化工传递过程第六章

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。第六章

传热概论与能量方程热量传递简称为传热，是自然界和工程技术领域极普遍的一种传递过程。热力学第二定律指出，凡是有温度存在的地方就必然有热量的传递，故在几乎所有的工业部门，如化工、能源、冶金、机械、建筑等都涉及传热问题。12第六章

传热概论与能量方程36.1热量传递的基本方式热传导对流传热辐射传热第六章

传热概论与能量方程6.2能量方程能量方程的推导能量方程的特定形式柱坐标系与球坐标系的能量方程

4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。6.1热量传递的基本方式－热传导5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W/m26.1热量传递的基本方式－热传导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6W/(m.oC）

热导率6.1热量传递的基本方式－热传导机理：气体导热是气体分子做不规则热运动的结果依据分子运动论7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W/(m.oC）

热导率6.1热量传递的基本方式－热传导机理：气体导热是气体分子做不规则热运动的结果依据分子运动论8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（1）气体的热导率气体无关（极高、极低压力除外）～～6.1热量传递的基本方式－热传导热导率单原子气体多原子气体依据分子运动论9（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6.1热量传递的基本方式－热传导～常压气体混合物组分i的摩尔分数组分i的摩尔质量(机理与气体的导热相似。分子间距小，力场对分子碰撞过程影响较大）10（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。6.1热量传递的基本方式－热传导机理：自由电子的迁移和晶格的振动洛伦兹(Lorenz)常数热导率电导率可移动的自由电子浓度11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，

>0k

一般为平均导热系数。若沿各方向的导热系数相等—多维导热同性。6.1热量传递的基本方式－热传导0oC时的导热系数温度系数非导电的固体中，导热是通过晶格结构的振动来实现12

介质热导率，W/(m.oC)

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

0.003～0.066.1热量传递的基本方式－热传导常见物质的热导率13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内部。

对流传热强制对流传热自然对流传热—外力作用引起（泵或搅拌器）—流体的温度差引起的密度差6.1热量传递的基本方式－对流传热14Thisfigureshowsacalculationforthermalconvection.Colorsclosertoredarehotareasandcolorsclosertobluearecoldareas.Inthisfigure,ahot,less-denselowerboundarylayersendsplumesofhotmaterialupwards,andlikewise,coldmaterialfromthetopmovesdownwards.ThisfigureisfromamodelofconvectionintheEarth'smantle化工过程中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。流向tftsts＞tf液体↓tl↑气体tg流体中的分子同时进行无规则的热运动，故对流传热必然伴随着导热现象6.1热量传递的基本方式－对流传热15对流传热速率可由牛顿冷却定律描述，即：W/m2K6.1热量传递的基本方式－对流传热流体与壁面间温度差对流传热通量对流传热系数或膜系数适用于一般的流体16有相变的流体，如冷凝、沸腾的传热机理与对流传热不同相界面处的湍动（相变）传热系数以及有效传热界面变化温度差产生的电磁波在空间的传递过称为热辐射

描述热辐射的基本定律是斯蒂芬-玻尔兹曼定律：

(Stefan－Boltzmann

)176.1热量传递的基本方式－辐射传热无需任何介质，以一定波长范围的电磁波进行传导区别：黑体的发射能力黑体的辐射常数（斯蒂芬-玻尔兹曼常数）黑体的绝对温度工程灰体：以相等的吸收率吸收所有波长辐射能人体：1.5～2m2，70Kg,1.75m,310Kq=0.11W186.1热量传递的基本方式－辐射传热6.1热量传递的基本方式热传导对流传热辐射传热第六章

传热概论与能量方程6.2能量方程能量方程的推导能量方程的特定形式柱坐标系与球坐标系的能量方程

19206.2.1能量方程的推导流体流动动量传递＋能量传递3个方程依据能量守恒定律（热力学一定律）得到的微分能量衡算方程Thelawstatesthatenergycanbetransformed,i.e.changedfromoneformtoanother,butcannotbecreatednordestroyed.Itisusuallyformulatedbystatingthatthechangeintheinternalenergyofasystemisequaltotheamountofheatsuppliedtothesystem,minustheamountofworkperformedbythesystemonitssurroundings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微元系统：质量一定，体积和形状变化uuuu216.2.1能量方程的推导依据能量守恒定律（热力学一定律）得到的微分能量衡算方程单位质量流体热力学第一定律：系统总能量的变化等于系统所吸收的热与环境所做功之差Lagrange观点：226.2.1能量方程的推导流体微元内只有内能的变化，动能与势能恒定微元和流体之间只有分子传递，忽略热辐射周围流体对微元的功表现为表面应力对微元的做功热力学第一定律应用在流体微元上：单位时间变化速率Lagrange观点微元系统dV微元系统的体积为dV=dxdydzM=ρdVdzdxdy236.2.1能量方程的推导内能增长率＝加入热速率＋表面应力作功率246.2.1能量方程的推导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（忽略）①

体积形变和扭曲形变压应力摩擦变形x方向：导入的热速率导出的热速率（导入－导出)x25（1）对流体微元加入的热速率6.2.1能量方程的推导热通量同理，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)266.2.1能量方程的推导代入得:设导热三维同性，kx=ky=kz=k，由傅立叶定律（导入－导出)276.2.1能量方程的推导则—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。286.2.1能量方程的推导296.2.1能量方程的推导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①

体积形变和扭曲形变压应力摩擦变形（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—逸散热摩擦热306.2.1能量方程的推导流体微元体积形变速率为流体微元所作的膨胀功率为负号表示压力方向与流体微元表面法线方向相反压力引起—单位体积流体产生的摩擦热则设J/(m3

.s）

故表面应力对流体微元所做的功率为压力与黏性力所做的功率之和J/s316.2.1能量方程的推导能量方程：由能量方程将（1）及（2）代入上式，得326.2.1能量方程的推导33（1）不可压缩流体的对流传热不可压缩流体6.2.2能量方程的特定形式由不可压缩流体因此得或定容比热容定压比热容令则展开得对流传热微分方程346.2.2能量方程的特定形式导热系数(热量扩散系数)（2）固体中的热传导固体内部：化简得导热微分方程356.2.2能量方程的特定形式无宏观运动若无内热源泊松(Poisson)方程若