热量传递概论与能量方程.ppt

第七章 热量传递概论与能量方程 传热学所要探讨的是因温差引起的能量传递 过程包括传热量及传热速率等问题传热可按三种方式进行，即 导热、对流传热 、辐射传热实际过程中可以其中一种方式进行，也可以 以二种或三种方式同时进行本章主要论述上述三种传递方式的机理及相 应的物理定律推导能量方程及其特殊解 第一节 传热方式1. 热传导流体及非金属固体内的导热是由于分子 的微观运动，纯金属的导热则是由于自由 电子的存在而发生当流体中存在温度梯度时，由于分子的 无规则运动，结果是具有较高能量的分子 转移到具有较低能量分子的区域，从而产 生热量传递 在非金属固体内，由于分子在其平衡 位置处的不断振动，亦能将能量由高温 区传递到低温区纯金属内有较高浓度的自由电子，在 温差存在条件下，自由电子的流动能使 热量由高温区移向低温区若金属中含有杂质，如合金，由于自 由电子浓度降低，则其导热性能也会大 大下降非金属中自由电子很少，故与金属相 比其导热性能亦很差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 温度的函数，压力对大多数物质的k值影 响很小，仅在很高或很低的压力下，气体 的导热系数才与压力有关。

2. 对流传热——由流体微团的宏观运动所致当固体壁面与其附近的流体之间存在温 度差时，由于流体微团位移的结果，便 在壁面与流体之间发生热交换对流传热可由强制对流引起，如搅拌或 泵等外力的干扰导致的对流也可由自 然对流引起，即因流体内部存在温差， 形成流体的密度差，从而使流体微团在 固体壁面与其附近流体之间产生上下方 向的循环运动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—固体壁面与流体主体之间的温差h—对流传热系数，或称膜系数h与许多因素有关，如壁面的几何形状、 粗糙度、流体物性、流型、流速及温差等 至今尚未彻底弄清楚它们之间的具体关 系，因此十分复杂但影响最大的是流型和流速因有层流内 层的存在，所以即使在强烈湍流的情况下 ，壁面附近仍然为导热壁面与流体主体之间的传热阻力只要集中 于层流内层之中，因此h又称为膜系数方程（7－2）亦可用来描述有相变的传热，如沸腾传热和冷凝传热虽然 其机理与强制对流和自然对流不同，但 通常还是作为对流传热过程来处理因冷凝和沸腾传热伴随有相的变化，气液两项界面处产生强烈的骚动，故 其h值比无相变时高的多3.辐射传热辐射传热无需任何介质，只要物体温度高 于0 K，它就可以发射能量，并以电磁波 形式向空间传播。

具有能量的这部分电磁波称为热辐射线，当它投射到较低温度的物体表面时，将部分的被吸引而变为热能单位表面积，单位时间内绝对黑体所发射出去的热量，称 为绝对黑体的发射能力可用Stefan-Boltzmann定律描 述 σ—黑体发射常数，又称Stefan- Boltzmann常数＝5.669×10-8w/m2k4实际中，不存在绝对黑体，而是两个灰 体之间的辐射传热必须对上式加以修正 才能使用 只适用于绝对黑体，并只适 用于热辐射q —两灰体表面间净辐射交换的速率 ；Fe —灰体黑度的校正因子;（可由手册查到）FG—几何因数； （可由手册查到）T1，T2— 两物体的表面温度4. 同时进行导热、对流传热和辐射传热的热过程而在常温下，辐射传热可忽略一般固体内部不存在质点的宏观运动 ，忽略辐射传热后，只存在热传导过程 流体内部或流体与固体壁面之间的传 热机理比较复杂，往往是导热与对流传 热并存但通常依习惯将此种传热称为 对流传热，而不必提及导热一般说来，只有在很高温度下（如800K 以上）辐射传热才站主导地位，如太阳 地球表面即可按辐射传热计算 第一节 能量方程采用拉格朗日方法，选取某一固定质量的流 体微元，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 ，此时应用热力学第一定律，流体微元的总能 量（内能、动能及位能）中，只有内能发生变 化这是因为，根据Lagrange观点，当 微元运动时与所经过位置的流体之间无相对速 度，所以无动能变化，同时亦无位能变化，微 元与环境流体之间的热交换只有靠以分子运动 形式进行的导热 微元对环境流体做功表现为表面应力对 流体微元做功，而表面应力又是由于受 其相邻流体的压力和粘性应力的作用产 生的，于是有：可用随体导数的形式表述：J/kg·s (7-4)U—每Kg流体的内能 J/KgQ—对每Kg流体加入的热量 J/KgW—表面应力对每Kg流体所做的功 J/Kg设某瞬时θ流体微元的密度为ρ，体 积为dxdydz，则其质量为ρdxdydz，将 方程（7-4）两边同乘质量得： （1）向流体微元加入的热速率： 加入流体微元的热能： (x,y,z)xzy由环境导入的热速率：由微元左侧平面输入的热通量为：由微元右侧平面输出的热通量为：则由x方向向流体微元输入的净热能为：由y方向向其输入的净热能为：由z方向向其输入的净热能为：这样，由环境向微元输入的热速率为三方向之和 ，并且每个方向上的热速率可用傅立叶定律描述 ，假设各向导热系数k相同，就有：由环境输入热速率为：总输入热速率为： （7-6）（2）表面应力对流体微元所做的功 所做的功: 所以： （7-7）（3） 内能的增长速率：内能与焓的关系为：两边同取随体导数并同时乘以ρ得： （7-8 ） 其中连续性方程（7-9 ）上式为能量方程的普遍形式，式中各项 均表示单位体积流体的能量速率，单位 为J/m3s代入（7-8）并合并（7-6）和（7-7）得：（7-10 ）2. 能量方程的应用方程（7-10）可描述流体流动时有内 热源，有摩擦热生成的普遍情况，Φ 为 单位体积流体所产生的摩擦热，它与流 速和粘度有关，对于高速流动或粘度很 大的流体流动问题，Φ值很大，如，超 音速的边界层流动就如此。

但在化工中，Φ值与其它项比较是 很小的，可忽略 （1） 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， 故有 ：（7-11 ）由方程（7-8）可得：（7-12）将方程（7-12）代入（7-11）得：方程 （7-13）可用于液体对流传热的 情况，当ρ变化不大时，该式亦可用于 气体2） 固体中的导热因无宏观运动 均为零，且ρ为常 量Φ＝0故能量方程可写成：同理可写成 ：（7-14 ）该式为存在内热源的普遍化热传导方程①当无内热源时方程变为：又称为不稳态热传导方程， 即傅立叶第二导热定律②对于有内热源的稳态热传导称为泊松方程，有内热源的稳态导热方程③无内热源的稳态导热方程为：则变为 ：㈠ 柱坐标系柱坐标系和球坐标系的能量方程㈡ 球坐标系。