化工传递第六章

化工传递第六章第1页，共35页，2023年，2月20日，星期一第六章传热概论与能量方程

本章讨论热量传递的方式，各种传热过程的机理以及能量方程的推导。第2页，共35页，2023年，2月20日，星期一6.1热量传递的基本方式三、辐射传热一、热传导二、对流传热第六章传热概论与能量方程第3页，共35页，2023年，2月20日，星期一一、热传导热量不依靠宏观混合运动而从物体的高温区向低温区移动的过程；借助于物体分子、原子、离子、自由电子等微观粒子的热运动产生的热量传递，简称导热；导热在气体、液体和固体中均能发生；导热的推动力：温度差。第4页，共35页，2023年，2月20日，星期一

描述导热现象的物理定律为傅立叶定律（FourierLaw），其数学表达式为导热通量热通量与温度梯度方向相反热导率或导热系数温度梯度J/m2·s一、热传导第5页，共35页，2023年，2月20日，星期一J/(m.s.K

）

热导率单位温度梯度下的热通量。表征物质热传导能力的大小，是物质的基本物理性质之一，其值与物质的形态、组成、密度、温度及压力有关。来源：手册，附录。一、热传导第6页，共35页，2023年，2月20日，星期一

介质热导率，J/(m·s·K)

气体

0.006～0.06液体0.1～0.7非导电固体0.2～3.0金属15～420绝热材料

0.003～0.06一、热传导第7页，共35页，2023年，2月20日，星期一（1）气体的热导率气体无关（极高、极低压力除外）～～常压气体混合物组分i的摩尔分数组分i的摩尔质量一、热传导第8页，共35页，2023年，2月20日，星期一（2）液体的热导率金属液体的热导率比一般的液体要高。纯液体的热导率比其溶液的要大。液体～～无关除水和甘油外一、热传导第9页，共35页，2023年，2月20日，星期一3.固体的热导率纯金属的导热系数与电导率的关系可用魏德曼（Wiedeman）-弗兰兹（Franz）方程描述良好的电导体必然是良好的导热体，反之亦然。热导率电导率洛伦兹(Lorvenz)数一、热传导第10页，共35页，2023年，2月20日，星期一大多数均质固体，热导率与温度近似呈线性：大多数金属材料，<0大多数非金属材料，>00oC时的导热系数温度系数若沿各方向的导热系数相等—多维导热同性。一、热传导第11页，共35页，2023年，2月20日，星期一

对流传热是由流体内部各部分质点发生宏观运动和混合而引起的热量传递过程，因而对流传热只能发生在流体流动的场合。

对流传热强制对流传热自然对流传热—外力作用引起；—温度差引起得流体的密度差引起。二、对流传热第12页，共35页，2023年，2月20日，星期一本课程研究的对流传递包括：①运动流体与固体壁面之间的热量传递；②两个不互溶流体在界面的热量传递。二、对流传热tftsts＞tf流向液体↓

tl↑气体

tg第13页，共35页，2023年，2月20日，星期一

对流传热速率可由牛顿冷却定律描述，即：对流传热通量对流传热系数或膜系数流体与壁面间温度差W/m2二、对流传热第14页，共35页，2023年，2月20日，星期一

因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射与热传导和对流传热的最大区别就在于它可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。

描述热辐射的基本定律是斯蒂芬(Stefan)-玻尔兹曼(Boltzmann)定律：三、辐射传热q/A

—黑体的发射能力；σ0

—黑体的辐射常数，5.67×10-8W/(m2·K4)T

—黑体表面的绝对温度；A

—黑体的表面积适用于绝对黑体的热辐射。第15页，共35页，2023年，2月20日，星期一6.1热量传递的基本方式6.2能量方程一、能量方程的推导

二、能量方程的特定形式三、柱坐标系与球坐标系的能量方程第六章传热概论与能量方程第16页，共35页，2023年，2月20日，星期一一、能量方程的推导

能量守恒定律封闭系统的热力学第一定律：拉格朗日观点在流场中选一流体微元：质量一定，体积和形状变化uuuu第17页，共35页，2023年，2月20日，星期一热力学第一定律在流体微元上的表达式单位时间变化速率Lagrange观点[J/s]微元系统dV设某一时刻，微元系统的体积为dV=dxdydzM=ρdVJ/(kg.s)一、能量方程的推导

dzdxdy第18页，共35页，2023年，2月20日，星期一流体微元内能增长速率加入流体微元的热速率环境对流体微元所作的功率一、能量方程的推导

第19页，共35页，2023年，2月20日，星期一（1）对流体微元加入的热速率加入的热速率①环境流体导入流体微元的热速率；②流体微元发热速率；③辐射传热速率。采用拉格朗日方法—无对流传热；辐射传热可忽略。一、能量方程的推导

第20页，共35页，2023年，2月20日，星期一x方向：导入的热速率导出的热速率（导入－导出)x一、能量方程的推导

第21页，共35页，2023年，2月20日，星期一同理，y，z方向：总的导热速率差（导入－导出)y（导入－导出)z（导入－导出)一、能量方程的推导

第22页，共35页，2023年，2月20日，星期一代入得设导热三维同性，kx=ky=kz=k，由傅立叶定律（导入－导出)一、能量方程的推导

第23页，共35页，2023年，2月20日，星期一则—单位体积流体生成的热速率设J/(m3

.s）

故对于一般情况，假定微元系统内部存在内热源。（1）一、能量方程的推导

第24页，共35页，2023年，2月20日，星期一（2）表面应力对流体微元所作的功率表面应力压力引起使流体微元发生体积形变黏滞力引起—膨胀功由于黏性产生摩擦—摩擦热一、能量方程的推导

第25页，共35页，2023年，2月20日，星期一J/(m3

.s）

流体微元体积形变速率为流体微元所作的膨胀功率为或负号表示压力方向与法线方向相反J/

s一、能量方程的推导

第26页，共35页，2023年，2月20日，星期一—单位体积流体产生的摩擦热则设J/(m3

.s）

故散逸热速率J/s（2）一、能量方程的推导

第27页，共35页，2023年，2月20日，星期一能量方程：由能量方程将（1）及（2）代入上式，得J/(m3.s）一、能量方程的推导

第28页，共35页，2023年，2月20日，星期一二、能量方程的特定形式（1）不可压缩流体的对流传热当流速不是特别高、黏度较低时不可压缩流体化简得第29页，共35页，2023年，2月20日，星期一定压比热容由不可压缩流体因此得定容比热容或二、能量方程的特定形式第30页，共35页，2023年，2月20日，星期一令则导温系数(热量扩散系数)展开得对流传热微分方程二、能量方程的特定形式第31页，共35页，2023年，2月20日，星期一（2）固体中的热传导固体内部：化简得不稳态导热微分方程二、能量方程的特定形式第32页，共35页，2023年，2月20日，星期一若无内热源泊松(Poisson)方程若稳态导热傅立叶第二定律若无内热