热量传递概论与能量方程幻灯片.ppt

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1、热量传递概论与能量方程热量传递概论与能量方程第1页，共28页，编辑于2022年，星期日第一节第一节 传热方式传热方式1.热传导热传导流流体体及及非非金金属属固固体体内内的的导导热热是是由由于于分分子子的的微微观观运运动动，纯纯金金属属的的导导热热则则是是由由于于自自由由电电子子的存在的存在而发生。而发生。当流体中存在当流体中存在温度梯度温度梯度时，由于分子的无时，由于分子的无规则运动，结果是具有规则运动，结果是具有较高能量较高能量的分子的分子转移转移到具有到具有较低能量较低能量分子的区域，从而产生分子的区域，从而产生热量热量传递传递。第2页，共28页，编辑于2022年，星期日在在非非金金属属固

2、固体体内内，由由于于分分子子在在其其平平衡衡位位置置处处的的不不断断振振动动，亦亦能能将将能能量量由由高高温温区区传传递递到到低温区低温区。纯纯金金属属内内有有较较高高浓浓度度的的自自由由电电子子，在在温温差差存存在在条条件件下下，自自由由电电子子的的流流动动能能使使热热量量由由高高温区温区移向移向低温区低温区。若若金金属属中中含含有有杂杂质质，如如合合金金，由由于于自自由由电电子浓度降低，则其导热性能也会大大下降。子浓度降低，则其导热性能也会大大下降。非非金金属属中中自自由由电电子子很很少少，故故与与金金属属相相比比其导热性能亦很差。其导热性能亦很差。第3页，共28页，编辑于2022年，星期

3、日描述导热现象的定律是傅立叶定律。描述导热现象的定律是傅立叶定律。(7-1)K为导热系数，是物性常数，主要是温为导热系数，是物性常数，主要是温度的函数，压力对大多数物质的度的函数，压力对大多数物质的k值影响很值影响很小，仅在很高或很低的压力下，气体的导热小，仅在很高或很低的压力下，气体的导热系数才与压力有关。系数才与压力有关。2.对流传热对流传热由流体微团的宏观运动所致由流体微团的宏观运动所致第4页，共28页，编辑于2022年，星期日当当固固体体壁壁面面与与其其附附近近的的流流体体之之间间存存在在温温度度差差时时，由由于于流流体体微微团团位位移移的的结结果果，便便在在壁壁面与流体之间发生热交换

4、。面与流体之间发生热交换。对对流流传传热热可可由由强强制制对对流流引引起起，如如搅搅拌拌或或泵泵等等外外力力的的干干扰扰导导致致的的对对流流。也也可可由由自自然然对对流流引引起起，即即因因流流体体内内部部存存在在温温差差，形形成成流流体体的的密密度度差差，从从而而使使流流体体微微团团在在固固体体壁壁面面与与其其附附近近流流体体之之间间产产生生上上下下方方向向的的循循环环运动。运动。第5页，共28页，编辑于2022年，星期日对流传热速率可用牛顿冷却定律描述。对流传热速率可用牛顿冷却定律描述。(7-2)q对流传热速率对流传热速率固体壁面与流体主体之间的温差固体壁面与流体主体之间的温差h对流传热系数

5、，或称膜系数对流传热系数，或称膜系数第6页，共28页，编辑于2022年，星期日h与与许许多多因因素素有有关关，如如壁壁面面的的几几何何形形状状、粗粗糙糙度度、流流体体物物性性、流流型型、流流速速及及温温差差等等。至至今今尚尚未未彻彻底底弄弄清清楚楚它它们们之之间间的的具具体体关关系系，因因此十分复杂。此十分复杂。但但影影响响最最大大的的是是流流型型和和流流速速。因因有有层层流流内内层层的的存存在在，所所以以即即使使在在强强烈烈湍湍流流的的情情况况下下，壁壁面附近仍然为导热。面附近仍然为导热。壁壁面面与与流流体体主主体体之之间间的的传传热热阻阻力力只只要要集集中中于于层层流内层之中，因此流内层之

6、中，因此h又称为又称为膜系数膜系数。第7页，共28页，编辑于2022年，星期日方方程程（72）亦亦可可用用来来描描述述有有相相变变的的传传热热，如如沸沸腾腾传传热热和和冷冷凝凝传传热热。虽虽然然其其机机理理与与强强制制对对流流和和自自然然对对流流不不同同，但但通通常常还还是作为对流传热过程来处理。是作为对流传热过程来处理。因因冷冷凝凝和和沸沸腾腾传传热热伴伴随随有有相相的的变变化化，气气液液两两项项界界面面处处产产生生强强烈烈的的骚骚动动，故故其其h值比无相变时值比无相变时高的多高的多。3.辐射传热辐射传热第8页，共28页，编辑于2022年，星期日辐辐射射传传热热无无需需任任何何介介质质，只只

7、要要物物体体温温度度高高于于0K，它它就就可可以以发发射射能能量量，并并以以电电磁磁波波形形式式向空间传播。向空间传播。具具有有能能量量的的这这部部分分电电磁磁波波称称为为热热辐辐射射线线，当当它它投投射射到到较较低低温温度度的的物物体体表表面面时时，将将部部分分的的被被吸吸引引而而变变为为热热能能。单单位位表表面面积积，单单位位时时间间内内绝绝对对黑黑体体所所发发射射出出去去的的热热量量，称称为为绝绝对对黑黑体体的的发发射射能能力力。可可用用Stefan-Boltzmann定定律律描描述述第9页，共28页，编辑于2022年，星期日黑黑体体发发射射常常数数，又又称称Stefan-Boltzma

8、nn常数。常数。5.66910-8w/m2k4 实际中，实际中，不存在不存在绝对黑体，而是绝对黑体，而是两个灰体两个灰体之间的之间的辐射传热辐射传热。必须对上式加以修正才能。必须对上式加以修正才能使用。使用。只只适适用用于于绝绝对对黑黑体体，并并只只适适用用于于热辐射热辐射。第10页，共28页，编辑于2022年，星期日q两灰体表面间净辐射交换的速率；两灰体表面间净辐射交换的速率；Fe灰体黑度的校正因子灰体黑度的校正因子;（可由手册查到）（可由手册查到）FG几何因数；几何因数；（可由手册查到）（可由手册查到）T1，T2两物体的表面温度。两物体的表面温度。4.同时进行导热、对流传热和同时进行导热、

9、对流传热和辐射传热的热过程。辐射传热的热过程。第11页，共28页，编辑于2022年，星期日而在而在常温常温下，下，辐射传热辐射传热可可忽略忽略。一一般般固固体体内内部部不不存存在在质质点点的的宏宏观观运运动动，忽忽略略辐辐射射传传热热后后，只只存存在在热热传传导导过过程程。流流体体内内部部或或流流体体与与固固体体壁壁面面之之间间的的传传热热机机理理比比较较复复杂杂，往往往往是是导导热热与与对对流流传传热热并并存存。但但通通常常依依习习惯惯将将此此种种传传热热称称为为对对流流传传热热，而不必提及而不必提及导热导热。一一般般说说来来，只只有有在在很很高高温温度度下下（如如800K以以上上）辐辐射射

10、传传热热才才站站主主导导地地位位，如如太太阳阳地地球表面即可按辐射传热计算。球表面即可按辐射传热计算。第12页，共28页，编辑于2022年，星期日第一节第一节能量方程能量方程采采用用拉拉格格朗朗日日方方法法，选选取取某某一一固固定定质质量量的的流流体体微微元元，在整个过程中，此微元在流体中随波逐流。，在整个过程中，此微元在流体中随波逐流。观察者追随微元运动并考察其能量转换情况，此时观察者追随微元运动并考察其能量转换情况，此时应用应用热力学第一定律热力学第一定律，流体微元的总能量（内能、动，流体微元的总能量（内能、动能及位能）中，只有能及位能）中，只有内能内能发生变化。这是因为，根据发生变化。这

11、是因为，根据Lagrange观点，当观点，当微元微元运动时与所经过位置的流体之间运动时与所经过位置的流体之间无相对速度无相对速度，所以所以无动能无动能变化，同时亦变化，同时亦无位能无位能变化，微元与环变化，微元与环境流体之间的热交换只有靠境流体之间的热交换只有靠以分子运动以分子运动形式进行的形式进行的导热导热。第13页，共28页，编辑于2022年，星期日微微元元对对环环境境流流体体做做功功表表现现为为表表面面应应力力对对流流体体微微元元做做功功，而而表表面面应应力力又又是是由由于于受受其其相相邻邻流流体体的的压压力力和和粘粘性性应应力力的的作作用用产产生生的的，于于是有：是有：可用随体导数的形

12、式表述可用随体导数的形式表述：J/kgs(7-4)第14页，共28页，编辑于2022年，星期日U每每Kg流体的内能流体的内能J/KgQ对每对每Kg流体加入的热量流体加入的热量J/KgW表面应力对每表面应力对每Kg流体所做的功流体所做的功J/Kg 设某瞬时设某瞬时流体微元的密度为流体微元的密度为，体积，体积为为dxdydz，则其质量为，则其质量为dxdydz，将方程，将方程（7-4）两边同乘质量得：）两边同乘质量得：第15页，共28页，编辑于2022年，星期日（1 1）向流体微元加入的热速率向流体微元加入的热速率：加入流体微元的热能加入流体微元的热能：(x,y,z)xzy第16页，共28页，编辑

13、于2022年，星期日由环境导入的热速率：由环境导入的热速率：由微元由微元左侧左侧平面输入的热通量为：平面输入的热通量为：由微元由微元右侧右侧平面输出的热通量为：平面输出的热通量为：则由则由x方向向流体微元输入的净热能为：方向向流体微元输入的净热能为：第17页，共28页，编辑于2022年，星期日由由y方向向其输入的净热能为：方向向其输入的净热能为：由由z方向向其输入的净热能为：方向向其输入的净热能为：这这样样，由由环环境境向向微微元元输输入入的的热热速速率率为为三三方方向向之之和和，并并且且每每个个方方向向上上的的热热速速率率可可用用傅傅立立叶叶定定律律描描述述，假假设设各各向向导导热热系系数数

14、k相相同同，就就有有：由由环环境境输输入入热热速速率为：率为：总输入热速率为：总输入热速率为：（7-6）第18页，共28页，编辑于2022年，星期日（2 2）表面应力对流体微元所做的功表面应力对流体微元所做的功所做的功所做的功:所以：所以：（7-7）第19页，共28页，编辑于2022年，星期日（3）内能的增长速率：内能的增长速率：内能与焓的关系为：内能与焓的关系为：两边同取随体导数并同时乘以两边同取随体导数并同时乘以得：得：（7-8）其中连续性方程其中连续性方程（7-9）第20页，共28页，编辑于2022年，星期日上上式式为为能能量量方方程程的的普普遍遍形形式式，式式中中各各项项均均表表示示单

15、单位位体体积积流流体体的的能能量量速速率率，单单位位为为J/m3s代入（代入（7-8）并合并（）并合并（7-6）和（）和（7-7）得：）得：（7-10）第21页，共28页，编辑于2022年，星期日2.能量方程的应用能量方程的应用方方程程（7-10）可可描描述述流流体体流流动动时时有有内内热热源源，有有摩摩擦擦热热生生成成的的普普遍遍情情况况，为为单单位位体体积积流流体体所所产产生生的的摩摩擦擦热热，它它与与流流速速和和粘粘度度有有关关，对对于于高高速速流流动动或或粘粘度度很很大大的的流流体体流流动动问问题题，值值很很大大，如如，超超音音速速的的边边界界层层流流动动就如此。就如此。但在化工中，但

16、在化工中，值与其它项比较是很小值与其它项比较是很小的，可忽略。的，可忽略。第22页，共28页，编辑于2022年，星期日（1）不可压缩流体中的对流传热不可压缩流体中的对流传热一般在无内热源情况下进行对流传热时一般在无内热源情况下进行对流传热时，故有：故有：（7-11）由方程（由方程（7-8）可得：）可得：（7-12）第23页，共28页，编辑于2022年，星期日将方程（将方程（7-127-12）代入（）代入（7-117-11）得：）得：方程方程（7-13）可用于）可用于液体液体对流传热对流传热的情况，的情况，当当变化不大时，该式亦可用于变化不大时，该式亦可用于气体气体。第24页，共28页，编辑于2

17、022年，星期日（2）固体中的导热固体中的导热因因无无宏宏观观运运动动均均为为零零，且且为为常常量量。0故能量方程可写成：故能量方程可写成：同理可写成：同理可写成：（7-14）该式为该式为存在内热源存在内热源的的普遍化普遍化热传导方程热传导方程第25页，共28页，编辑于2022年，星期日当无内热源时方程变为：当无内热源时方程变为：又称为又称为不稳态热传导方程不稳态热传导方程，即，即傅立叶第二导热定律傅立叶第二导热定律对于有内热源的稳态热传导对于有内热源的稳态热传导称为称为泊松方程泊松方程，有，有内热源的稳态导热方程内热源的稳态导热方程无内热源的稳态导热方程为：无内热源的稳态导热方程为：则变为：则变为：第26页，共28页，编辑于2022年，星期日柱坐标系柱坐标系柱坐标系和球坐标系的能量方程柱坐标系和球坐标系的能量方程球坐标系球坐标系第27页，共28页，编辑于2022年，星期日第28页，共28页，编辑于2022年，星期日