化工传递过程基础第六章传热概论与能量方程

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1、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。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。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反热导率或导热系数温度梯度W/m2一、热传导W/(m.oC）热导率单位温度梯度下

2、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0.003～0.06一、热传导（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（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3.固体的热导率纯金属的导热系数与电导率的关

3、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注意k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。一、热传导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；—流体的密度差引起。二、对流传热本课程研究的对流传递包括：①运

4、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

5、的能量方程第六章传热概论与能量方程一、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微元系统：质量一定，体积和形状变化uuuuJ/kg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（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

6、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（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

7、推导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—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（2）固体中的热传导固体内部

8、：化简得导热微分方程二、能量方程的特定形式若无内热源泊松(Poisson)方程若稳态导热傅立叶第二定律若无内热源稳态导热拉普拉斯(Lap