化工传递-6传热概论与能量方程ppt课件.ppt

Ch6：传热概论与能量方程：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。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物课后学习与作业：课后学习与作业： n第六章的概念和例题；第六章的概念和例题；n第六章作业：第六章作业：6-2，6-4，6-5采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物辐射传热 热传导、对流传热、一、热传导 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。 热量依靠物体内部粒子的微观运动而不依靠宏观混合运动从物体中的高温区向低温区移动的过程称为热传导，简称导热。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物 气体导热：气体分子作不规则热运动 时相互碰撞的结果； 液体导热：导热机理与气体类似； 固体导热：自由电子的迁移和晶格振动.采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物 qtkAn 描述导热现象的物理定律为傅立叶定律（Fourier Law），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采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物 q AktnW/( m . oC） 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。 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物 介 质 热导率，W/(m.oC) 气气 体体 0.0060.06 液液 体体 0.10.7非导电固体非导电固体 0.23.0 金金 属属 15420 绝热材料绝热材料 0.0030.06采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物（1）气体的热导率 气体无关（极高、极低压力除外）kTkp1/311/31niiiimniiik y Mky M常压气体混合物组分i的摩尔分数组分i的摩尔质量采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物（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kT无关kp除水和甘油外采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物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。 ekLkT热导率电导率洛伦兹(Lorvenz)数(6-12) 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物大多数均质固体，热导率与温度近似呈线性：01kkt大多数金属材料， 00 oC 时的导热系数温度系数)(温度场的位置fk 注意注意: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。 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物 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 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物 本课程研究的对流传递包括：运动流体与固体壁面之间的热量传递；两个不互溶流体在界面的热量传递。 tftststf流向液体 tl气体 tg采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物 对流传热速率可由牛顿冷却定律描述，即： q Ah t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(6-13) 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物40q AT 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 (6-14) 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物地板采暖示意图BBQ以什么方式进行热传递？采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物能量方程的特定形式柱坐标系与球坐标系的能量方程 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物UQ W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：热力学第一定律：系统总能量的变化等系统总能量的变化等于系统所吸收的热与环境所作的功之差。于系统所吸收的热与环境所作的功之差。WQUgzu22kgJ /采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物热力学第一定律在流体微元上的表达式 (P128!)J/s 设某一时刻 ，微元系统的体积为 dV=dxdydzLagrange观点DUDQDWDDD微元系统dVM=dVDUDQDWdxdydzdxdydzdxdydzDDDUQ WdUdQdWddd单位时间变化速率J/(kg.s)dzdxdy(6-19) 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物DUDQDWdxdydzdxdydzdxdydzDDD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(6-19) :采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物（1）对流体微元加入的热速率加入的热速率环境流体导入流体微元的热速率； 流体微元发热速率；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。DQdxdydzDdzdxdy采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物x 方向：()xqdydzA导入的热速率导出的热速率（导入导出)x() xqdxdydzxA ()() xxqqdx dydzAxAy( )( ) xxqqdxAx Azxdxdydz()xqA采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物同理，y ，z 方向：总的导热速率差() yqdxdydzyA （导入导出)y() zqdxdydzzA （导入导出)z( ) ( ) ( ) xyzqqqdxdydzxAyAzA（导入导出)采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物()xqtkAx 代入得：()yqtkAy ()zqtkAz 设导热三维同性，kx = ky= kz= k，由傅立叶定律( ) ( ) ( ) xyzqqqdxdydzxAyAzA（导入导出)dxdydzztytxtk)(222222）（输出-输入！环境！环境！ ！微元！微元！采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物则222222()DQtttdxdydzkdxdydzDxyzqdxdydz dxdydzq 流体微元发热速率单位体积流体生成的热速率q 设J /( m3 . s） 故 对于一般情况，假定微元系统内部存在内热源。（6-20）采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物（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dydxdzxxyxzxxyyyzyzxzyzzxz采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物J /( m3 . s） 流体微元体积形变速率为1 DD uvv流体微元所作的膨胀功率为()()yxzuuuppxyz u或()pdxdydzudxdydzzuyuxupzyx)(负号表示压力方向负号表示压力方向与法线方向相反与法线方向相反J / s采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物单位体积流体产生的摩擦热则()yxzDWdxdydzDuuupdxdydzdxdydzxyzdxdydz摩擦热速率设J /( m3 . s） 故散逸热速率J /s(6-21)采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物能量方程：由能 量 方 程DUDQDWdxdydzdxdydzdxdydzDDD将（1）及（2）代入上式，得222222()()yxzuuuDUtttkqpDxyzxyz J/(m3.s）（6-22a） 222222(xyz数量式）采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物二、二、能量方程的特定形式能量方程的特定形式 0zuyuxuzyx当流速不是特别高、黏度较低时0不可压缩流体化简得222222()DUtttkqDxyz采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物定压比热容由pVcc tcUV不可压缩流体因此得222222()pDttttckqDxyz定容比热容或222222()ppDtktttqDcxyzctcUp采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物令pkc则导温系数(热量扩散系数)展开得222222()pDttttqDxyzc222222()xyzptttttttquuuxyzxyzc对流传热微分方程2sm（6-26a） 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物固体内部：00u化简得tctcDUpV222222()pttttqxyzc导热微分方程DDtux，uy，uz = 0可写成t有内热源固体中的导热（6-27） 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物若无内热源222222()ttttxyz泊松(Poisson)方程若稳态导热kqztytxt222222傅立叶第二定律若无内热源稳态导热0222222ztytxt拉普拉斯(Laplace)方程（6-29） （6-30） 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物1. 柱坐标ztutrurtutzr22*22211()ptttqrrrrrzc),(zrft柱坐标温度场能量方程三、柱坐标系与球坐标系的能量方程三、柱坐标系与球坐标系的能量方程 （6-31） 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物2. 球坐标 *221()sinruuttttturrrrrrrpcqtrtrsin1)(sinsin122222),(rft球坐标温度场能量方程（6-32）