傳遞過程原理講課提綱08

《傳遞過程原理講課提綱08》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

傳遞過程原理湘潭大學(xué)化工學(xué)院第六章熱量傳遞概論與能量方程§1熱量傳遞的基本方程1熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）a導(dǎo)熱：依靠物體（物質(zhì)）內(nèi)部分子、原子或電子的碰撞、振動及自由運動使熱能從高溫向低溫部分的傳遞過程，稱為導(dǎo)熱。b導(dǎo)熱可發(fā)生于固體、液體及氣體中。對于非金屬固體導(dǎo)熱：則是由于分子在其平衡位置的不斷振動而傳熱。對金屬固體導(dǎo)熱：則是自由電子的運動而傳熱。對于液體、氣體導(dǎo)熱：依靠分子、原子的振動與碰撞而傳熱。c導(dǎo)熱所遵循的基本規(guī)律為傅立葉(Fourier’slaw)定律：式中“-”表示熱流方向與溫度梯度方向相反，自發(fā)過程。2對流傳熱a由于流體微團(tuán)宏觀運動導(dǎo)致的傳熱過程，稱為對流傳熱。b根據(jù)對流的強(qiáng)弱程度，可分為自然對流，強(qiáng)制對流。c對流傳熱遵循的基本規(guī)律為牛頓冷切定律（Newton’scollinglaw）：d無論對流強(qiáng)弱程度如何，在流體與壁面接觸處由于層流內(nèi)層的存在，傳熱的形式只能是導(dǎo)熱，傳熱的阻力主要集中于此。因此，對流導(dǎo)熱系數(shù)又常稱為膜系數(shù)。3輻射傳熱a熱能以電磁波的能量在空間輻射并被另一物體（或同一物體的其他部分）吸收和轉(zhuǎn)化的過程稱為輻射傳熱。b輻射傳熱特點：①無需任何介質(zhì)；②理論上，只需物質(zhì)的絕對溫度T＞0K即有輻射傳熱；③輻射的過程包含著能量的傳遞與轉(zhuǎn)換。c輻射傳熱遵循的基本規(guī)律——波爾茲曼—斯蒂芬定律：式中：σ為黑體的發(fā)射常數(shù)，。d只有在較高溫度下，才考慮輻射傳熱。4傳導(dǎo)—對流—輻射聯(lián)合傳熱過程如右圖：平板的導(dǎo)熱、流體的對流，平壁對外的熱輻射。若為穩(wěn)定過程，則有：66 傳遞過程原理湘潭大學(xué)化工學(xué)院式中δ——平壁的厚度；ε——平壁的黑度?！?能量方程傳熱的過程常伴隨著物質(zhì)流動（輻射傳熱除外），因此為了解決熱量傳遞問題，常需用到以下三組（個）方程，即①連續(xù)性方程——質(zhì)量守恒定律②流體運動方程——動量守恒定律（牛頓第二定律）③微分能量衡算方程——能量守恒定律（熱力學(xué)第一定律）1能量衡算方程的推導(dǎo)可以采用拉格朗日法或歐拉法進(jìn)行。但以拉格朗日法較方便——即選擇固定的熱流體微元，跟蹤微元考察其能量轉(zhuǎn)換情況。根據(jù)熱力學(xué)第一定律宏觀表達(dá)式：對于微元體積流體不難有：式中：U——內(nèi)能，J/kgQ——熱能，J/kg（規(guī)定流體獲得熱能為正）W——功，J/kg（規(guī)定流體獲得功為正）①如圖：沿x方向流體獲得的導(dǎo)熱熱能為=②于是微元在x、y、z三方向所獲得的導(dǎo)熱形式熱量為：（A）又根據(jù)Fourier定律有：故（A）可以改寫為：（A）’③微元流體所獲得熱量的總速率=導(dǎo)熱速率+熱累積（消耗或產(chǎn)生）速率66 傳遞過程原理湘潭大學(xué)化工學(xué)院即：(B)式中：微元流體向外釋放熱能的速率，W/m2(J/m2s)④表面應(yīng)力對微元流體所做的功由于表面應(yīng)力（壓力和粘性應(yīng)力）的作用，流體微元將產(chǎn)生體積形變（膨脹/壓縮）和形狀變化（扭曲）。a.對于壓力作用：流體微元的體積形變速率為，故單位體積流體微元的體積膨脹功為。又：=故體積膨脹功為-（C）（C）式中“-”表示p的方向與微元表面的法線方向相反。b對于粘性力作用：其結(jié)果是使流體產(chǎn)生內(nèi)摩擦而生熱。設(shè)單位體積微元流體產(chǎn)生的摩擦熱速率為φ（W/m3）。c于是，表面力對流體微元作功即為：=壓力作功+粘性力作功=（D）⑤將（D）和（B）式代入微元流體熱力學(xué)第一定律表達(dá)式得：（E）⑥根據(jù)熱力學(xué)中內(nèi)能與焓的關(guān)系H=U+pυ，得：，由于ρυ=1，故：（F）66 傳遞過程原理湘潭大學(xué)化工學(xué)院即：――微元能量方程的一般表達(dá)式2．微元能量方程的特定形式①無內(nèi)熱源的不可壓縮流體對流傳熱時則：ρ=常數(shù)，由式H=U+p/ρ有：（不可壓縮流體cv=cp）于是若不計摩擦熱速率（即對理想流體），則Φ=0上式即為：令：—熱擴(kuò)散系數(shù)（導(dǎo)溫系數(shù)），W/m2K則上式簡化為：亦即：該式可用于流體對流傳熱問題的求解。對氣體，若ρ變化不大，亦可進(jìn)行近似求解。②固體內(nèi)部的導(dǎo)熱在固體內(nèi)部，由于微團(tuán)無宏觀運動，故：ux=uy=uz=0及Φ=0。又若ρ=常數(shù)，則有：即：a.若無內(nèi)熱源，則上式成為：66 傳遞過程原理湘潭大學(xué)化工學(xué)院上式即為固體中無內(nèi)熱源的不穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程，又稱Fourier第二定律或Fourier場方程。b若為有內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)傳熱，則及：—泊松（Poisson）方程c若為無內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)，則及：—典型的Laplace方程3能量方程在柱坐標(biāo)及球坐標(biāo)中的表示①柱坐標(biāo)中的能量方程①球坐標(biāo)中的能量方程66 傳遞過程原理湘潭大學(xué)化工學(xué)院66