分析化學(xué)概要課件

第五章

傳熱第一節(jié)傳熱概述第二節(jié)熱傳導(dǎo)第三節(jié)對流傳熱第四節(jié)熱交換第五節(jié)輻射傳熱2023/12/3第一節(jié)

傳熱概述一、傳熱的基本方式二、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱三、熱流量和熱阻四、熱交換2023/12/3一、傳熱的三種基本方式熱傳導(dǎo)定義當(dāng)物體內(nèi)部或兩直接接觸的物體間存在溫度差時，溫度較高處的分子因振動而與相鄰分子碰撞，將能量的一部分傳給對方，該種能量傳遞方式稱為熱傳導(dǎo)，或稱導(dǎo)熱。特點兩物質(zhì)之間必須直接接觸或存在媒介；在傳熱過程中，物質(zhì)間沒有空間位移。2023/12/3對流傳熱定義由流體質(zhì)點間發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程或者由流體微團(tuán)改變空間位置所引起的流體和固體壁面之間的熱量傳遞過程稱為對流傳熱。特點主要發(fā)生在流體內(nèi)部或固體和流體之間，在傳熱過程中，流體質(zhì)點或流體微團(tuán)發(fā)生空間位置改變。2023/12/3輻射傳熱定義依靠電磁波輻射實現(xiàn)熱冷物體之間熱量傳遞的過程稱為輻射傳熱。特點不僅是能量的傳遞，還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化；是一種非接觸式傳熱，在真空中也能進(jìn)行。2023/12/3二、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱在傳熱系統(tǒng)中，溫度分布不隨時間而改變的傳熱過程稱為穩(wěn)態(tài)傳熱。非穩(wěn)態(tài)傳熱在傳熱系統(tǒng)中，溫度分布隨時間而改變的傳熱過程稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱。2023/12/3三、熱流量、熱流密度和熱阻熱流量熱流量為傳過一個熱流面的熱量與傳熱時間的比值，符號為Φ，單位為,用公式表示為：熱流密度熱流量Φ與傳熱面積之比，稱為熱流密度，又稱熱通量。用符號表示，單位為。2023/12/3熱阻導(dǎo)熱過程的阻力稱為熱阻。熱阻為導(dǎo)熱體兩側(cè)溫差與熱流密度之比。單位為。2023/12/3四、熱交換兩個溫度不同的物體間進(jìn)行的傳熱過程稱為熱交換，也稱換熱。熱交換的結(jié)果是溫度高的物體的焓較小，溫度低的物體的焓增大。熱交換的基本原則是能量守恒原則，即熱交換所涉及的物質(zhì)的焓變的代數(shù)和為2023/12/3第二節(jié)

熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo)相關(guān)概念二、傅立葉定律和熱導(dǎo)率三、通過平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱四、通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱2023/12/3一、熱傳導(dǎo)相關(guān)概念溫度場某一時刻空間各點的溫度分布，稱為溫度場。對于不穩(wěn)定溫度場對于穩(wěn)定溫度場2023/12/3等溫線和等溫面在某一時刻，將溫度場中具有相同溫度的點連接起來所形成的線或面稱為等溫線或等溫面。2023/12/3三、傅立葉定律和熱導(dǎo)率傅立葉定律在溫度場中，由于導(dǎo)熱所形成的某點的熱流密度正比于該時刻某一點的溫度梯度，表達(dá)式為熱導(dǎo)率上式中的λ稱為熱導(dǎo)率，單位(·)。它的物理意義為某物質(zhì)在單位溫度梯度時所通過的熱流密度。2023/12/3四、通過平壁的穩(wěn)定傳熱通過單層平壁的穩(wěn)定傳熱因是穩(wěn)定傳熱，是常量，分離變量后積分積分后()()熱阻對于面積為的平壁2023/12/3通過多層平壁的穩(wěn)定傳熱因是穩(wěn)定傳熱，通過各層的熱流密度相等，則推論到層平壁，則應(yīng)用加比定律，則()()2023/12/3若各層的面積為，則總熱阻為2023/12/3例：冷庫壁由兩層組成：外層為紅磚，厚，導(dǎo)熱率為(·)；內(nèi)層為軟水，厚，導(dǎo)熱率為(·)。軟木層的防水絕緣層熱阻可忽略不計。紅磚和軟木層的外表面溫度分別為℃和℃。試計算通過冷庫壁的熱流密度及兩層接觸面處的溫度。2023/12/3解：令外墻高溫側(cè)溫度為，內(nèi)墻低溫側(cè)溫度為,兩墻接觸面溫度為，則（℃）2023/12/3四、通過圓筒壁的穩(wěn)定傳熱通過單層圓筒壁的穩(wěn)定傳熱取半徑處厚度為的薄圓柱層，則積分結(jié)果為()分離變量積分得2023/12/3熱阻為令，則于是2023/12/3再令2023/12/3四、通過圓筒壁的穩(wěn)定傳熱通過多層圓筒壁的穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱時，通過各層的熱流量相等，則2023/12/3推論到層圓筒壁，有()令則()2023/12/3例：直徑為Φ×的鋼管用厚的軟木包扎，其外又用厚的保溫灰包扎，以作為絕熱層?，F(xiàn)測得鋼管外壁面溫度為℃，絕熱層外表溫度為℃。已知軟木和保溫灰的平均熱導(dǎo)率分別為和(·)，試求每米管長的冷量損失量。2023/12/3解：2023/12/3第五章

流體流動一、牛頓冷卻定律二、對流傳熱基本原理三、無相變的對流傳熱四、有相變的對流傳熱第三節(jié)

對流傳熱2023/12/3牛頓冷卻定律一、牛頓冷卻定律與對流傳熱的基本原理為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或傳熱膜系數(shù)。單位空氣自然對流，的范圍為空氣強(qiáng)制對流，的范圍為水自然對流，的范圍為的范圍為水強(qiáng)制對流，2023/12/3對流傳熱的機(jī)理2023/12/3各因素對對流傳熱系數(shù)影響的方程式2023/12/3努賽爾數(shù)，表征特點表明的傳熱系數(shù)雷諾數(shù)，表征流動狀態(tài)的影響格拉曉夫數(shù)，表征物性的影響普朗特數(shù)，表征自然對流的影響2023/12/3二、無相變的對流傳熱自然對流傳熱2023/12/32023/12/3強(qiáng)制對流傳熱管內(nèi)層流2023/12/3管內(nèi)湍流式中各物性參數(shù)查取所依定型溫度與層流相同。2023/12/3例題：將粗碎的番茄通過管子從溫度℃加熱到℃。管子內(nèi)徑為，內(nèi)表面溫度保持℃。番茄流量為。已知物料物性參數(shù)為ρ；(·);μ·(℃);μ·(℃);λ(·)。試求番茄與管子內(nèi)表面之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。2023/12/3流體的流動類型屬于管內(nèi)流動，首先判斷是層流還是湍流流動類型按湍流處理2023/12/32023/12/3管外對流()單管2023/12/3流體垂直流過單管的平均對流傳熱的特征數(shù)方程為：2023/12/3()管束2023/12/32023/12/32023/12/3三、有相變的對流傳熱沸騰傳熱對于水的沸騰，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計算工作壓力，熱流密度，2023/12/3冷凝傳熱豎直管道，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計算2023/12/3水平管道，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計算管子外徑，水平管在垂直列上的管子數(shù)2023/12/3第五章

流體流動一、換熱器二、穩(wěn)態(tài)傳熱的計算三、非穩(wěn)態(tài)傳熱的計算第四節(jié)

熱交換2023/12/3一、換熱器管殼式換熱器結(jié)構(gòu)形式管殼式換熱器可分為固定管板式、形管式和浮頭式三種。2023/12/3補(bǔ)償圈式列管換熱器2023/12/3型管式列管換熱器2023/12/3浮頭式列管換熱器2023/12/32023/12/3管程結(jié)構(gòu)管子采用小管徑的。常用的有φ×,φ×和φ×的無縫鋼管。管板將管束連接在一起，并將管程和殼程流體分隔開。管子與管板的連接可采用脹接和焊接。2023/12/3殼徑較小采用封頭；殼徑較大時多采用管箱結(jié)構(gòu)。二者的作用是控制和分配管程流體。2023/12/3殼程結(jié)構(gòu)殼程分為殼體和折流擋板兩部分。殼體為圓形，直徑小于厘米時，用鋼管制造；直徑大于厘米時，用鋼板卷焊。折流擋板以圓缺型和環(huán)盤型最為常見。2023/12/3板式換熱器片式換熱器()總體結(jié)構(gòu)2023/12/3進(jìn)出流體管口在同側(cè)2023/12/3進(jìn)出流體管口在兩側(cè)2023/12/3板式換熱器的換熱片2023/12/3()流道形式2023/12/32023/12/32023/12/3螺旋板式換熱器2023/12/3二、穩(wěn)定換熱的計算熱流體側(cè)熱流密度為：間壁導(dǎo)熱熱流密度為：冷流體側(cè)熱流密度為：換熱基本方程2023/12/3將上述三式相加，消去壁表溫度，得令則即或2023/12/3總傳熱系數(shù)的計算對于多層平壁對于單層平壁2023/12/3對于單層圓筒壁2023/12/3對于多層圓筒壁2023/12/3例：蘋果醬流經(jīng)長Φ×的不銹鋼管道，其溫度由℃加熱到℃，不銹鋼的熱導(dǎo)率為(?)，管外加熱蒸汽的表壓為，管外壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(?),管內(nèi)壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(?)。計算總傳熱系數(shù)及單位管長的熱流量。2023/12/3解：2023/12/3換熱平均溫差的計算2023/12/3在換熱器中取一微元段為研究對象，其換熱面積為,在內(nèi)流體因放熱降溫，冷流體因吸熱升溫,而熱流量為Φ。由熱量衡算有:2023/12/32023/12/32023/12/3方程的討論用并流推導(dǎo)，會得到相同的計算公式。若換熱器進(jìn)出口兩端兩流體溫差變化不大，當(dāng)時，可用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值。對于錯流和折流換熱的計算，可在上述等式的右側(cè)乘以一個校正因數(shù)。2023/12/3例：用刮板式換熱器對果醬進(jìn)行冷卻，蘋果醬質(zhì)量流量為，比定壓熱容為(?)，入口和出口溫度分別為℃和℃。套管環(huán)隙逆流通冷水，入口和出口溫度分別為℃和℃。總傳熱系數(shù)為(?)。求所需冷卻水流量。換熱平均溫差和換熱面積若改為并流，兩流體出入口溫度同前，求()項各值。2023/12/3解：()()2023/12/3()2023/12/3三、非穩(wěn)態(tài)換熱的計算四個重要的量綱一的參數(shù)時間比：溫度比：熱阻比：距離比：2023/12/3忽略內(nèi)阻的非穩(wěn)定換熱（>）換熱內(nèi)阻與外阻相比可以忽略。該情況適用于：金屬物體的加熱和冷卻；容器內(nèi)得到很好攪拌的食品的加熱和冷卻。2023/12/3例：將密度、比定壓熱容(·)的番茄汁放入半徑為的半球形夾層鍋中加熱。番茄汁初溫為℃，在鍋內(nèi)充分?jǐn)嚢琛Ｕ羝麏A套的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(·)，蒸汽的溫度為℃。計算加熱后番茄汁的溫度。2023/12/3解：解得2023/12/3內(nèi)阻和外阻共存的非穩(wěn)定換熱（>>）大多數(shù)食品的加熱和冷卻都屬于該情況，通過查圖判斷參數(shù)、和之間的關(guān)系，從而對未知物理量進(jìn)行求取。特性尺寸對于大平板，為半厚度對于球體，為球半徑對于圓柱體，為柱體半徑2023/12/3例：將直徑、初溫℃的蘋果放入℃的冷水流中，水對蘋果的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(·)，蘋果熱導(dǎo)率(·)，比定壓熱容(·)，密度。求使蘋果中心溫度冷卻至℃所需的時間。2023/12/3解：視蘋果為球體。查圖，得對應(yīng)。2023/12/32023/12/32023/12/3可忽略外阻的非穩(wěn)定換熱（<）灌裝食品的換熱多數(shù)屬于該情況，同樣通過查圖的方式對未知物理量進(jìn)行求取。例：將半徑為、高的豌豆?jié){罐頭在蒸汽中加熱殺菌，蒸汽溫度為℃，蒸汽對罐頭的傳熱膜系數(shù)α(·)，碗豆?jié){的熱導(dǎo)率為λ(·)，比定壓熱容(·)，密度為ρ，罐頭初溫℃。求加熱后，罐頭中心處的溫度。2023/12/3解：()計算長圓柱的溫度比。查圖的線，得。2023/12/3()計算大平板的溫度比。查圖的線，得。2023/12/3()作為有限圓柱體的罐頭，其溫度比2023/12/3第五章

流體流動一、熱輻射的基本概念二、熱輻射基本定律三、熱輻射相關(guān)計算四、微波加熱第五節(jié)

輻射傳熱2023/12/3一、輻射的基本概念和性質(zhì)熱輻射的定義僅因自身溫度原因而發(fā)出的輻射成為熱輻射。熱輻射的性質(zhì)不需要介質(zhì)以光速傳播具有波動性，波長為微米，具有粒子性，2023/12/3吸收率、反射率和透過率吸收率反射率透過率2023/12/3黑體、白體與透熱體黑體透熱體鏡體2023/12/3輻射功率和輻射流率輻射功率物體在單位時間內(nèi)發(fā)射出的輻射能，稱為輻射功率輻能流率單位面積上發(fā)射出的輻射功率，稱為輻能流率2023/12/3二、輻射定律普朗克定律黑體在波長的單色輻能流率，波長，熱力學(xué)溫度第一輻射常量，×?第二輻射常量×?2023/12/3斯特藩玻爾茲曼定律對于灰體，其黑度因此，對于灰體2023/12/3基爾霍夫定律上兩式相除，對于灰體對于黑體因為對于灰體，所以對于灰體2023/12/3二、輻射傳熱相關(guān)計算極大兩平行板間的輻射換熱2023/12/3一物體被另一物體包圍時的傳熱2023/12/3面積有限的兩平行板間的輻射傳熱2023/12/32023/12/3例：烤爐內(nèi)一塊面包的黑度為，表面積為，表面溫度為℃。已知面包表面積與爐壁面積比很小