传热与传质学-第三章-稳态热传导-new
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化工学中的传热与传质工程引言化工学中的传热与传质工程是一个重要的学科领域,它研究物质在化工过程中的传热和传质现象以及相关的工程应用。
传热与传质工程的理论和实践对于化工过程的优化和改进起着至关重要的作用。
本教案将从传热与传质的基本原理、传热与传质的数学模型、传热与传质的实验方法以及传热与传质在化工工程中的应用等方面进行论述,旨在帮助学生深入理解和掌握这一学科的核心内容。
一、传热与传质的基本原理传热与传质是物质在不同温度或浓度下的扩散现象。
传热主要指的是热量的传递,而传质则是物质的传递。
在化工过程中,传热与传质的基本原理是理解和解决化工过程中的热和物质平衡问题的基础。
1.1 热传导热传导是指热量通过物质内部的传递。
它是由于物质内部的分子热运动而产生的。
热传导的速率与物质的导热性质有关,可以通过热传导方程进行描述。
在化工过程中,我们需要了解材料的导热性质,以便设计和优化热交换设备。
1.2 对流传热对流传热是指热量通过流体的传递。
它是由于流体的流动而产生的。
对流传热的速率与流体的流动性质有关,可以通过对流传热方程进行描述。
在化工过程中,我们需要了解流体的流动性质,以便设计和优化传热设备。
1.3 辐射传热辐射传热是指热量通过辐射的方式传递。
它是由于物体的热辐射而产生的。
辐射传热的速率与物体的温度和表面性质有关,可以通过辐射传热方程进行描述。
在化工过程中,我们需要了解物体的辐射性质,以便设计和优化辐射传热设备。
二、传热与传质的数学模型传热与传质的数学模型是描述传热与传质现象的基础。
它们可以帮助我们理解和预测传热与传质过程中的各种现象和行为。
2.1 传热与传质的质量守恒方程传热与传质的质量守恒方程是描述传热与传质过程中物质的传递行为的方程。
它可以通过质量守恒定律推导得到。
在化工过程中,我们可以使用质量守恒方程来计算物质的传递速率和传递量。
2.2 传热与传质的能量守恒方程传热与传质的能量守恒方程是描述传热与传质过程中能量的传递行为的方程。
稳态传热与热传导现象热传导是我们日常生活中常见的一种自然现象,它是热力学中的一个重要概念。
热传导可以通过固体、液体和气体等介质传递热量。
而对于固体的热传导,它是指物质内部的热量传递过程,是一种分子间的传递方式。
在固体中,分子通过运动和碰撞传递能量,从而实现热量传导。
这种传导方式是有序的,分子之间以规则的方式相互作用。
当物体的两个端点温度不同时,高温端的分子能量较高,它们会向低温端的分子传递能量,使得两端的温度逐渐趋于平衡。
这种过程被称为稳态传热。
稳态传热的速率与多种因素有关,其中包括物体的导热性能,温度差,截面积等。
导热性能通常用热导率来表示,它反映了物质传导热量的能力。
物质的导热性能通常可以通过热传导方程描述,这个方程既适用于固体,也适用于流体。
除了尺寸和材料等因素外,热传导现象还受到外界环境的影响。
例如,导热性能可能会随着温度的变化而发生改变。
这种现象就是温度依赖性。
在一些材料中,随着温度的升高,固体内部的分子振动会增强,从而导致热传导速率增加。
而在一些液体和气体中,温度升高则会引起分子的扩散,从而增加了热传导的速率。
由于分子之间的相互作用不同,不同材料的导热性能也存在差异。
金属通常具有较高的导热性能,这是因为金属中的自由电子能够快速传递能量。
而一些非金属材料,如塑料和木材等,由于分子之间的相互作用较弱,导致导热性能较低。
热传导不仅仅存在于物质内部,也存在于物质之间的界面。
当两个不同材质的物体接触时,它们之间的分子也会进行能量传递。
这种热传导的方式被称为界面热传导。
界面热传导的速率受到界面接触的质量和物质之间的接触面积等因素的影响。
在实际应用中,我们经常需要降低热传导,以提高物体的绝缘性能。
这时,我们常常采取一些措施,如在物体表面添加绝缘材料或采用多层结构来减少热传导。
同时,也有一些材料具有较低的导热性能,例如空气与真空。
因此,在一些需要隔热的应用中常常采用空气或真空作为隔热材料。
在现代科技的发展中,对热传导的研究也非常重要。
传热与传质的基本原理
传热与传质是热力学和流体力学中的重要概念。
尽管它们的名称相似,但它们代表了两个不同的物理过程。
传热是指通过不同物质之间的能量传递。
它可以是通过热传导、热对流或热辐射的形式。
热传导是通过物质内部分子之间的碰撞传递热能。
热对流是指通过流体的运动传递热能,而热辐射是指通过电磁辐射传递热能,例如阳光向地球传递热能。
传热的速率由热传导、对流或辐射系数决定。
热传导系数是物质传导热能力的度量,表征了物质内部传热的能力。
对流系数是流体传递热能力的度量,表征了流体通过对流传热的能力。
辐射传热系数是物体通过辐射传递热能力的度量,取决于物体的表面特性。
传质是指物质中的组分通过扩散或对流在不同的相中移动。
扩散是指物质在不同浓度之间由高浓度区向低浓度区的自发移动。
对流是指物质通过流体的运动在空间中传输。
例如,氧气通过肺泡壁向血液中传递,或者热咖啡由热杯壁向冷空气中传递。
传质的速率由物质的浓度差、物质的扩散系数和流体速度决定。
浓度差越大,传质速率越快。
扩散系数是物质扩散能力的度量。
它与物质的性质、温度和压强有关。
流体速度越大,传质速率越快。
尽管传热和传质是不同的物理过程,但它们在很多实际问题中是相互耦合的。
例如,在燃烧过程中,热能从火焰传递到周围
的空气中,同时氧气从空气中扩散到火焰中参与燃烧反应。
因此,理解传热和传质的基本原理对于解决许多工程和科学问题至关重要。
《传热传质学》概念汇总第一章绪论1.传热学:研究热量传递规律的科学。
2.热量传递的基本方式:导热、对流、辐射。
3.热传导:物体的各部分之间不发生相对位移,依靠微观粒子的热运动产生的热量传递现象。
4.纯粹的导热只能发生在不透明的固体之中。
5.热流密度:单位时间内通过单位面积的热流量(W/m2)。
6.常温下导热系数(W/m℃):银:427;纯铜:398;纯铝:236;普通钢:30~50;水:0.599;空气:0.0259;保温材料:0.14;水垢:1~3;烟垢:0.1~0.37.热对流:由于流体各部分之间发生相对位移而产生的热量传递现象。
8.热对流只发生在流体之中,并伴随有导热现象。
9.自然对流:由于流体密度差引起的相对运动。
10.强制对流:由于机械作用或其它压差作用引起的相对运动。
11.对流换热:流体流过固体壁面时,由于对流和导热的联合作用,使流体与固体壁面间产生热量传递的过程。
12.辐射:物体通过电磁波传播能量的方式。
13.热辐射:由于热的原因,物体的内能转变成电磁波的能量而进行的辐射过程。
14.辐射换热:不直接接触的物体之间,由于各自辐射与吸收的综合结果所产生的热量传递现象。
15. 传热过程:热流体通过固体壁面将热量传给另一侧冷流体的过程。
16. 传热系数:表征传热过程强烈程度的标尺,数值上等于冷热流体温差1℃时,单位面积上的热流量(W/m 2℃)。
17. 单位面积上的传热热阻:kR K 1= 18. 单位面积上的导热热阻:λδλ=R 19. 单位面积上的对流换热热阻:hR 1=α 20. 对比串联热阻大小可以找到强化传热的主要环节。
21. 单位:物理量的度量标尺。
22. 基本单位:基本物理量的单位。
23. 导出单位:由物理含义导出,以基本单位组成的单位。
24. 单位制:基本单位与导出单位的总和。
25. 常用单位换算:Wh kcal kJ kcal Nkgf Pa atm 163.1/1;1868.4180665.91;1013251====第二章 导热基本定律及稳态导热26. 温度场:物体中温度分布的总称。
一、绪论热量传递三种基本方式,傅里叶定律、牛顿冷却公式、斯忒藩-波尔兹曼定律。
单位换算二、导热导热系数、热扩散率、温度场、稳态温度场、非稳态换热温度场、导热微分方程式222222()t t t tc x y z c∙∂∂∂∂=+++∂∂∂∂λΦτρρ,如何根据已知条件化解导热微分方程,如稳态、无内热源条件下,导热微分方程可以简化成222222t t tx y z∂∂∂++=∂∂∂、拉普拉斯方程、无内热源的稳态一维导热:直角坐标系22ddtx=,圆柱坐标系22d1dd dt tr r r+=,球坐标系22d2dd dt tr r r+=,三类边界条件及其数学表达式三、稳态导热平壁导热:导热系数是温度的线性函数时,如何进行计算。
圆筒壁导热:球壁导热:,导热系数的测定例题3-5等截面直肋(肋端绝热):温度分布=例题3-6热流量:0th()hUΦmHm=θ、接触热阻及其构成,形状因子。
四、非稳态导热第一类边界条件下的一维非稳态导热0()erf /w w t t t t N N x =+-=,惰性时间220.0625 s 16x x a a ==τ,凝固系数,蓄热系数、傅里叶准则、毕渥准则,例题4-4,集总参数法判据、时间常数,例题4-5五、导热问题的数值解法无内热源的稳态二维导热微分方程的差分方程形式、中心差分格式、向前差分格式、向后差分格式、显式格式差分方程、隐式格式差分方程、收敛条件、第三类边界条件的差分方程、高斯-赛德尔方法解方程组例题5-3、循环终止的条件。
六、对流换热临界距离、流体流动形态及其特征图6-7、无滑移边界条件、边界层厚度是如何定义的、雷诺准则、普朗特准则、努赛尔准则、定性温度、特性尺度,例题6-2、6-3、6-4、6-5。
(1)管槽: (注意考虑各种修正)(2)横掠单管和管束: (3)自然对流:。
空气的体胀系数αV =1/T七、辐射换热吸收比、透射比、反射比、维恩位移定律、两个黑体的辐射换热Q 12=E b1A 1X 12-E b2A 2X 21、有效辐射、角系数的相对性和完整性、微元面对微元面的角系数计算12d1,d222cos cos d X A r =πϕϕ、(a) 一个方向无限长封闭三凸面(b)一个方向无限长任意两凸面例题7-3、两个灰体间的辐射换热网络及换热计算、三个灰体间的辐射换热网络、具有重辐射面的封闭腔的辐射换热网络、平均射线行程近似计算公式、火焰炉的辐射网络,例题7-11、气体与黑体包壁之间的辐射换热44g w g g 5.67100100T T q ⎡⎤⎛⎫⎛⎫=-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎣⎦εα,气体与发射率为εw 的灰体包壁之间的辐射换热44g w w g g 15.672100100T T q ⎡⎤⎛⎫+⎛⎫⎛⎫=-⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎣⎦εεα,2222**g H O H O CO CO C C =+-∆εεεε,2222**g H O H O CO CO C C =+-∆αααα。
传热传质学知识点总结传热传质学是工程热力学的重要分支,研究能量与物质在不同物体之间的传递规律和过程。
在工程实践中,传热传质学的理论知识对于热交换设备、能源系统的设计与运行具有重要意义。
为了更好地掌握传热传质学的知识,下面将对传热传质学中的一些重要概念、定律和计算方法进行总结。
一、传热传质的基本概念1. 传热传质的基本定义:传热传质是指物质内部或不同物质之间由于温度或浓度差异而发生的能量和物质的传递过程。
传热传质的基本特征:(1)传热传质是一种自发的过程,其方向取决于传递物质的热力学性质和温差、浓度差等驱动力;(2)传热传质是一个耗散过程,其过程中会伴随一定的能量损失;(3)传热传质不是一个孤立的过程,其通常会与其他工程过程密切相关。
2. 传热传质的基本方式:传热传质主要有三种基本方式:传导、对流和辐射。
(1)传导:传导是指物质内部不同位置之间由于温度差异而发生的热量传递过程。
传导是通过分子或原子的碰撞和振动来传递热量的,其传热速度与温度梯度成正比。
(2)对流:对流是指在流体中由于温度差异而产生的流动导致的热量传递过程。
对流传热通常包括自然对流和强制对流两种方式。
(3)辐射:辐射是指热能通过电磁波的辐射传递的过程,可以在真空中进行。
辐射传热与物体表面温度的四次方成正比,是温度差异越大,传热速度越快。
二、传热传质的重要定律1. 费尔伯传导定律:费尔伯传导定律是描述传热传导过程中热流密度与温度梯度之间关系的定律。
根据费尔伯传导定律,传导热流密度Q与温度梯度∇T成正比,即Q=-k∇T其中,k为热导率。
2. 牛顿冷却定律:牛顿冷却定律是描述对流传热过程中传热速率与流体速度、温度差、传热面积之间的关系。
根据牛顿冷却定律,Q=hA(Ts-T∞)其中,h为对流换热系数,A为传热面积,Ts为传热面温度,T∞为流体温度。
3. 斯特藩-玻尔兹曼定律:斯特藩-玻尔兹曼定律是描述黑体辐射强度与温度之间的关系。
根据该定律,黑体辐射强度与温度的四次方成正比。