电子课件化学原理第4章 传热.ppt

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温度梯度，/m或K/m；:热导率热导率，W/(m)或W/(mK)。引入引入负号表示热流方向与温度梯度方向相反（热流量从高温向低温)。tt+tt-tx图：热流方向与温度梯度Q（4-2a)依靠物体内自由电子运动或分子原位振动，从而导致热量的传递，即热传导。热传导服从傅里叶定律。傅里叶定律（2）q:单位时间、单位面积所传递的热量，叫做热量通量，也称热流密度,W/m2。傅里叶定律的另一表达：热量通量与温度梯度成正立。（4-2b)q:热导率热导率，单位位为W/(m)或W/(mK)q物性参数，物性参数，标志物志物质导热性能；性能；越大，越大，导热性能越好。性能越好。q影响因素：影响因素：=f(材料，结构，温度，湿度，压强材料，结构，温度，湿度，压强)；q来源：实验方法测定，或查有关手册中查得。表：表：物质热导率的大致范围物质热导率的大致范围热导率物质种类物质种类 热导率热导率(W/(m*K)纯金属20400金属合金10130建筑材料0.22.0液体0.10.7绝热材料0.020.2气体0.010.6加热或冷却换热保温直接混合式蓄热式间壁式热传导传热辐射对流傅里叶定律热导率传热速率机理应用如何将傅立叶定律用于热传导的定量计算如何将傅立叶定律用于热传导的定量计算？通过平壁的稳定热传导（1）假设：假设：(1)A大，b小；(2)材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。通过平壁的稳定热传导（2）傅里叶定律：边界条件为：分离变量分离变量(4-2a)积积分分(4-3a)通过平壁的稳定热传导（3）（4-3a)热推动力热推动力热阻力热阻力单位：单位：K单位：单位：W-1 K类比类比（4-3b)通过平壁的稳定热传导（4）（4-3a)（4-3b)合比定律合比定律思考题：哪一层的热阻更大？哪一层热导率更大？通过平壁的稳定热传导（5）通过三层平壁热传导：通过三层平壁热传导：通过两层平壁热传导：通过两层平壁热传导：通过通过n层平壁热传导：层平壁热传导：(4-5)通过平壁的稳定热传导（6）R1R2R3U1U2U3U4I类比：（4-5)通过通过n层平壁热传导：层平壁热传导：通过平壁的稳定热传导:学以致用标准件（石棉）测试件（玻璃）加热面加热面冷却面冷却面绝绝热热层层绝绝热热层层12t1t2t3已知已知:标准件（石棉）：标准件（石棉）：1 1=16mm,=16mm,1 1=0.151W/(m*K)=0.151W/(m*K)测试件（玻璃）测试件（玻璃）：2 2=16mm=16mm稳定后：稳定后：t1 1=47.5,=47.5,t2 2=23,=23,t3 3=18=18 求：求：2 2=？解：W/(m*K)W/(m*K)解题思路：这是通过两层平壁的稳定热传导问题。解题思路：这是通过两层平壁的稳定热传导问题。传热速率为：则玻璃的热导率为：图：比较法测定材料导热系数的装置拓展：拓展：其它测试方法？其它测试方法？工业上常见的传热面类型平壁圆筒壁球壁不规则壁如何将傅立叶定律应用于如何将傅立叶定律应用于其它形状的传热面？其它形状的传热面？圆筒壁的稳定热传导（1）r1r2r3r4t1t2t3t4123r1r2r3r4b1b2b3321t1t2t3t4图：多：多层圆筒壁的筒壁的热传导傅里叶定律r1r2r3r4b1b2b3321t1t2t3t4圆筒壁的稳定热传导（2）边界条件（4-6a)积积分分分离变量圆筒壁的稳定热传导（3）（4-6a)r1r2r3r4b1b2b3321t1t2t3t4热推动力热推动力热阻力热阻力单位：单位：K单位：单位：W-1 K圆筒壁的稳定热传导（4）（4-6a)r1r2r3r4b1b2b3321t1t2t3t4合比定律合比定律圆筒壁的稳定热传导（5）r1r2r3r4b1b2b3321t1t2t3t4通过两层圆筒壁热传导：通过两层圆筒壁热传导：（4-6c)通过通过n层圆筒壁热传导：层圆筒壁热传导：例例 在在一一 603.5603.5mmmm的的钢钢管管外外层层包包有有两两层层绝绝热热材材料料，里里层层为为4040mmmm的的氧氧化化镁镁粉粉，平平均均导导热热系系数数=0.07W/m=0.07W/m，外外层层为为2020mmmm的的石石棉棉层层，其其平平均均导导热热系系数数=0.15W/m=0.15W/m。现现用用热热电电偶偶测测得得管管内内壁壁温温度度为为500500，最最外外层层表表面面温温度度为为8080，管管壁壁的的导导热热系系数数=45W/m=45W/m。试试求求每每米米管管长长的的热热损损失失及及两两层层保保温温层层界界面面的的温温度。度。圆筒壁的稳定热传导：例4-2r1r2r3r4b1b2b3321t1t2t3t4氧化镁粉层氧化镁粉层钢管钢管石棉层石棉层2 2=0.07W/m=0.07W/m1 1=45 W/m=45 W/m3 3=0.15W/m=0.15W/mr1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09mt t1 1=500=500t t4 4=80=80解：每米管长的热损失解：每米管长的热损失圆筒壁的稳定热传导：例4-2r1r2r3r4b1b2b3321t1t2t3t4氧化镁粉层氧化镁粉层钢管钢管石棉层石棉层2 2=0.07W/m=0.07W/m1 1=45 W/m=45 W/m3 3=0.15W/m=0.15W/mr1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09mt t1 1=500=500t t4 4=80=80解题思路：求每米管长的热损失，实为通过多层圆筒壁的热损失，可以使用4-6c的变形。保温层界面温度保温层界面温度t t3 3解得解得 t t3 3=131.2=131.2 圆筒壁的稳定热传导：例4-2r1r2r3r4b1b2b3321t1t2t3t4氧化镁粉层氧化镁粉层钢管钢管石棉层石棉层2 2=0.07W/m=0.07W/m1 1=45 W/m=45 W/m3 3=0.15W/m=0.15W/mr1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09mt t1 1=500=500t t4 4=80=80解题思路：求保温层界面温度t3，需要构造关于t3的关系式求t3的其它方法？加热或冷却换热保温直接混合式蓄热式间壁式热传导传热辐射对流傅里叶定律热导率平壁、圆筒壁传热速率机理应用对流传热如何计算？对流传热如何计算？TTWttW牛顿冷却定律式中 Q 对流传热速率，W；tw壁温，；t 流体平均温度，；A 传热面积，m2；对流传热系数，W/(m2)。主要是对流传热系数主要是对流传热系数的计算。的计算。牛顿冷却定律：固体对流体的给热传热速率(Q)，与壁面积成正比，与壁面和流体间的温度差(t-tw)成正比。（4-8)简化模型：有效膜（虚拟膜）：集中全部温差，以热传导方式传热1理论分析法：2实验方法*：3类比方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。对流传热系数的获得主要有三种方法：对流传热系数的因次分析(1)因次分析因次分析f(u，d，cp，gt)基本因次：长度L，时间T，质量M，温度变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。实验测定值因数多因次分析方法无因次数群再实验确定关系对流传热系数的因次分析(2)准数名称准数名称 符号符号 准数式准数式意意义努塞努塞尔特准数特准数NusseltNu d/表示表示对流流传热系数的准数系数的准数雷雷诺准数准数ReynoldsRedu/确定流确定流动状状态的准数的准数普普兰特准数特准数PrandtlPrcp/表示物性影响表示物性影响的准数的准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数GrashofGr gtd3 2/2表示自然表示自然对流流影响的准数影响的准数强制对流强制对流对流传热系数的经验关联式(1)无相变强制对流自然对流管内管外垂直流过管束列管换热器管间无限大空间有限大空间湍流层流过渡流直管非圆管弯管短管粘度修定相变对流传热对流传热系数对流传热系数 的经验关联式的经验关联式(2)(2)流体被加热时，n0.4；被冷却时，n0.3。适用范围：Re=1041.21050.7Pr602mPa.s,或/水2圆管内湍流对流传热系数关联式对流传热系数的经验关联式(3)q高黏度流体式中，若流体为气体，则若流体被加热，则若流体被冷却，则q过渡流（4-9b)（4-9c)使用对流传热系数关联式的注意事项应用范围应用范围u只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。定性温度定性温度 u一般取流体进，出口温度的算术平均值作为定性温度；一般取流体进，出口温度的算术平均值作为定性温度；u高粘度流体用壁温作粘度定性温度。高粘度流体用壁温作粘度定性温度。特征尺寸：特征尺寸：u一般选取对传热起决定作用的几何因素一般选取对传热起决定作用的几何因素u管内流动，取管内径作为特征尺寸管内流动，取管内径作为特征尺寸u管外的流动取管外径作为特征尺寸，等等。管外的流动取管外径作为特征尺寸，等等。入口效应入口效应u管内对流传热还与流体的入口效应有关管内对流传热还与流体的入口效应有关例4-4：空气以4m.s-1的流速通过一75.5mm3.75mm的钢管，管长20m。空气入口温度为305K，出口温度为341K，试计算：1）空气与管壁间的对流传热系数。2）如空气流速增加一倍，其它的条件均不变，对流传热系数又为多少？判断流型、适判断流型、适用范围用范围选择合适的关选择合适的关联式联式其它物理参数对对流传热系数带来的影响？物理参数对对流传热系数带来的影响分析式中各项物理参数对对流传热系数带来的影响：其他参数一定，与u的0.8次方成正比，说明增大流速有利于的提高，但随u，阻力hf，故应适当增大动力。其它参数一定，u一定，与d的0.2次方成反比，改变管径对的影响不大。其它参数一定，V一定，与d的1.8次方成反比，改变管径，缩小管径将使。对流传热系数的大致范围：对流传热系数的大致范围：过程过程 /W/(m2)自然对流空气525水2001000强制对流空气30300水10001500中山大学化工原理(化工基础)两流体间稳定传热过程电子课件化学原理第4章传热1.热量衡算2.总传热速率方程twTw管内对流管内对流管外对管外对流流导热导热冷冷流流体体热热流流体体tTdQdQ1dQ3dQ2单一的导热定律与对流单一的导热定律与对流传热定律无法解决传热定律无法解决传热推动力在变化，如传热推动力在变化，如何表示？何表示？通过平壁：通过平壁：通过圆筒壁：通过圆筒壁：(4-6a)(4-3a)Am:对数平均面积对数平均面积dm:对数平均直径对数平均直径管内对流管内对流 管外对流管外对流 管壁热传导管壁热传导稳态传热稳态传热(4-10a)K1称为基于内表面的总传热系数(4-12)(4-13a)(4-13b)(4-11)(4-14)对数平均温度差对数平均温度差基于基于内表面内表面的传热速率方程式的传热速率方程式对数平均温度差t2t1T1T2t1t2T1T2 t2tAt1T2T1逆流逆流 t2tAt1T2T1并流并流 t1=T1-t2 t2=T2-t1 t1=T1-t1 t2=T2-t2 注意：注意：（1）对于于变温温传热，平均温度差是，平均温度差是换热器器进、出口、出口处两两侧流体温度差流体温度差t1和和 t2的的对数数平均平均值，故称，故称为对数平均数平均温度差温度差。（2）此式）此式对各种各种变温温传热都适用都适用。当一。当一侧变温另一温另一侧流流体恒温体恒温时，不，不论并流或逆流，两种情况的平均温度差相并流或逆流，两种情况的平均温度差相等；当两等；当两侧流体流体变温温传热时，并流和逆流，并流和逆流时的平均温度的平均温度差差则不同。不同。（3）计算算时需注意，常取两端温度差中需注意，常取两端温度差中大者作大者作为t1，小者作小者作为t2，以使式中分子与分母都是正数。，以使式中分子与分母都是正数。（4）当）当t1/t2 非相变若12，要强化传热，必须同时增大1和2，否则只增加一侧流体的对流给热系数，强化效果均不明显。忽略间壁的导热热阻中山大学化工原理(化工基础)辐射传热辐射传热电子课件化学原理第4章传热辐射传热p辐射传热：以电磁波的形式进行热量传递。p黑度():某物体吸收辐射能的能力与黑体吸收辐射能的能力之比。qRqDqANqqANq吸收率：吸收率：灰体灰体黑体黑体辐射能力p辐射能力辐射能力(E)：物体在一定温度下，单位表面积、单物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的位时间内所发射的全部辐射能全部辐射能(波长从波长从0到到),W/m2p黑体黑体p灰体灰体斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律：波尔茨曼定律：黑体的辐射能力黑体的辐射能力E0与热与热力学温度的四次方成正比。力学温度的四次方成正比。（4-16）C0为黑体的辐射系数，其为黑体的辐射系数，其数值为数值为5.669 W m-2 K-4四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感（4-17）传热速率p传热速率：C1-2:辐射系数，与相对位置有关；：角系数，与投影角度有关；A:基准传热面积，亦与相对位置有关；T1,T2:热、冷物体的温度，K.（4-18）一热表面（下标1）被另一更大冷表面（下标2）所包围对于两个大而近的平面：一表面被另一无限大冷表面所包围：（4-19a）（4-19b）（4-19c）影响辐射传热的主要因素1.温度的影响温度的影响 T4；低温可忽略，高温可能成为主要方式；低温可忽略，高温可能成为主要方式2.几何位置的影响几何位置的影响3.表面黑度的影响表面黑度的影响 ，可通过改变，可通过改变 大小强化或减小辐射传热大小强化或减小辐射传热4.辐射表面间介质的影响辐射表面间介质的影响减小辐射散热，在两换热面加遮热板（减小辐射散热，在两换热面加遮热板（小热屏）小热屏）例4-8【例4-8】车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门，温度为227。室内温度为27。为了减少损失，在炉门前50mm处放置一块尺寸和炉门相同而黑度为0.11的铝板，试求放置铝板前、后因辐射而损失的热量。已知铸铁黑度为0.78。解题关键：找准应用的公式解题关键：找准应用的公式3m3m房间的面积远远比炉门大，房间的面积远远比炉门大，属于很大的物体（房间）属于很大的物体（房间）包住较小物体（炉门）的包住较小物体（炉门）的情况，用情况，用4-19C2.房间的面积远房间的面积远远比铝板大，属远比铝板大，属于很大的物体于很大的物体（房间）包住较（房间）包住较小物体（铝板）小物体（铝板）的情况，用的情况，用4-19C放放置置铝铝板板前：前：放放置置铝铝板板后：后：1.炉门和铝板属炉门和铝板属于大而近的两个于大而近的两个平面，面积相等，平面，面积相等，用用4-19B3.稳定传热时，炉稳定传热时，炉门对铝板辐射的热门对铝板辐射的热量等于铝板向房间量等于铝板向房间辐射的热量辐射的热量例4-8以下标1、2和i分别表示炉门、房间和铝板。（1）放置铝板前因辐射损失的能量。本题属于很大的物体（房间）包住物体（炉门）的情况，由式(4-19c)得例4-8(2)放置铝板后放置铝板后,假定铝板温度为假定铝板温度为Ti，则铝板向房间辐射的热量属于很大的，则铝板向房间辐射的热量属于很大的物体物体（房间）（房间）包住物体包住物体（铝板）（铝板）的情况，由式的情况，由式(4-19c)得得：炉门对铝板的辐射传热属于大而近的两个平面，面积相等，由炉门对铝板的辐射传热属于大而近的两个平面，面积相等，由4-19B得得当传热达到稳定时，当传热达到稳定时，qi-2=q1-i，即，即（1）（2）例4-8将Ti代入(2)式，求得：放置铝板后因辐射的热损失减少百分率为：或代入(1)式可见，设置隔热挡板是减少辐射散热的有效办法。加热或冷却换热保温直接混合式蓄热式间壁式热传导传热辐射对流傅里叶定律热导率平壁、圆筒壁牛顿冷却定律牛顿冷却定律对流传热系数圆管内湍流斯蒂芬-玻尔兹曼定律总传热系数Ki对数平均温度差传热速率机理应用强化传热总传热速率热量衡算第四章小结例4-5长度长度面积面积基准？基准？解题思路：解题思路：长度长度面积面积基准？基准？373373293333t1t2基于管内表面A1：例4-5解题思路：解题思路：长度长度面积面积基准？基准？373373293333t1t2基于管外表面A2：基于管内表面和管外表面计算结果一致。例4-5解题思路：解题思路：例4-6面积面积基准？基准？qm Q解题思路：解题思路：例4-6面积面积基准？基准？qm Q78782040t1t2例4-10例4-10：蒸汽管道104mm4mm,包扎有两层隔热材料，一层为保温砖1=0.15W/(m*K)，一层为建筑砖2=0.69W/(m*K)。每层均厚50mm。说明在本题条件下，哪种材料包扎在内层较为合适。r1r2r3解解题思路思路圆筒壁筒壁稳定定热传导计算算多多层圆管的管的传热速率速率计算算例4-10蒸汽管道104mm4mm,包扎有两层隔热材料，一层为保温砖1=0.15W/(m*K)，一层为建筑砖2=0.69W/(m*K)。每层均厚50mm。说明在本题条件下，哪种材料包扎在内层较为合适。隔热性能好的隔热性能好的保温砖包扎在保温砖包扎在内层更好。内层更好。r1r2r3解：如图所示，当内层为保温砖，外层为建筑材料时，当内层为建筑材料，外层为保温砖时，例4-11K2K2AR2QK2K2R2思路：思路：K2K2R2思路：思路：1341342080t1t21341342070t1t2思路：思路：K2K2R2