分析化学概要课件

第五章

传热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2023/12/3第一节

传热概述一、传热的基本方式二、稳态传热和非稳态传热三、热流量和热阻四、热交换2023/12/3一、传热的三种基本方式热传导定义当物体内部或两直接接触的物体间存在温度差时，温度较高处的分子因振动而与相邻分子碰撞，将能量的一部分传给对方，该种能量传递方式称为热传导，或称导热。特点两物质之间必须直接接触或存在媒介；在传热过程中，物质间没有空间位移。2023/12/3对流传热定义由流体质点间发生相对位移而引起的热量传递过程或者由流体微团改变空间位置所引起的流体和固体壁面之间的热量传递过程称为对流传热。特点主要发生在流体内部或固体和流体之间，在传热过程中，流体质点或流体微团发生空间位置改变。2023/12/3辐射传热定义依靠电磁波辐射实现热冷物体之间热量传递的过程称为辐射传热。特点不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化；是一种非接触式传热，在真空中也能进行。2023/12/3二、稳态传热和非稳态传热稳态传热在传热系统中，温度分布不随时间而改变的传热过程称为稳态传热。非稳态传热在传热系统中，温度分布随时间而改变的传热过程称为非稳态传热。2023/12/3三、热流量、热流密度和热阻热流量热流量为传过一个热流面的热量与传热时间的比值，符号为Φ，单位为,用公式表示为：热流密度热流量Φ与传热面积之比，称为热流密度，又称热通量。用符号表示，单位为。2023/12/3热阻导热过程的阻力称为热阻。热阻为导热体两侧温差与热流密度之比。单位为。2023/12/3四、热交换两个温度不同的物体间进行的传热过程称为热交换，也称换热。热交换的结果是温度高的物体的焓较小，温度低的物体的焓增大。热交换的基本原则是能量守恒原则，即热交换所涉及的物质的焓变的代数和为2023/12/3第二节

热传导一、热传导相关概念二、傅立叶定律和热导率三、通过平壁的稳态导热四、通过圆筒壁的稳态导热2023/12/3一、热传导相关概念温度场某一时刻空间各点的温度分布，称为温度场。对于不稳定温度场对于稳定温度场2023/12/3等温线和等温面在某一时刻，将温度场中具有相同温度的点连接起来所形成的线或面称为等温线或等温面。2023/12/3三、傅立叶定律和热导率傅立叶定律在温度场中，由于导热所形成的某点的热流密度正比于该时刻某一点的温度梯度，表达式为热导率上式中的λ称为热导率，单位(·)。它的物理意义为某物质在单位温度梯度时所通过的热流密度。2023/12/3四、通过平壁的稳定传热通过单层平壁的稳定传热因是稳定传热，是常量，分离变量后积分积分后()()热阻对于面积为的平壁2023/12/3通过多层平壁的稳定传热因是稳定传热，通过各层的热流密度相等，则推论到层平壁，则应用加比定律，则()()2023/12/3若各层的面积为，则总热阻为2023/12/3例：冷库壁由两层组成：外层为红砖，厚，导热率为(·)；内层为软水，厚，导热率为(·)。软木层的防水绝缘层热阻可忽略不计。红砖和软木层的外表面温度分别为℃和℃。试计算通过冷库壁的热流密度及两层接触面处的温度。2023/12/3解：令外墙高温侧温度为，内墙低温侧温度为,两墙接触面温度为，则（℃）2023/12/3四、通过圆筒壁的稳定传热通过单层圆筒壁的稳定传热取半径处厚度为的薄圆柱层，则积分结果为()分离变量积分得2023/12/3热阻为令，则于是2023/12/3再令2023/12/3四、通过圆筒壁的稳定传热通过多层圆筒壁的稳定传热稳定传热时，通过各层的热流量相等，则2023/12/3推论到层圆筒壁，有()令则()2023/12/3例：直径为Φ×的钢管用厚的软木包扎，其外又用厚的保温灰包扎，以作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为℃，绝热层外表温度为℃。已知软木和保温灰的平均热导率分别为和(·)，试求每米管长的冷量损失量。2023/12/3解：2023/12/3第五章

流体流动一、牛顿冷却定律二、对流传热基本原理三、无相变的对流传热四、有相变的对流传热第三节

对流传热2023/12/3牛顿冷却定律一、牛顿冷却定律与对流传热的基本原理为表面传热系数或传热膜系数。单位空气自然对流，的范围为空气强制对流，的范围为水自然对流，的范围为的范围为水强制对流，2023/12/3对流传热的机理2023/12/3各因素对对流传热系数影响的方程式2023/12/3努赛尔数，表征特点表明的传热系数雷诺数，表征流动状态的影响格拉晓夫数，表征物性的影响普朗特数，表征自然对流的影响2023/12/3二、无相变的对流传热自然对流传热2023/12/32023/12/3强制对流传热管内层流2023/12/3管内湍流式中各物性参数查取所依定型温度与层流相同。2023/12/3例题：将粗碎的番茄通过管子从温度℃加热到℃。管子内径为，内表面温度保持℃。番茄流量为。已知物料物性参数为ρ；(·);µ·(℃);µ·(℃);λ(·)。试求番茄与管子内表面之间的表面传热系数。2023/12/3流体的流动类型属于管内流动，首先判断是层流还是湍流流动类型按湍流处理2023/12/32023/12/3管外对流()单管2023/12/3流体垂直流过单管的平均对流传热的特征数方程为：2023/12/3()管束2023/12/32023/12/32023/12/3三、有相变的对流传热沸腾传热对于水的沸腾，表面传热系数可由下式计算工作压力，热流密度，2023/12/3冷凝传热竖直管道，表面传热系数可由下式计算2023/12/3水平管道，表面传热系数可由下式计算管子外径，水平管在垂直列上的管子数2023/12/3第五章

流体流动一、换热器二、稳态传热的计算三、非稳态传热的计算第四节

热交换2023/12/3一、换热器管壳式换热器结构形式管壳式换热器可分为固定管板式、形管式和浮头式三种。2023/12/3补偿圈式列管换热器2023/12/3型管式列管换热器2023/12/3浮头式列管换热器2023/12/32023/12/3管程结构管子采用小管径的。常用的有φ×,φ×和φ×的无缝钢管。管板将管束连接在一起，并将管程和壳程流体分隔开。管子与管板的连接可采用胀接和焊接。2023/12/3壳径较小采用封头；壳径较大时多采用管箱结构。二者的作用是控制和分配管程流体。2023/12/3壳程结构壳程分为壳体和折流挡板两部分。壳体为圆形，直径小于厘米时，用钢管制造；直径大于厘米时，用钢板卷焊。折流挡板以圆缺型和环盘型最为常见。2023/12/3板式换热器片式换热器()总体结构2023/12/3进出流体管口在同侧2023/12/3进出流体管口在两侧2023/12/3板式换热器的换热片2023/12/3()流道形式2023/12/32023/12/32023/12/3螺旋板式换热器2023/12/3二、稳定换热的计算热流体侧热流密度为：间壁导热热流密度为：冷流体侧热流密度为：换热基本方程2023/12/3将上述三式相加，消去壁表温度，得令则即或2023/12/3总传热系数的计算对于多层平壁对于单层平壁2023/12/3对于单层圆筒壁2023/12/3对于多层圆筒壁2023/12/3例：苹果酱流经长Φ×的不锈钢管道，其温度由℃加热到℃，不锈钢的热导率为(•)，管外加热蒸汽的表压为，管外壁的表面传热系数为(•),管内壁的表面传热系数为(•)。计算总传热系数及单位管长的热流量。2023/12/3解：2023/12/3换热平均温差的计算2023/12/3在换热器中取一微元段为研究对象，其换热面积为,在内流体因放热降温，冷流体因吸热升温,而热流量为Φ。由热量衡算有:2023/12/32023/12/32023/12/3方程的讨论用并流推导，会得到相同的计算公式。若换热器进出口两端两流体温差变化不大，当时，可用算术平均值代替对数平均值。对于错流和折流换热的计算，可在上述等式的右侧乘以一个校正因数。2023/12/3例：用刮板式换热器对果酱进行冷却，苹果酱质量流量为，比定压热容为(•)，入口和出口温度分别为℃和℃。套管环隙逆流通冷水，入口和出口温度分别为℃和℃。总传热系数为(•)。求所需冷却水流量。换热平均温差和换热面积若改为并流，两流体出入口温度同前，求()项各值。2023/12/3解：()()2023/12/3()2023/12/3三、非稳态换热的计算四个重要的量纲一的参数时间比：温度比：热阻比：距离比：2023/12/3忽略内阻的非稳定换热（>）换热内阻与外阻相比可以忽略。该情况适用于：金属物体的加热和冷却；容器内得到很好搅拌的食品的加热和冷却。2023/12/3例：将密度、比定压热容(·)的番茄汁放入半径为的半球形夹层锅中加热。番茄汁初温为℃，在锅内充分搅拌。蒸汽夹套的表面传热系数为(·)，蒸汽的温度为℃。计算加热后番茄汁的温度。2023/12/3解：解得2023/12/3内阻和外阻共存的非稳定换热（>>）大多数食品的加热和冷却都属于该情况，通过查图判断参数、和之间的关系，从而对未知物理量进行求取。特性尺寸对于大平板，为半厚度对于球体，为球半径对于圆柱体，为柱体半径2023/12/3例：将直径、初温℃的苹果放入℃的冷水流中，水对苹果的表面传热系数为(·)，苹果热导率(·)，比定压热容(·)，密度。求使苹果中心温度冷却至℃所需的时间。2023/12/3解：视苹果为球体。查图，得对应。2023/12/32023/12/32023/12/3可忽略外阻的非稳定换热（<）灌装食品的换热多数属于该情况，同样通过查图的方式对未知物理量进行求取。例：将半径为、高的豌豆浆罐头在蒸汽中加热杀菌，蒸汽温度为℃，蒸汽对罐头的传热膜系数α(·)，碗豆浆的热导率为λ(·)，比定压热容(·)，密度为ρ，罐头初温℃。求加热后，罐头中心处的温度。2023/12/3解：()计算长圆柱的温度比。查图的线，得。2023/12/3()计算大平板的温度比。查图的线，得。2023/12/3()作为有限圆柱体的罐头，其温度比2023/12/3第五章

流体流动一、热辐射的基本概念二、热辐射基本定律三、热辐射相关计算四、微波加热第五节

辐射传热2023/12/3一、辐射的基本概念和性质热辐射的定义仅因自身温度原因而发出的辐射成为热辐射。热辐射的性质不需要介质以光速传播具有波动性，波长为微米，具有粒子性，2023/12/3吸收率、反射率和透过率吸收率反射率透过率2023/12/3黑体、白体与透热体黑体透热体镜体2023/12/3辐射功率和辐射流率辐射功率物体在单位时间内发射出的辐射能，称为辐射功率辐能流率单位面积上发射出的辐射功率，称为辐能流率2023/12/3二、辐射定律普朗克定律黑体在波长的单色辐能流率，波长，热力学温度第一辐射常量，×∙第二辐射常量×∙2023/12/3斯特藩玻尔兹曼定律对于灰体，其黑度因此，对于灰体2023/12/3基尔霍夫定律上两式相除，对于灰体对于黑体因为对于灰体，所以对于灰体2023/12/3二、辐射传热相关计算极大两平行板间的辐射换热2023/12/3一物体被另一物体包围时的传热2023/12/3面积有限的两平行板间的辐射传热2023/12/32023/12/3例：烤炉内一块面包的黑度为，表面积为，表面温度为℃。已知面包表面积与炉壁面积比很小