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1、第三章 傳 熱,傳熱，即熱量的傳遞，是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞過程。由熱力學(xué)第二定律可知，凡有溫度差存在的地方，就必然有熱的傳遞。在能源、化工、動(dòng)力、冶金等工業(yè)部門都涉及許多傳熱問題。 化工生產(chǎn)中對(duì)傳熱過程的要求有以下兩種情況：一種是強(qiáng)化傳熱過程，如各種換熱設(shè)備中的傳熱；另一種是消弱傳熱過程，如對(duì)設(shè)備、管道的保溫，以減少熱損失。,三種類型換熱器,(1) 直接混合式將熱流體與冷流體直接混合的一種傳熱方式。,(2)蓄熱式先將熱流體的熱量儲(chǔ)存在熱載體上，然后由熱載體將熱量傳遞給冷流體。,,(3)間壁式熱流體通過間壁將熱量傳遞給冷流體，化工中應(yīng)用極為廣泛。,,第一節(jié) 熱傳導(dǎo),1-1 熱
2、傳導(dǎo)與傅立葉定律 熱傳導(dǎo)的定義是：依靠物體內(nèi)部自由電子運(yùn)動(dòng)或分子振動(dòng)，從而導(dǎo)致熱量的傳遞，即熱傳導(dǎo)。,熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律，它是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性定律。實(shí)踐證明，單位時(shí)間內(nèi)的通過單位面積的傳熱量q與垂直于溫度的梯度 成正比。,,1-2 導(dǎo)熱系數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)，溫度梯度為1 Km-1時(shí)，經(jīng)過單位面積所傳遞的熱量。物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)值越大，表明該物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。,,1-3 單層及多層平面壁的定常態(tài)熱傳導(dǎo) 單層平面壁的熱傳導(dǎo)計(jì)算,,,,,n層平壁熱傳導(dǎo)的公式為： 式中：i壁層的序數(shù) n壁的層數(shù),,1-4 圓筒壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)計(jì)算 的圓筒長為L，內(nèi)徑為r1
3、，內(nèi)壁溫度為T1，外半徑為r2，外壁溫度為T2，其熱流量（）。,,推廣到n層圓筒的熱流量公式為：,,第二節(jié) 對(duì)流傳熱,對(duì)流傳熱的定義是，通過流體內(nèi)分子的定向流動(dòng)和混合而導(dǎo)致熱量的傳遞。 2-1 牛頓冷卻定律 對(duì)流傳熱服從牛頓冷卻定律，也稱牛頓傳熱定律。,在固體壁面存在層流層，然后是過度層，再是湍流層。在層流層，熱量靠熱傳導(dǎo)的方式傳遞；在過度層和湍流層，熱量靠分子的流動(dòng)和混合來傳遞。直接按熱傳導(dǎo)的方式處理，顯然不行，因?yàn)橥牧鲗硬荒馨磳?dǎo)熱處理。于是人們嘗試，虛擬一個(gè)傳熱邊界層，使得層流、過度流、湍流的全部傳熱阻力集中在內(nèi)。于是可以按平壁導(dǎo)熱處理。,比例系數(shù)，亦稱傳熱膜系數(shù)，其單位是,,牛頓冷卻定
4、律,2-2 有效膜 假設(shè)有一層厚度為t的靜止流體膜所具有的熱阻，恰好等于擬考察的對(duì)流傳熱過程的熱阻相當(dāng)，則該靜止流體膜稱為傳熱的“有效膜”。,2-3 比例系數(shù)計(jì)算 影響因素 流體的種類：氣體、液體、固體 流體的性質(zhì)：密度、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度等 流體的流型：層流、過度流、湍流等 對(duì)流的種類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流 傳熱壁面的形狀、位置和大小,,2-4 流體無相變時(shí)強(qiáng)制對(duì)流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式 低黏度流體： 當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4，流體被冷卻時(shí)，n=0.3。 高黏度流體：,,圓形管內(nèi)過渡流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)為：,,值的大致范圍： 空氣自然對(duì)流，520 wm-2K-1 ； 空氣強(qiáng)制對(duì)流，20100 w
5、m-2K-1 ； 水蒸汽冷凝，500015000 wm-2K-1 ； 水沸騰，250025000 wm-2K-1,第三節(jié) 熱輻射,3-1 基本概念 當(dāng)波長為0.4-40m的電磁波投射到另一物體上時(shí)，能夠被該物體吸收變成熱能，將這一范圍內(nèi)的電磁波稱為熱射線。當(dāng)物體向外輻射的能量與其從外界吸收的輻射能不相等時(shí)，該物體就與外界進(jìn)行了熱量傳遞，這種傳熱方式稱為熱輻射。,,物體的吸收率為 反射率為 透過率,能量守恒：,黑體：能全部吸收輻射能的物體。A=1 白體：能全部反射輻射能的物體。R=1 透熱體：所有投射在物體上的輻射射線完全透過。D=1 灰體：能部分吸收輻射能的物體。 灰體的黑度 ：,,
6、3-2 斯蒂芬波爾茲曼定律 黑體的輻射能力E0與絕對(duì)溫度的四次方成正比。,,3- 3 實(shí)際物體間的輻射能力 一般物體溫度低于400 673K時(shí)，可忽略輻射傳熱的影響。在化工熱交換計(jì)算中，一般都不考慮輻射傳熱。,,3-4 實(shí)際物體間的輻射傳熱 高溫對(duì)低溫物體的輻射熱流量可用下式表示：,,第四節(jié) 熱交換的計(jì)算,4-1 熱流量方程與傳熱系數(shù) 熱流體對(duì)壁面 間壁內(nèi)傳導(dǎo) 間壁壁面對(duì)冷流體,總熱流量方程：,一、平面壁的總熱流量方程式 K稱為基于內(nèi)表面的總傳熱系數(shù)，它是表示導(dǎo)熱系數(shù)與給熱系數(shù)的綜合傳熱指標(biāo)，是以內(nèi)表面為傳熱面積的K。 K只在微分管段為常數(shù)。但工程計(jì)算中，常由某定性溫度的物性來確
7、定1、2，即將看作常數(shù)，因而此處亦可將K看成常數(shù)。,,二、圓筒壁的總流量方程式 Ko=1/R=R in+R w+R out 總的熱阻等于兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱的熱阻和器壁傳導(dǎo)熱阻之和。,,4-2 傳熱的平均溫度差 恒溫傳熱是指任何時(shí)間內(nèi)經(jīng)過間壁兩側(cè)進(jìn)行熱量交換的兩種流體，其溫度都不發(fā)生變化的傳熱過程。 變溫傳熱是指在傳熱過程中，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體沿傳熱壁面隨位置而變化，若各點(diǎn)上的溫度不隨時(shí)間變則稱之為定常態(tài)變溫傳熱；若間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體溫度不僅隨位置而變，還隨時(shí)間而改變，則稱非定常態(tài)變溫傳熱。,第五節(jié) 間壁式熱交換器,間壁式換熱器的特點(diǎn)是冷、熱兩流體被固體壁面隔開，不相混合，通過間壁進(jìn)行熱量
8、的交換。 從結(jié)構(gòu)來看，有以下幾種：夾套式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器等。,5-1 夾套式換熱器,,5-2 蛇管式換熱器,,5-3 套管式換熱器,,5-4 列管式換熱器,,5-9 各種間壁換熱器的比較和強(qiáng)化傳熱的途徑 各種換熱器的比較 各種換熱器的特點(diǎn)及外表均不相同，采用什么類型的換熱器應(yīng)視具體情況，綜合考慮。,強(qiáng)化傳熱的途經(jīng) 所謂強(qiáng)化傳熱的途徑，就是要想法提高傳熱速率。提高K，A，Tm中的任何一個(gè)，都可以傳熱強(qiáng)化。,,,第六節(jié) 加熱技術(shù),,6-1 高頻加熱與微波加熱 高頻加熱：高頻振蕩器、工作電容器及被加熱的物體。 加熱方式：在整個(gè)被加熱的物體上同時(shí)進(jìn)行加熱，內(nèi)部的分子處于不停的運(yùn)動(dòng)中，加熱均勻、快速。而一般的加熱是從外向里進(jìn)行。 不足：熱效率低，對(duì)無線電及廣播會(huì)產(chǎn)生干擾。 微波加熱：是利用高頻的電磁輻射線（頻率高于高頻加熱的頻率）引其被加熱物體內(nèi)分子的振動(dòng)而產(chǎn)生能量。加熱速度快，均勻，工作環(huán)境好，便于控制。,6-2 紅外線加熱技術(shù) 紅外線加熱是利用紅外線輻射器發(fā)出來的紅外線，照射在被加熱物體上，被物體吸收的部分會(huì)轉(zhuǎn)化為物質(zhì)分子的熱運(yùn)動(dòng)，從而使物體受熱。 特點(diǎn)：加熱速度快，干凈，裝置簡單。但加熱深度不夠，一般多為0.1-2mm，多用于薄層加熱。,本章小結(jié),,,傳熱方式 傳熱計(jì)算 傳熱設(shè)備,
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