第五章 传热(修改稿)
化工原理 第五章 传热
对流传热 ?自然对流 ? ?强制对流
牛顿冷却定律: Q 牛顿冷却定律:
发生在 流体内部 流体 有宏观位移
= αA(t 1 ? t 2 )
对流传热系数或给 热系数, 热系数,W/m2?K 《化工原理》电子教案/第五章 化工原理》电子教案/
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《化工原理》电子教案/目录 化工原理》
目录
第三节 对流传热
一、实验法求α 实验法求α 二、各种情形下的α经验式 各种情形下的α
(一)无相变 1、管内层流 2、管内湍流 3、管外强制对流 4、自然对流 (二)有相变 1、冷凝 2、沸腾
对流传热系数小结 α的数量级
t1 ? t 2 t1 ? t 2 Q= = ln r2 r1 (r2 ? r1 ) 2πLλ (r2 ? r1 ) ln r2 r1 2πLλ
r2 ? r1 令rm = 对数平均半径 对数平均半径 ln r2 r1 r2
当
三种平均的比较
t
r1
3
=
i
λ i Ami
总推动力 总热阻
教材更正: 教材更正:
b1
b2 b3
P141例5-4中每米管长的热损失计算式左边应 例 中每米管长的热损失计算式左边应 为Q,不应为 ,不应为Q/L,单位应为 ,不应为 ,单位应为W,不应为W/m。 。
推动力 Q = qA = 对每一层均有: 对每一层均有: 热阻
Q= t ?t t ?t t1 ? t 2 = 2 3 = 3 4 b1 λ1 A b2 λ2 A b3 λ3 A t1 ? t 4
t t2 t3 t4
t1
Q
和比定理
∑b
FE第五章 传热
Φ , q ,T f x , y , z
非稳态传热
T 0 t
传热过程中,如果传热系统中各处温度及有关物理量 (如 Φ 、q等)随时间而变,称此过程为不稳定传热过程。 工业生产上间歇操作的换热设备和连续生产时设备的开工 和停工阶段,为非稳态传热。
Φ , q ,T f x , y , z , t
对上式积分,积分限为:
T T1
T2
T1
λdT qdx
0
δ
λ取一平均值,视为常 数。积分得:
q dx δ
T2
λ ΔT q T1 T2 δ δ/ λ
ΔT Φ qA δ λA
热阻R, K/W; oC/w
x
5.3A 通过单层平壁的稳态导热
t1 t 2 λ可取平均值: f 2 or 1 2 m 2
热流体 冷流体
冷流体 图4-1 直接接触式换热器 实例:冷却塔、气压冷凝器
(1)混合式换热器
(2)蓄热式
冷流体 热流体
蓄热式换热器利用冷热两种流体交替通 过换热器内的同一通道而进行热量传递。
结构较简单,温度较高 的场合,但设备体积庞 大,有交叉污染,温度 波动大
热流体
冷流体
局限:不能用于两流体不允许混合的场合。
第一节 传热概述
3.回收余热、废热,充分利用能量。
5-1 传热的基本概念
1.传热基本方式
(1)热传导(conduction)
因为分子的微观振动,热量从高温物体 流向与之接触的低温物体,或同物体内 高温部分向低温部分进行的热量传递过 程称为导热,也称为热传导。
热传导的机理:分子振动 自由电子迁移
《食品工程原理》第五章 传热
传热
Heat Transfer
第一节 传热概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 热交换 第五节 辐射传热
.
第一节 传热概述
5-1 传热的基本概念
1.传热基本方式
(1)热传导(conduction)
当物体内部或两直接接触的物体间有温度差时, 温度较高处的分子与相邻分子碰撞,并将能量的 一部分传给后者。
G P r 6 r .1 2 6 0 0 6 .4 7 .0 1 4 60 3
查表5-3 a = 0.53, m = 1/4
Nu=a(Pr·Gr)m
N u aL 0. 5(3 4 .1 460 )3 1/ 424.3 λ
αN λ u 24 0.3 .0 7 3.04 W 512/K (m ) L 0.1
δ1
δ2
.
本次习题
p.195
2. 5.
.
5-4 通过圆筒壁的稳态导热
5.4A 通过单层圆筒壁的稳态导热
Φλ2πrLdT
dr
Φ 2π
r2
Lr1
drλT2
r
T1
dT
Φ
2πLλ
lnr2 (T1
T2
)
r1
令
rmΦ rl2n2δ π rr12r1 m/rLλ T1T δln2rr12r2rδrm1
令 Am 2π rm L
.
M 3 Θ 1 L 1 a L T b M T 1 T 1 c M 3 Θ L 1 d M 3 L e L 2 T 2 Θ 1 f L L T 2 g
按因次一致性原则
对质量M 1 = c + d + e 对长度L 0 = a + b – c + d – 3e + 2f + g
传热学-第五章 对流换热(Convection Heat Transfer)
[ ] qw,x
=
−λ⎜⎜⎝⎛
∂t ∂y
⎟⎟⎠⎞w , x
W m2
注意和第三类边 界条件的区别
根据牛顿冷却公式
[ ] qw,x = hx (tw -t∞ ) W m2
根据能量守恒
对流换热过程 微分方程式
[ ] hx
=
−
tw
λ
− t∞
⎜⎜⎝⎛
∂t ∂y
⎟朝下
自然对流
(5) 流体的热物理性质
热导率 λ [w/(m℃)]
比热容 c [J/(kg℃)]
密 度 ρ [kg/m3]
动力粘度 η [Ns/m2] 运动粘度 ν =η/ρ [m2/s] 体积胀系数 α [1/K]
α
=
1 ⎜⎛ v⎝
∂v ∂T
⎟⎞ ⎠p
=
−
1
ρ
⎜⎛ ⎝
∂ρ
∂T
⎟⎞ ⎠p
λ↑ ⇒ h↑流体内部和流体与壁面间导热热阻小
第五章 对流换热(Convection Heat Transfer)
§5-1 对流换热概说
1. 对流换热的定义和性质
定义:对流换热是指 流体流经固体时流体 与固体表面之间的 热量传递现象。
对流换热与热对流不同,既有热对流,也有导热;不是 基本传热方式 对流换热实例:(1) 暖气管道; (2) 电子器件冷却;(3) 换热器
ρ、c↑ ⇒ h↑单位体积流体能携带更多能量
η ↑ ⇒ h↓有碍流体流动、不利于热对流 α ↑ ⇒ h↑自然对流换热增强
综上所述,表面传热系数是众多因素的函数:
h = f (u, tw , tf , λ, cp , ρ, α ,η, l )
对流换热分类小结
第五章 传热
液体被加热时,(/w)0.14=1.05,液体被冷却时,(/w)0.14=0.95
16
2. 圆直管强制滞流
Nu=1.86(RePrdi/l)1/3(/w)0.14 定性温度、定性尺寸和 (/w)0.14的处理同上 3. 圆直管过渡流
先按湍流计算,然后乘以校正因数
j=1-6×105/Re1.8<1
流体垂直流过单管时表面传热系数的变化
19
Nu=CRenPr0.4
Re 50~80 80~5000 ≥5000 C 0.93 0.715 0.226 n 0.4 0.46 0.6
2. 流体垂直流过管束 Nu=CeRenPr0.4 C、e、n的值由下表确定:
20
列序 1 2 3 4
直列 n 0.6 0.65 0.65 0.65
2
Pr
c p l
三、流体无相变对流表面传热系数的关联式
(一)流体在管内强制对流时的对流传热系数 1.流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 Nu=0.023Re0.8Prn 定性温度:流体进出口温度的算术平均值 定性尺寸:管内径 流体被加热时,n=0.4 流体被冷却时,n=0.3 对高粘度流体(粘度大于水粘度的2倍),用: Nu=0.027Re0.8Pr1/3(/w)0.14 定性温度:流体进出口温度的算术平均值 定性尺寸:管内径
E Et
Et:透过的能量
E:被反射的能量
33
由能量衡算:
Ea E Et E
Ea E
E E
Et E
1
a t 1
几种物体的定义:
黑体
镜体
a=1 =0 t=0 →例:黑煤a=0.97
a=0 =1 t=0 →例:磨光的铜镜面=0.97 t=0 a+=1
第五章传热
第五章传热主要内容:热量传递基础;传热过程的计算;传热设备。
重点内容:傅里叶传导定律;牛顿冷却对流传热定律;传热过程基本方程;换热器的计算;管壳式换热器的设计和选用。
难点内容:传热过程基本方程。
课时安排:20第一节概述一、传热过程由热力学第二定律可知,凡有温度差存在的地方,就必然有热量的传递。
化学工业与传热密切相关,化工生产过程中许多单元操作都需要加热和冷却。
化工生产中进行传热操作的目的——1.料液的加热和冷却,为达到反应所需的温度;2.为维持反应温度,需不断输入或输出热量;3.许多单元操作需输入或输出热量;4.化工设备的保温;5.生产过程中热能的综合利用及废热的回收。
化工生产对传热过程的要求:1.强化传热——要求传热速率高,降低设备成本;2.削弱传热——可减少热损失。
二、传热的基本方式(传热机理)传热原因——传热推动力(温度差)传热方向——在无外功输入时,由热力学第二定律,热流方向由高温处向低温处流动。
传热的三种基本方式:1.热传导——物体内部或两个直接接触物体之间的传热方式。
金属导体—自由电子运动不良导体,大部分液体—温度高的分子振动,与相邻分子碰撞,造成的动量传递。
气体—分子无规则运动热传导是静止物体内的一种传递方式,没有物质的宏观位移。
2.对流传热——是指流体由质点发生相对位移而引起的热交换。
对流传热仅发生在流体中,所以与流体的流动方式密切相关。
自然对流——质点位移是由于流体内部密度差引起的,使轻者浮,重者沉;强制对流——质点运动是由外力作用所致。
对流传热同时伴有热传导,事实上无法将其分开——又称给热。
化工中所讨论的给热,都是指流体与固体壁面之间的传热过程——间壁式换热3.热辐射——是一种通过电磁波传递能量的过程任何物体,只要在0K 以上都能发射电磁波,而不依靠任何介质,当被另一物体接收后,又重新变为热能。
热辐射不仅是能量转移,也伴随着能量形式的转移。
三、间壁式换热1. 间壁式换热过程—由对流、导热、对流三过程串联而成(1)热流体以对流方式将热量传递到间壁一侧; (2)热量以导热方式通过间壁; (3)热量以对流方式传至冷流体。
传热学第五章_对流换热原理-1
Velocity = v Velocity = 0
Velocity Temperature
Boundary Boundary
Layer
Layer
HOT SURFACE, TEMP = TH
3. 热边界层厚度δt和流动边界层厚度δ的区 别与联系
(2) 边界层产生原因:
由于粘性的作用,流体与 壁面之间产生一粘滞力, 粘滞力使得靠近壁面处的 速度逐渐下降,最后使壁 面上的流体速度降为零, 流体质点在壁面上产生一 薄层。随着流体的流动, 粘滞力向内传递,形成的 薄层又阻碍邻近流体层中 微粒运动的作用,依此类 推,形成的薄层又阻碍邻 近流体层微粒运动,到一 定程度,粘滞力不再起作 用。
➢ 如果流体为粘性流体,情况会如何呢?我们用一测速仪来 测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上,即y 方向上,壁面上速度为零,随着y方向的增加,流速急剧 增加,到达一薄层后,流速接近或等于来流速度,普朗特 研究了这一现象,并且在1904年第一次提出了边界层的概 念。
普朗特在仔细观察了粘性流体流过固体表面的特性后提出了 突破性的见解。他认为,粘滞性起作用的区域仅仅局限在 靠近壁面的薄层内。在此薄层以外,由于速度梯度很小粘 滞性所造成的切应力可以略而不计,于是该区域中的流动 可以作为理想流体的无旋流动。这种在固体表面附近流体 速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层(又称速度边界 层).图5—5示出了产生流动边界层的两种常见情形。如 图5—5a所示,从y=o处u=0开始,流体的速度随着离开 壁面距离y的增加而急剧增大,经过一个薄层后u增长到接 近主流速度。这个薄层即为流动边界层,其厚度视规定的 接近主流速度程度的不同而不同。通常规定达到主流速度 的99%处的距离y为流动边界层的厚度,记为δ 。
第五章-传热学
h
' h,x
' h,y
cpuxtvytdxdy
8
单位时间内微元体热力学能的增加为
dU
d
cp
t
dxdy
于是根据微元体的能量守恒
h
dU
d
可得
2t x2
2t y2
dxdy
cpuxtvytdxdy
cp
t
dxdy
cptux tvy ttu xv y
2t x2
2t y2
2
20
cp
uxt
v t y
=
2t x2
2t y2
1
11 1
1
2
1 1
1
2
对流换热微分方程组简化为
h t tw tf y w
u v 0 x y
简化方程组只有4个方
程,但仍含有h、u、v、 p、t 等5个未知量,方
程组不封闭。如何求解?
uuxvuy1ddpxy2u2
u t x
v t y
26
第六节 相似理论基础
相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对流换 热问题的可靠方法。
相似原理回答三个问题: (1)如何安排实验? (2)如何整理实验数据? (3)如何推广应用实验研究结果?
一、 相似原理的主要内容
1.物理现象相似的定义 2.物理现象相似的性质 3.相似特征数之间的关系 4.物理现象相似的条件
三、解的函数形式——特征数关联式
特征数是由一些物理量组成的无量纲数,例如毕 渥数Bi和付里叶数Fo。对流换热的解也可以表示成 特征数函数的形式,称为特征数关联式。
通过对流换热微分方程的无量纲化可以导出与对 流换热有关的特征数。
化工原理(第五章传热)好
根据换热器总热量恒算式
T 1 T 2 Q W 1C p1 1
1 W 2C p 2
t 2 t1 Q
两式相减 m T 1 t 2 T 2 t 1 Q
T 1 t 2 T 2 t 1 Q KA
ln T 1 t 2 T 2 t1
吉 首 大 学
K称为传热系数 对于平壁,有
流体通过间壁的热量交换
Q = KA(T-t) = KA△T
对于圆筒壁,有
化 工 原 理 Q =2πl(T- t)/( 1 a1d1 + b
λdm
+
1
a2d2
)
换热器标准规定,换热面积以管外径计算,故有 1 bd 1 d1 /( ) = KA1△T 2πd l ( T - t ) Q= 1 + + a1 λdm a2d2 1 bd1 d1 其中: K= 1/( ) + + a1 λdm a2d2 当管较薄或管径较大时,d1、d2、dm相差为大,为了简化 计算,可按平壁处理,面积以管外径计算,则有 1 b 1 A (T - t) /( ) = KA1△T Q= 1 + + a1 a2 λ 1 b 1 其中: K= 1/( ) + + a1 a2 λ
第五章 传 热
Chapter 5 Heat Transfer
第一节 概述(Introduction)
化 工 原 理 化工生产的传热问题 化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质,而 这些性质的变化都涉及热能的传递。 化学反应:向反应器提供热量或从反应器移走热量; 蒸发、蒸馏、干燥:按一定的速率向这些设备输入热量;
吉 首 大 学
获取 K 的另外两种途径
5传热(中职中技)
2、一杯牛奶,放在水里比摆在桌子上要冷得快,为什 么?
水的传热速率快些
在温度差的驱动下,通过分子相互碰撞、分子振动、电子的迁移传递 热量的过程--导热
热传导机理 液体:分子间作用力较强,由相邻分子振动导致热传递 固体:相邻分子的碰撞或电子的迁移。 气体:温度不同的相邻分子相互碰撞,造成热量传递。
冷凝传热:排除不凝气体;阻止液膜形成减薄 液膜厚度;减少垂直方向上管排的数目。 沸腾传热:加大传热面粗糙程度;加入添加剂 (如乙醇、丙酮等)。
小结: 1.有相变时的对流传热 系数。 2.提高对流传热系数的 措施
作业:
1.蒸汽冷凝方式有
和
。
对流传热系数更大,但
冷
凝在工业上更容易控制,被经常使用。
高于0K的物质都有热辐射 物体温度↑,热辐射能力↑
三、工业生产上的换热方法
1.直接接触式换热 适用于允许两股流
体直接接触混合的场 合。
2.蓄热式换热 操作时冷、热流体交替地流过蓄热室。
3.间壁式换热 适用于两股流体间
需要进行热量交换而又 不允许直接相混的场合。
1、热力学第二定律说明传热的推动力是
的壁面直接接触。
一般换热器冷凝按膜状冷凝考虑冷凝的传热系 数一般都很大。
当蒸汽中有空气或其他不凝气体存在时,则在 壁面上生成一层气膜。由于气体热导率很小, 使传热系数明显下降。
如蒸汽中不凝性气体的含量为1%时,可降低 60%左右。因此能冷凝器装有放气阀。及时排 出不凝性气体 。
液体沸腾是指在液体的对 流传热过程中,伴有由液相 变为气相,即在液相内部产 生气泡或气膜的过程。
3.热辐射Radiation
辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。 物体发射电磁波,在红外、可见光范围内具有热效应。
传热学第五章
h Atw t
以后除非特殊声明外,我们所说的对流换热系数皆指平均对流换
热系数,以 h 表示.
h(x)规律说明
Laminar region
x (x) h (x) 导热
Transition region
扰动
h(x)
Turbulent region
湍流部分的热阻很小,热阻主要集中在
粘性底层中.
2.按有无相变分
单相介质传热:对流换热时只有一种流体.
相变换热:传热过程中有相变发生.
物质有三态,固态,液态,气态或称三相.
相变换热有分为:
沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时发生 的换热.
凝结换热:(condensation heat transfer)物质由气态变为 液态时发生的换热. 熔化换热(melting heat transfer) 凝固换热(solidification heat transfer) 升华换热(sublimation heat transfer) 凝华换热(sublimation heat transfer )
由上述分析可见,边界层控制着传热过程,故一些研究人员试图通过
破坏粘性底层来达到强化传热的目的,并取得了一些成果.
二、边界层微分方程组.
牛顿流体(Newtonian fluid),常物性,无内热源,耗散不计,稳态,
二维,略去重力.
完性分析已知:u,t,l 的量级为0(1) , t 的量级为0()
以此五个量为分析基础。
2.动量方程(momentum equation)
u v 0 x y
u
u
u x
v
u y
Fx
p x
化工原理(第五章传热第五节)
吉 首 大 学
流体在管束外横掠流动
化 工 原 理 由于各排的给热系数不同,则整个管束的平均给热系数应按 下式求出: a1A1+ a2A2 + a3A3 + … am = A1+A2 + A3 + … 式中:A1、A2、A3……分别为第一排,第二排,第三排…… 的传热面积; a1 、 a2 、 a3……分别为第一排,第二排,第三排…… 的传热系数。
d A2 π d 2dl d 2 = = d Am π d mdl d m
吉 首 大 学
1 = d2 + b d2 + 1 a2 a1 d1 λ dm K2
当间壁为平壁,或管壁很薄或管径较大时,dA1 、dA2 、dAm 和 dA 相等或近似相等,则: 1 = 1 + b + 1 a2 a1 λ K2
Q QR
Q A + QR + QD = Q Q A QR QD + + =1 Q Q Q
QA
吉 首 大 学
QD
A+ R + D =1
A、R 和 D 分别为物体吸收率、反射率和透过率。 单色吸收率、反射率和透过率
a(λ , T ) + r (λ , T ) + d (λ , T ) = 1
基本概念
化 工 原 理 黑体(绝对黑体):能将辐射能全部吸收的物体,即 A=1, R=D=0。自然界中并不存在绝对黑体,例如没有光泽的黑墨 表面,其吸收率 A=0.96~0.98,定义黑体的目的是为了在计 算中确定一个比较的标准。 镜体(绝对白体):能将辐射能全部反射的物体,即 R=1, A=D=0。自然界中也不存在绝对镜体,例如表面抛光的铜, 其反射率 R=0.97。 0.97 透热体:辐射能全部透过的物体,即D=1, A=R=0。例如对 称双原子气体 O2、N2、H2 等都是透热体。 灰体:能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。灰 体也是理想物体,其特点为:吸收率 A 与波长无关;为不透 热体 (A+R=1)。工业上常见的固体材料均可视为灰体。
化工原理讲稿(中国石油大学)第五章 传热3
热流体放出热量: Q1 m1[ 1 c p ,1 T1 T2 ] 冷流体吸收热量: Q2 m2 [ 2 c p , 2 t 2 t1 ] 能量守恒: Q1=Q2+Qf
Qf=0
Q1=Q2
第五节 两流体间的传热计算
例: 在一套管换热器中,用冷却水将1.25kg/s的
第五节 两流体间的传热计算
四、 总传热系数K
总传热系数 K 综合反映传热设备性能,流动状况和流体物 性对传热过程的影响。
物理意义:
Q K A t m
表征间壁两侧流体传热过程的强弱程度。 K = f(流体物性、操作条件、换热器本身特性等)
第五节 两流体间的传热计算
㈠ 传热系数K 的确定方法
T t m Q
1 K x Ax
推动力 阻力
--传热速率方程式
Q K x Ax T t m
第五节 两流体间的传热计算
1 1 1 K x A x i Ai Am o Ao
平壁:Ai=Am=Ao
Q = K· A· △tm
圆筒壁:Ai≠Am≠Ao
Q = Ki· Ai· △tm= Km· Am· △tm =Ko· Ao· △ tm
1 1 Ko o
Ko o
若αo >>αi,1/αo可忽略,此时有:
1 1 Ki i
Ki i
第五节 两流体间的传热计算
结论:
称1/αo 或1/αi 称为控制热阻,即α小一侧的热阻对传热起决定性作用, 如水蒸汽和空气换热;
当存在控制性热阻时,K 值总是接近α小的值; 当存在控制性热阻,壁温(Tw、tw)总是接近于α大的流体主体温度 欲有效提高 K 值,应采取措施提高控制性热阻侧的α。
化工原理课件第五章 传热
温度场的通式
温度场的通式:
t f x, y, z,
式中: t —— 某点的温度,k;
X,y,z —— 这点的空间坐标;
θ —— 时间,s。
若在稳定温度场中, 表示式为:
t f x, y, z
稳定温度场和不稳定温度场
(1)不稳定温度场 —— 温度随时间而改变 的温度场,称为:不稳定温度场 。
称为:传热速率,用Q表示,单位:J/s, 即w(瓦)。
(三)辐射
1、辐射——是一种以电磁波传递能量的现象。 物体可以由不同原因发出辐射能。
2、热辐射——物体因热而发出辐射能的过程, 称为:热辐射radiation。
3、 只要物体的绝对温度大于 0K,便会不停地 将热量以电磁波的形式传递出去,同时也不断 地将其他物体辐射来的能量转为热量。辐射与 吸收能 量的差额转变为低温物体的热量。但 是,只有物体具有较高温度时, 辐射才为主 要形式。
传热面上不同局部面积的热通量可以不同。
3、热流量Q与热通量q的关系
式中:
q dQ dA
Q——热流量,单位为:J/s,即w(瓦) 。
q——热通量(热流密度),单位为:J/(m2·s),即 w/m2。
A——传热面积, m2 。
热流量Q与热通量q的关系
(1)热通量q基于微元面dA,热通量q可以 用于局部地区。
1、热源——电热、饱和水蒸汽、烟道气、高 温载体等。
2、冷源——冷却水、空气、冷却盐水等。 冷却水——河水、海水、井水等。
二、传热的三种基本方式
• 1、热传导(导热) • 2、对流 • 3、辐射
(一)热传导(简称:导热)
1、热传导——热量从物体内部温度较高
的部分传递到温度较低的部分或者传递到与 之接触的另一物体的过程,称为:热传导, 简称:导热conduction。
第五章传热(本专业)(1)精品PPT课件
三种传热方式的比较:
传导 对流 辐射
注:三种传热方式往往共存
5.1.3 工程上常用的换热方式
⒈混合式换热
冷热两种流体直接接触换热,如凉水塔,湿式混 合冷凝器。 优点:传热速度快、效率高、设备简单等。
2. 蓄热式换热
计算:
厚度为b 的无限大平壁,壁 面两侧温度t1、t2 ,t1>t2 , 取厚度为dx 的薄层,由傅
立叶定律:
q dt
dx dt q dx
对上式积分,积分限为:
t : t1 t2
x:0
λ取一平均值,视为常 数,积分得:
q
t1
t2
t
Q
qA
A
t1
t2
说明:
①将上式写成速率方程的一般形式为:
分率、分子量及导热系数。
气体的 导热系数:
1-水蒸气;2-氧;3-二氧化碳;4-空气; 5-氮;6-氩
5.2.4 平壁的稳定热传导
㈠单层平壁的稳定热传导
平壁模型:
▪ 平壁材质均匀,λ可视为常数;
▪ 平壁内只有一维温度梯度,导热方向垂直于壁面 ─等温面为平行于侧面的平面;
▪ 导热平壁的长和宽>>壁厚b ,忽略边缘热损失。
─等温面为与圆筒同心的圆筒面;
▪ 筒壁材质均匀,λ视为常数。
计算:
内、外半径r1、r2 , 内外壁温度t1、t2(t1>t2), A=2πrl,导热系数λ,由傅
立叶定律:
QArq2rLddrt
分离变量: dt Q dr
2L r
积分: d t2 t r2 Q dr
t1
r1 2L r
清华大学化工原理05第五章传热3-课件
x
x
平均
1 L
L
O xdx
L
L dx
O x
2、垂直壁面的膜状冷凝 1)理论分析
物性=const 假设 蒸汽存在对液膜无磨擦阻力
滞流
1
可以导出:0.943rg23/Lt4(平 均 值 )
定性尺寸:L
定性温度:膜温:12twtS,ts饱和温度
r:饱和温度下的冷凝潜热
若传热量一定,r,冷凝量,膜厚,α ρ,单位体积受力,流动快,膜厚,α λ(通过膜导热)α μ 膜厚,α Δt 传热推动力,冷凝液,膜厚,α
a)首先明确生产目的,加热,冷却
b) QW S1CP1T1T2 需 要 传 递 的 热 量
QK St
实 际 传 递 的 热 量
两者的一致性 确定所求的量。
5、基本方法 1) 对比计算法 2) 控制热阻法:
u0.8 d 0.2
0.8 0.4~0.5
忽略,K接近于小一方; 若 大>>小,小≈K 如 汽水 冷凝水
膜、滴交错
七、液体沸腾时的: 锅炉、蒸发器、再沸器 温差 容积沸腾:加热面浸于液体中 自然对流 汽泡运动 管内沸腾:一定流速流动,加热管
1、沸腾现象:
特征:有气泡产生;由加热表面首先生成; 必要条件过热
p b r2p L r22 r, pp bp L2 /r p2 /r汽 泡 生 成 , 存 在 p 由 过 热 t 造 成
t2
0
36.6 C
w S '2 c p 2t 2 t 1 w S 1 c p 2t 2 t 1
措施:
w S '2 w S 2 t t 2 2 t t 1 1 0 . 5 6 4 w S 2
w
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t Q dt dr 2rL t1 r1
Q Q
A 2rL
若为常数,则:
在(t1,t)积分,得:
ln r r1 t1 t Q 2L
ln r2 r1 2L
t2 r2
dr
在(t1,t2)积分,得:Q t 1 t 2
--------可见温度分布 为对数关系 0
r b
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”
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《化工原理》电子教案/第五章
一、实验法求
故
Nu
Pr
Re
l
Nu f Re 或Gr,Pr
定性温度:确定物性的温度,有两种
主体平均温度 t m 膜温
c p
ul
t 进 t出 2
2
tgl 3 2 或Gr 2
当Gr>25000,需考虑自然对流对传热的影响,式(565)乘上一个大于1的校正系数:
1 3 f 0.8 1 0.015Gr 1
思考:为什么需乘上一 个大于1的校正系数?
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《化工原理》电子教案/第五章
二、各种情形下的经验式
2、管内湍流
Nu 0.023 Re
总推动力 总热阻
教材更正:
P141例5-4中每米管长的热损失计算式左边应 为Q,不应为Q/L,单位应为W,不应为W/m。
《化工原理》电子教案/第五章
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四、一维圆筒壁稳态热传导
思考2: 气温下降,应添加衣服,应把保暖性好的衣服穿在里面好,还是穿 在外面好?
Q
Q
b b 1 2
b 2
t t1
无限厚
若为常数,则: t1 t 2 dt 常数 dx b
t 1 t 2 推动力 Q qA 热阻 b A
b
无限长
-------可见温度分布为直线
Q
0
Q
t2 b x
dx
dQ t q n dA 《化工原理》电子教案/第五章
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三、一维平壁稳态热传导
当
三种平均的比较
t t1 r1 t2 r2 0 b r
r1
2 时,可用算术平均代替
t1 t 2 t1 t 2 于是 Q b b 2Lrm Am
t t 推动力 对照:平壁: Q 1 2 b A 热阻
《化工原理》电子教案/第五章
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对数平均、算术平均、几何平均的比较:
3
《化工原理》电子教案/目录
目录
第五节 间壁式换热器介绍(教材第六章)
一、列管式换热器(管壳式换热器) 二、其它类型的换热器 三、传热过程的强化
4
《化工原理》电子教案/目录
目录
第六节 辐射传热
一、基本概念 二、物体的辐射能力 三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率 四、气体热辐射的特点 五、辐射、对流的联合传热
牛顿冷却定律:
Q At t w
获得的主要方法:
理论分析法
解析求解、数值求解
实验法: 半理论半经验方法,是目前的主要方法。
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《化工原理》电子教案/第五章
一、实验法求
量纲分析法:回忆第一章有关内容
影响的因素主要有: 1.引起流动的原因:自然对流和强制对流 2.流动型态:层流或湍流
《化工原理》电子教案/第五章
四、一维圆筒壁稳态热传导
1、无限长单层圆筒壁一维稳态导热(无内热源)
t1 t 2 t1 t 2 Q ln r2 r1 r2 r1 2L r2 r1 ln r2 r1 2L
r2 r1 令rm ------对数平均半径 ln r2 r1 r2
tm
t 壁 t 主体
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《化工原理》电子教案/第五章
二、各种情形下的经验式
(一) 无相变时 1、管内层流 ---传热主要以导热方式为主(有时有自然对流) 时 见教材P166页式(5-65)
使用范围为: 管子的进口段, 0.6<Pr<6700, Gr<25000(自然对流影响可以忽略), 恒壁温、 温差(壁温与流体主体温度之差)不大。 Re<2300、
2、无限大多层平壁一维稳态导热(无内热源) 特点:同单层平壁 此外,通过每一层的Q(或 q)都相同
推动力 对每一层均有: Q qA 热阻
Q t t t t t1 t 2 2 3 3 4 b1 1 A b2 2 A b3 3 A t1 t 4
t t1 t2 t3 t4
第五章小结 第三版第18次印刷的教材更正
5
《化工原理》电子教案/目录
第五章 传热及设备
第一节
传热有三种方式:(举例电热炉烧水) 热传导 (导热)
相互接触的物质之间 发生在 静止的物质内部 层流流动的物质内部
概述
热量入
机理: 气体---靠分子或原子的无规则若运动;
固体---金属靠自由电子,非金属靠晶格的震动 液体---两种观点(见教材)
对流传热系数小结 的数量级
《化工原理》电子教案/目录
2
目录
第四节 间壁式换热器的传热
一、换热器简介 二、间壁式换热器的传热过程分析 三、间壁式换热器的传热过程计算
1、总传热速率方程 2、Q的计算 3、 K的计算 4、tm的计算 5、传热单元数法
习题课
设 计 型 操 作 型
6、壁温的计算
用量纲分析法、 再结合实验,建立 经验关系式。
3.流体的性质:、、cp、等
4.传热面的形状、大小、位置:如圆管与平板、垂直与水平、 管内与管外等 5.有相变与无相变: cp或汽化潜热r
f ,,c p 或r,,l,u或tg
定理:
无量纲数群个数 变量数7 基本量纲数4 3个
(2)当壁面与流体主体温差较大时,需引入一个校正项:
教材式(5-64)
(3)过渡流:
乘上一个小于1的校正系数:式(5-67) Why?
(4)弯管内:
乘上一个大于1的校正系数:式(5-68)Why?
(5)非圆形管的强制湍流:
上式仍可使用,但需将d 换成 de
《化工原理》电子教案/第五章
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二、各种情形下的经验式
t1
Q
t4
t0
bi i A
i 1
总推动力 总热阻
牛顿冷却定律: Q A t 4 t 0
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《化工原理》电子教案/第五章
四、一维圆筒壁稳态热传导
1、无限长单层圆筒壁一维稳态导热(无内热源)
特点:属一维导热,A常数, Q为常数, q常数
dt Q qA A 常数 dr
对每一层均有:
推动力 Q qA 热阻
t2 t3 t3 t4 t1 t 2 Q b1 1 Am 1 b2 2 Am 2 b3 3 Am 3 Q t1 t 4
t t 1 t2 r1 r2 0 b1 t2 r b2 b 3 t3 t4
b
i 1
3
i
i Am i
一、傅里叶定律
1、基本概念
传热速率 Q: 单位时间传递的热量,J/s 热通量 q: 单位传热面积上的传热速率,J/m2s,矢量,方向为传热
面的法线方向
等温面:温度相同的点组成的面 t 两等温面的温差与两等温面间的任一 温度变化率:
距离之比
dQ q dA
等温面 等温面
t+t n
t 两等温面的温差与两等温面间的法向距离 温度梯度 : n (最短)之比 lim t t
目录
第五章 传热及设备
第一节 概述 第二节 热传导
一、傅里叶定律 二、热导率 三、一维平壁稳态热传导 四、一维圆筒壁稳态热传导
1
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目录
第三节 对流传热
一、实验法求 二、各种情形下的经验式
(一)无相变 1、管内层流 2、管内湍流 3、管外强制对流 4、自然对流 (二)有相变 1、冷凝 2、沸腾
二、各种情形下的经验式
2、管内湍流
Nu 0.023 Re
0.8 n
Nu
Pr
d
c p
n 0.4 被加热 Pr (教材式5-63) n 0.3 被冷却
思考1:与u、d有何比例关系?
u 0.8 0.2 d
思考2:为什么加热时n取0.4,冷却时取0.3?
0.8
n 0.4 被加热 Pr n 0.3 被冷却
n
(教材式5-63)
适用范围:光滑管 Re>104 0.6<Pr<160 充分发展段,即 L/d>50 低粘度(<2水) 温差(tw-t)较小 定性温度: t m
t 进 t出 2
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《化工原理》电子教案/第五章
定性尺寸:管内径
n 0
t l
q
l
n
n
等温面及温度梯度 7/141
《化工原理》电子教案/第五章
2、傅里叶定律 负号表示q与温度梯度方向相反
dQ t q n dA
称为热导率, 单位为W/(mK)
t+ t t n l
q
对照:牛顿黏性定律,形式上很相似
等温面及温度梯度
自然对流 对流传热
发生在 流体 内部 流 体有 宏 观 位 移
管内层流
强制对流
牛 顿 冷 却 定律 : Q