也就是说，不稳定导热不仅牵涉热量传导，还牵涉到物体升温所需要的能量，因此，衡量不稳定导热不能用导热系数，而应采用同时考虑上述两种因素的物体量――热扩散率，用符号。表示，单位为m2／s，它是一个表征材料“传播”温度变化快慢的物理量。例如将一把铝匙和一把瓷匙同时放入一杯开水中，过一会儿，铝匙柄已十分烫手，而瓷匙柄温度几乎没什么变化，这说明铝的导温能力大，热扩散率。也大。 　　3.不稳定导热实例分析 　　实际的不稳定导热问题通常更为复杂，物体表面不一定与恒温的物体接触。下面结合汽轮机启动过程中汽缸壁内温度分布的变化，对不稳定导热作进一步讨论。为便于分析，把汽缸壁看作平壁。 　　设汽轮机冷态启动前，缸壁与保温层的温度都接近于室温，现在设想把温度较高的蒸汽(例如高于汽缸壁温100～150℃)送入汽轮机用以冲转转子，这时，与蒸汽直接接触的汽缸内表面温度会很快地升高，但是缸壁其余部分几乎仍然保持着原来的温度。随着导热过程的进行，缸壁温度由里向外逐步升高，如曲线CJ，由于进入汽轮机的蒸汽温度和压力不断升高，因此，汽缸内壁及其余部分的温度也持续相继升高。 　　直到启动过程结束，达到额定参数与额定负荷时，缸壁中的温度分布就达到稳定，如直线FM，保温层温度变化也和缸壁情况相似，开始保温层的温度还没有受到高温影响而保持室温，如IN，过了一定时间，保温层才开始升温，然后温度也逐渐开始在保温层内由里向外“传播”，直到温度分布保持不变，不稳定导热过程也就转变为稳定导热。 　　可见，在金属壁面不稳定导热过程中，壁面两侧的温差要比达到稳定状态后的温差大得多，即壁面最大温差发生在不稳定导热过程中，这时缸内壁温度大于外壁温度。材料受热要膨胀，同种材料在不同温度下膨胀程度不同，这样，缸内壁膨胀要比外壁膨胀大，但是作为一个整体的缸壁，内壁膨胀受到外壁的阻碍，相当于内壁受到外壁的一个压缩力，在内壁附近便会产生一个附加的压缩应力。同理，内壁的膨胀使外壁受到一个附加的拉伸应力，这种由于壁面中温度不均引起的应力，称为“热应力”。当材料受到的热应力过大时，会使汽缸壁发生裂纹。热应力与汽缸内外壁温差成正比，工程上，为避免热应力过大，对缸壁、法兰内外的温差均有限制值。那么，内外壁温差究竟与哪些因素有关呢? 　　在不稳定导热过程中，壁面两侧温差与升温速度成正比与壁厚的平方成正比，与导温系数成反比。其中，壁面厚度对内外壁温差的影响更大。由于汽缸法兰比汽缸壁厚得多，因此，法兰处内外