第七章 热量传递概论与能量方程.ppt

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1、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

2、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

3、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。

4、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0K，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

5、，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

6、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

7、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

8、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