大学课件-化工原理-第4章传热1

第4章传热4.1概述(1)传热原理热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递向低温，直至温度相等。传热方向：传热极限：传热推动力：高温→低温温度相等温度差传热应用：科研、生产、生活(2)传热的基本方式热传导：对流：辐射：实际传热过程：固体的主要传热方式分子无规则热运动，使相邻分子间传热传热速率相对较慢单纯的导热，物体各部分之间无宏观运动流体主要传热方式流动中，流体质点相互碰撞，传热传热速率与流动状态密切相关物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。不需传播介质，两物体不需接触物体温度↑，热辐射能力↑。三种方式同时存在传热的目的：1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；2）通过换热，回收利用热量；3）保温，以减少热损失。典型换热设备：间壁式换热器(冷,热流体间换热)(4)传热在工业的应用（3）稳态传热和非稳态传热稳态传热：各点温度分布不随时间而改变非稳态传热：各点温度随位置和时间而变列管换热器(间壁式)热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2间壁换热(5)本章研究的主要问题1）三种传热机理（计算热流量）2）换热器计算（设计、校核）3）换热设备简介热传导机理气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递。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。4.2热传导（导热）4.2.1基本概念和傅立叶定律（1）温度场指：所研究的具有一定温度分布的空间范围。),,,(zyxft稳态温度场：非稳态温度场：),,(zyxft),,,(zyxft稳态传热：稳态温度场中的传热各点热流量不随时间变化n-n△nt+△tt-△ttdA法向等温面热流q图4-3等温面，温度梯度与热流方向（2）描述温度场特性的几个参数①等温面指：具有相同温度的点组成的面特点：等温面不会相交②温度梯度指：沿等温面法线方向的温度变化率nt方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直ntlimntdndtlim对一维稳态导热：)/(2mWAq（3）热流量：Φ，w(J/s)热流密度：（4）傅立叶定律λ：热导率，w/mK，w/m℃A：传热面积，m2垂直于热流方向的面积-：Φ与方向相反(热流量从高温低温)ntAntq或：nt付立叶定律表明：ntA，热传导中，dndtA一维稳态导热：dndtq或：ntAntq4.2.2热导率ntqKmW/说明：●物性参数，标志物质导热性能(书P239-240)●影响因素：λ=f(材料,结构,温度,湿度,压强)定义式:12345602004006008001000123456781.16323456789λ×102(w/m℃)t℃图4-5各种气体的导热系数1-水蒸汽；2-氧；3-CO2；4-空气；5-氮；6-氩0204060801001201401012141618202224264749515355575912水3456789101112131415t℃λ×102（千卡/米·小时·℃）λ×102（千卡/米·小时·℃）图4-4各种液体的导热系数1-无水甘油；2-蚁酸；3-甲醇；4-乙醇；5-蓖麻油；6-苯氨；7-醋酸；8-丙酮；9-丁醇；10-硝酸苯；11-异丙醇；12-苯；13-甲苯；14-二甲苯；15-凡士林油；16-水[用右边的比例尺]0.010.020.040.060.10.20.40.6124610204060100200400600200600100014001800空气甲烷二氧化碳苯（气态）硅藻土冰水硅砖粘土耐火砖镁砖铝（液体）高合金钢合金钢低碳钢钾（液体）锌（液体）钢（液体）锌（固体）铜铝温度K不同物质导热系数随温度变化的比较导热系数λw/mK)1(0ta多数匀质固体：：温度系数a；多数金属：0a0a多数非金属：一般规律：气体-液体-固体-;,t)(,水例外t)(,高合金钢例外金属：t)(,冰例外非金属：t气体液体非金属金属在数值上：dxz0yxAQxQx+dxx+dxx1x2图4-7一维导热t1t24.2.3平壁的稳态导热(1)单层平壁稳态导热条件：平壁、一维稳态导热(x方向)内容：热流量计算、温度分布对平壁做热量衡算：热量积累率输出热流率输入热流率输出热流率输入热流率const即：热流量对稳态传热：①热导率为常数dxdtA210ttbdtAdx积分：)(12ttbA得：RtAbtt21传热阻力（热阻）传热推动力（温差）Rtbttq21热流密度：ARRbRb0xtt1t2图4-8单层平壁的稳态导热平壁内的温度分布：dxAdt由：CxAt积分得：即：沿壁厚方向，温度分布为一直线.跳转到第一页②热导率和温度有关方法一，积分得：代入)1(0tadxdttq)(2121)1(0xxttdxqdtt)(211)(21210ttattqbmbttq/21热流密度：Abttm21热流量：KmWtttmm/))(21(21的热导率，：平均温度方法二：按λ=const公式做，把λλmxxttdxqdtt11)1(0不定积分：axxaqtat1)(2)1(211021解得：即：λ=f(t)时，沿壁厚方向，温度分布为非线性平壁内的温度分布：0xtt1t2图4-9多层平壁的稳态导热b1b2b3(2)多层平壁的稳态导热条件：多层平壁一维稳态导热(x方向)则：3211111Abt2222Abt3333Abt333222111321AbAbAbttt和比定理：0xtt1t2图4-9多层平壁的稳态导热b1b2b333322211141AbAbAbttiiRt11nitttt其中，iiiiAbRR2、各层厚度相同时，哪层温差大问题：1、多层平壁温度分布()常数332211RtRtRt稳态传热：)(大小，差正比于热阻。即：热流量一定时，温R图4-11通过圆桶壁的热传导trt1t2r1r2rdrbL与平壁稳态导热的异同点相同点：一维稳态导热，Φ=常数不同点：①热流方向（径向）②传热面积沿径向不同4.2.4长圆筒壁的稳态导热径向不同热流密度)/(Aq...222211qrqrrLAr2③(1)计算热流量①单层圆筒壁沿径向取一小薄层，由傅立叶定律：drdtrLdrdtA)2(RtLrrttrrttL2/lnln212211221LrrR2)/ln(12其中，LrLrrrttrrL22ln)())((212122112变形：121221ln))((AAbAAtt1212lnAAAAAm对数平均面积：mAbtt21热流量：mAbLrrR2)/ln(12其中，RtLrrtt2/ln1221②多层圆筒壁33322211141mmmAbAbAbtt12121lnAAAAAm其中，23232lnAAAAAm34343lnAAAAAm334223112412)/ln(2)/ln(2)/ln(LrrLrrLrrttiiRt图4-11通过圆桶壁的热传导trt1t2r1r2rdrb(2)圆筒壁内温度分布可由傅立叶定律得出：drdtrLq)2(11ln2rrLtt积分得：即：沿半径方向，温度分布为非线性.ⅠⅠ处放大图4-12单层球壁的热传导t1t2r1rr2drr1r2r4.2.5圆球壁的稳态导热（自学）热流量：RtAbttm2121214AArrrAm温度分布：非线性跳转到第一页稳态导热时，平板上两层保温材料的温度分布如图，（A、B两层厚度相等），则：A层的热导率B层的热导率；大于ABxtiiRt33322211141AbAbAbttAbRtconst,平壁稳态导热时，提出问题?跳转到第一页解：223112312ln2lnrrrrttLql换位置：mwrrrrttql/8.972ln2ln12321231mW/7.110084.112007.02150200ln15.02100150ln40160最小。最小者，放在最里层，结论：圆筒壁导热，一蒸汽管外壁温为160℃，管外径为100，采用石棉及85%氧化镁粉保温，保温层厚度均为5cm，石棉保温层在内侧，设环境温度为40℃。(1)试求单位管长的热损失，(2)将保温层位置交换，热损失有何变化？mKWmKW/07.0/15.0氧化镁石棉，r1r2r3跳转到第一页作业:P338256