第五章传热-1

合集下载

化工原理课件-5传热

t2 t3 t3 t4 t1 t2 Q 1S 2 S 3 S b1 b2 b3
或
t1 t2 t2 t3 t3 t4 Q b1 b2 b3 1S 2 S 3 S
31
二、多层平壁的一维稳态热传导
三层平壁稳态热传导速率方程 t1 t4 Q b3 b1 b2 1S 2 S 3 S 对n层平壁，其传热速率方程可表示为

b
(Tw t w ) dS m o (t w t )dS o
或
T Tw Tw t w tw t dQ 1 b 1
i dSi
dS m
o dS o
49
一、总传热速率微分方程
根据串联热阻叠加原理，可得
(T Tw ) (Tw t w ) (t w t ) T t dQ 1 b 1 1 b 1 i dSi dS m o dSo i dSi dS m o dS o
图5-7 多层圆筒壁的热传导
42
二、多层圆筒壁的稳态热传导
热传导速率可表示为
Q t1 t4 t1 t4 r3 r2 r4 r2 r1 r3 r2 r4 r3 1 1 1 ln ln ln 2 L1 r1 2 L2 r2 2 l 3 r3 1S m1 2 S m 2 3 S m3
动画22
图5-1 套管式换热器 1-内管 2-外管
20
冷热流体（接触）热交换方式及换热器
图5-2 单程管壳式换热器动画21 1-外壳,2-管束,3、4-接管,5-封头,6-管板 ,7-挡板,8-泄水池
21
冷热流体（接触）热交换方式及换热器
间壁式换热器内冷、热流体间的传热过程包括以下三个步骤：（1）热流体以对流方式将热量传递给管壁；（2）热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧；

传热学-第五章1-2

假设边界层内的速度分布和温度分布，解积分方程 c）数值解法：近年来发展迅速可求解很复杂问题：三维、紊流、变物性、超音速（2）动量传递和热量传递的类比法利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律，由湍流时的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数（3）实验法用相似理论指导
五、
对流换热过程的单值性条件
c [J (kg C) ]
[N s m2 ]
[1 K ]
运动粘度 [m 2 s]
1 v 1 v T p T p
h (流体内部和流体与壁面间导热热阻小)
、c h (单位体积流体能携带更多能量)
流动引起的对流相项非稳态项
导热引起的扩散项
1）如u=0、v=0上式即为二维导热微分方程。 2）如控制体内有内热源，在其右端加上
1 ( x, y) c
3）由能量方程说明，运动的流体除了依靠流体的宏观位移传递热量，还依靠导热传递热量。
归纳对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)
前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却微分方程： t
hx t y w, x
计算当地对流换热系数 hx
四、表面传热系数的确定方法（1）微分方程式的数学解法 a）精确解法（分析解）：根据边界层理论，得到边界层微分方程组常微分方程求解
b）近似积分法：
单值性条件：能单值地反映对流换热过程特点的条件完整数学描述：对流换热微分方程组 + 单值性条件单值性条件包括四项：几何、物理、时间、边界 (1) 几何条件说明对流换热过程中的几何形状和大小平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等 (2) 物理条件说明对流换热过程的物理特征

第五章热分析-1 DTA讲解

5.1 差热分析（Differential Thermal Analysis, DTA ）
物质在受热或冷却过程中发生的物理变化和化学变化伴随着吸热和放热现象。如晶型转变、沸腾、升华、蒸发、熔融等物理变化，以及氧化还原、分解、脱水和离解等化学变化均伴随一定的热效应变化。差热分析正是建立在物质的这类性质基础之上的一种方法。
物理性质质量
温度焓
分析技术名称热重法
等压质量变化测定逸出气体分析放射热分析热微粒分析加热曲线测定差热分析
差示扫描量热法
物理性质尺寸
力学特性
声学特性
光学特性电学特性磁学特性
分析技术名称热膨胀法
热机械分析动态热机械分析
热发声法热声学法热光学法热电学法热磁学法
热分析四大支柱
差热分析、热重分析、差示扫描量热分析、热机械分析
1）热重法：在程序控制温度下，测量物质质量随温度变化的一种技术。 2）差热分析：在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差随温度变化的一种技术。 3）热机械法：在程序控制温度下，测量物质在一定负荷下的形变与温度关系的技术。 4）差示扫描量热法：在程序控温下，测量加入物质在与参比物之间的能量差随温度变化的一种技术。
附、解吸、裂解、氧化还原、相图制作、物相分析、纯
度验证、玻璃化、固相反应、软化、结晶、比热、动力
学研究、反应机理、传热研究、相变、热膨胀系数测定
等。
2）热分析的主要优点
1. 可在宽广的温度范围内对样品进行研究；应用的广泛性 2. 可使用各种温度程序（不同的升降温速率）； 3. 对样品的物理状态无特殊要求；动态条件下快速研究物质热特
第5章热分析法
理学院郭敏杰

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 。

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

第五章第一节化工原理谭天恩

第二节热传导
（三）圆筒壁的稳定热传导（1）通过单层圆筒壁的稳定热传导假定：（1）稳定温度场；（2）一维温度场。
A 2rl
dr 2l dt r Q
dt Q 2rl dr

r2
r1
dr 2l t2 t1 dt r Q
r2 2l ln (t1 t 2 ) r1 Q
金属：2.3~420W/m· K 固体：建筑材料：0.25~3W/m· K 绝缘材料：0.025~0.25W/m· K 液体：0.09~0.6W/m· K 气体：0.006~0.4W/m· K
第二节热传导
三、平壁的稳定热传导
（一）单层平壁的稳定热传导假设：（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。
Q A(T tw )
Q A(tw t )
流体被加热时：
T——热流体的平均温度；tw——壁温； t——冷流体的平均温度；A——传热面积； α ——给热系数（对流传热系数）（3）热辐射辐射：物体以电磁波的方式传递能量的过程。辐射能：以辐射的形式所传递的能量。热辐射：因热的原因引起的电磁波辐射。辐射传热：不同物体间相互辐射和吸收的综合结果。自然界中凡是温度高于绝对零度的物体，都会不停的向四周发射辐射能。
第五章
传热
第一节概述
一、传热过程在化工程产中的应用
加热或冷却
换热保温
二、传热的三种基本方式热传导（导热）、对流、辐射（1）热传导：物体质点在无宏观机械运动的条件下，靠分子的微观运动完成的传热过程。特点：没有物质的宏观位移气体：分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体：导电体：自由电子在晶格间的运动非导电体：通过晶格结构的振动来实现液体：机理复杂

热学 (5 第五章热力学第一定律)

第五章热力学第一定律
§5-1 热力学过程 §5-2 功 §5-3 热量 §5-4 热力学第一定律 §5-5 热容焓 §5-6 气体的内能焦耳-汤姆逊实验 §5-7 热力学第一定律对理想气体的应用 §5-8 循环过程和卡诺循环
1
§5-1 热力学系统的过程
当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一个
CO2
:
t

1.3。C
H2 : t 0.3。C 31
U2 U1 U Ek Ep
Ek Ep ( p1V1 p2V2 )
或者
Ek Ep ( p1V1 p2V2 )
Case 1: 系统对外界做功制冷效应 Case 2: 外界对系统做功
A 与 Q 比较
U改变方式
特点
能量转换量度
与宏观位移相联机械
做功系, 通过非保守力
热运动 A
做功实现
运动
与温度差相联系，
热传递通过分子碰撞实现热运动热运动 Q
效果
引起系统内能变化
功和热量都是过程量,而内能是状态量,通过做功或传递热量的过程使系统的状态(内能)发生变化.
热力学第一定律

C v
单位：J/(mol·K)
1)、定体热容
CV

dQ
dT
V
2)、定压热容
Cp

dQ dT
p
26
二、焓
CV
lim (Q)V VT 0 T

lim
VT 0

U T
V

U T
V
H U pV
(Q) p H

第五章-1 锅炉受热面的作用及结构解析

第三节省煤器及空气预热器
省煤器和空气预热器在尾部烟道的布置管式空气预热器
省煤器和空气预热器在尾部烟道的布置回转式空气预热器
一、省煤器
省煤器的作用：
1、降低排烟温度，减少排烟热损失，节约燃料； 2、减少蒸发受热面，降低锅炉造价：
以管径小、管壁薄、价格较低的省煤器代替管径大、管壁厚、价格较高的水冷壁换热好(低温、强制流动、逆流布置)
下降管
作用：把汽包内的水连续不断地通过下联箱供给水冷壁，以维持正常的循环。
布置在炉外不受热有小直径分散型和大直径集中型两种
联箱
作用：汇集、混合、分配工质。布置在炉外不受热由无缝钢管两头焊接平封头构成。
汽包
汽包的作用
是加热、蒸发、过热三个过程的连接枢纽和大致分界点；
具有一定的蓄热能力，能较快适应外界负荷变化；
过热器及再热器的形式
根据布置位置与传热方式，分为对流式、半辐射式、辐射式三种。供热锅炉采用的都为对流式过热器，由蛇形管构成。
根据放置形式分为立式、卧式。对流式过热器目前多为立式，支吊简单可靠，不易积灰，但疏水排气性差。
根据蒸汽和烟气的流向，分顺流、逆流、混流，多采用混流。
过热器中流动的工质温度最高，放热系数小，工作条件最差；为了避免使用贵重金属并保证传热温差，供热锅炉的过热器一般布置在烟温 900℃左右的烟道中。
3、提高了给水温度，减少给水与汽包壁的温差，降低热应力，延长使用寿命。
省煤器分类及布置特点
1、按制造材料：钢管式、铸铁式(压力 < 4 MPa) 2、按水的预热程度：非沸腾式、沸腾式(中压)
沸腾式：其出口水温不仅可达到饱和温度，而且可使部分水汽化，汽化水量一般约占给水量的10％～15％，最多不超过20％，以免省煤器中介质的流动阻力过大。非沸腾式：其出口水温比相应压力下的饱和温度低。 3、错列减少积灰、换热强、磨损大顺列利于吹灰、换热弱、磨损小

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5章传热

第五章传热1.一立式加热炉炉墙由厚150mm 的耐火材料构成，其导热系数为λ1＝1.3W/(m ·K)，其内外表面温度为ll00℃及240℃，试求通过炉墙损失的热量(W/m 2)；若外加一层25mm ，并假定炉内壁温度仍为1100℃，而热损失降至原来的57％，求绝热层外壁温度及两层交界面处的温度。

解：211213.74533.115.02401100m W b t t AQ q =-=-==λ24.424857.0'm W q q == 4.42483.0025.03.115.01100'3221131=+-=+-==t b b t t A Qq λλ 解得：3t =255.8℃4.42483.115.01100''21121=-=-==t b t t AQ q λ解得：'2t =609.8℃2某加热炉炉墙由耐火砖、绝热层与普通砖组成，耐火砖里侧温度为900℃，普通砖外侧温度为50℃，各层厚度分别为：耐火砖140mm ，绝热层(石棉灰)20mm ，普通砖280mm ；各层导热系数：λ1＝0.93W /(m·K)，λ2＝0.064W /(m·K)，λ3=0.7W/(m·K)。

(1)试求每m 2炉墙的热损失；(2)若普通砖的最高耐热温度为600℃，本题条件下，是否适宜?解：（1）2332211419.9847.028.0064.002.093.014.050900m W b b b t t q =++-=++-=λλλ（2）2333439.9847.050m W t t t q =-=-=λ 解得：3t =444℃ 适宜3.用平板法测定某固体的导热系数，试件做成圆形薄板，直径d ＝120mm ，厚度为δmm ，与加热器的热表面及冷却器的冷表面直接接触。

所传递的热量(一维导热)，用加热器的电能消耗计算之。

过程稳定时，测得加热器电流为0.96A ，电压为60.5V ，热电偶测得热表面温度t 1＝180℃，冷表面t 2＝30℃；由于安装不良，试件与冷热表面之间各有一层0.1mm 的缝隙(内有空气)，试求： (1)忽略表面间的辐射传热时，因空气缝隙引起的测试导热系数的相对误差。

第五章热力学第一定律

二、热力学第一定律的数学表述
1、态函数
内能是系统内部所有微观粒子（如分子、原子等）的微观的无序运动能以及相互作用势能两者之和。内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态间有一一对应关系。
系统内能变化的两种方式：
（1）外界对系统做功
机理：做功是通过系统与外界物体之间产生宏观的相对位移来完成的，是外界物体有规则运动和系统内分子无规则热运动之间发生能量转换，从而改变系统的内能的过程。
二、焦耳－汤姆孙实验
➢ 左方气体（外界）对已通过多孔塞的一定量的气体做功为：
A 1p1s1l1p1V 1
➢ 这一定量的气体通过多孔塞后它要推动右方的气体（外界）
做功，于是外界对它做的负功为： A 2 p 2 s2 l2 p 2 V 2
➢ 外界对一定量的气体所做的净功为： p1V1p2V2
设这一定量的气体在左边时内能为U1，在右边时内能为U2 绝热过程有 Q 0
§1. 热力学过程 §2. 功 §3. 热量 §4. 热力学第一定律 §5. 热容量焓 §6. 气体的内能焦耳-汤姆孙实验 §7. 热力学第一定律对理想气体的应用 §8. 循环过程和卡诺循环
§1. 热力学过程
热力学过程（简称过程）：当热力学系统的状态随时间变化，从一个平衡态到另一个平衡态的转变过程。
T1 T1T T12T
T2 T T 2
一系列热源，其温度依次递增ΔT ,并且ΔT <<T2
在这样的过程中，中间经历的每一个状态都可认为是平衡态，因而整个过程可认为是准静态过程。
§2. 功一、准静态过程外界对系统的功
d A F d l pd S l dApdV
A V2 pdV V1

化工原理第五章传热(王晓敏)ppt课件

420
19.31 Wm1
0.0004 13.993 0.265
(b)界面温度
t1 t2 R 1 0 .0004 2 3 .0 9 1 4 0 t1 t4 R0 .00 0 1 .9 4 3 0 .3 29 65
tt1 1 tt4 25 50 0 8 t20 0 0 2 .0 1 4 0 t2 4.9 9 C 9
13
第二节热传导
一、傅立叶定律 1. 温度场和等温面 • 温度场：物体或空间各点温度的分布；
非稳态温度场： tf(x ,y ,z, )
稳态温度场： tf(x ,y ,z)
•等温面：温度相同的点组成的面，等温面彼此不相交。
2. 温度梯度
lim t t •温度梯度的方向垂直于等温 n0 n n 面，以温度增加方向为正。
ll0(1t)
2. 液体的导热系数
• 水的λ最大；
• 多数液体（除水和甘油）的λ随温度升高略有减小；
• 纯液体的λ比溶液大；
3. 气体的导热系数
• 气体的λ很小，有利于保温；气体的λ随温度升高而增大；
• 一般情况下，气体的λ与压力无关；导热系数大致范围：
金属：2.3~420 W/m.K；建筑材料： 0.25~3 W/m.K；
解：此题为单层圆筒壁的热传导问题。
已知条件：
蒸汽导管外表面的半径 r2＝0.426/2＝0.213m
温度 t2＝177℃
保温层的外表面的半径 r3＝0.213＋0.426＝0.639m
温度 t3＝38℃
由：
Q t2 t3 ln r3 r2
pp2t精选l l版
27
可得每米管道的热损失为：
l3A
ppt精选版
dx

第五章传热(本专业)(1)精品PPT课件

0K，均存在辐射传热； ▪ 不需要任何中介； ▪ 传热过程中伴随能量形式的转换。
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