《热质传递》课件

热质传递热质传递是物理学中的一个重要概念，它描述了热量在不同物体或系统之间传递的过程热质传递包括传导、对流和辐射三种基本形式导言热力学基础热量传递的定义工程应用广泛热质传递建立在热力学基础之上，特别是热量传递是指热能从高温物体传递到低温热质传递在工程应用中至关重要，例如发热力学第一定律热力学第一定律指出能物体的过程，是自然界中的一种普遍现象电厂、化工厂、建筑工程等量守恒，热量和功可以相互转化热质传递的基本概念热流温度梯度热导率传热系数热流是指热量在物体之间或物温度梯度是温度在空间中的变热导率是材料传递热量的能力传热系数表示热量从一个物体体内部传递的速率化率，它驱动着热量从高温区，它决定了热量在材料内部传传递到另一个物体或介质的效域流向低温区域递的速度率热传递的三种基本形式传导对流12热量通过物质内部的分子运动热量通过流体的宏观运动传递传递辐射3热量通过电磁波传递传导传热热传导定义热传导是热量通过静止介质或相邻两部分介质之间由于温度差而传递的过程传导机理物质的微观粒子（原子、分子或电子）的热运动在温度梯度下进行能量传递傅里叶定律热流密度与温度梯度成正比，比例系数为材料的热导率应用举例例如，锅柄加热后，热量通过传导方式传递到我们的手上对流传热定义1流体运动，热量传递机理2流体与固体，热量交换分类3自然对流，强制对流应用4工业生产，日常生活对流传热是流体运动过程中，热量在流体与固体表面之间传递的一种方式这种传热方式需要流体与固体表面之间存在温度差，并伴随着流体的运动对流传热广泛应用于工业生产和日常生活，例如锅炉、热交换器、空调等辐射传热电磁波1能量以电磁波形式传递热辐射2物体通过电磁波辐射能量黑体辐射3理想黑体辐射能量最大吸收率4物体吸收辐射能量的比例发射率5物体发射辐射能量的比例辐射传热是一种通过电磁波传播能量的过程物体通过发射电磁波的形式将热量传递给周围环境影响热传递的因素传热面积温差传热介质传热方式传热面积越大，热传递速率温差越大，热传递速率越高不同的传热介质具有不同的传热方式不同，热传递速率越高例如，散热器表面积例如，热水器与环境之间导热系数，影响热传递速率也不同例如，辐射传热比越大，散热效果越好的温差越大，热量损失越快例如，金属的导热系数比对流传热效率更高空气高，因此金属更容易传热温度场的建立热量传递1物体之间存在温度差时，热量会从高温物体传递到低温物体温度变化2热量传递导致物体内部温度发生变化，形成温度梯度温度分布3温度场是指在空间中各个点温度的分布情况，它可以是稳态的或瞬态的边界条件第一类边界条件第二类边界条件温度边界条件，也称为狄利克雷热流边界条件，也称为诺依曼边边界条件，是指在边界上直接给界条件，是指在边界上给定热流定温度值例如，一个加热器表密度值例如，一个绝缘壁面上面温度恒定为的热流密度为100°C0第三类边界条件对流边界条件，也称为罗宾边界条件，是指在边界上给定对流换热系数和环境温度例如，一个浸入水中的物体表面温度受水温影响热传导方程的推导能量守恒1热量进出控制体傅里叶定律2热流密度与温度梯度微分方程3能量守恒表达式热传导方程是描述热量在物体内部传递规律的数学模型推导过程基于能量守恒原理和傅里叶定律通过对控制体进行能量平衡分析，结合傅里叶定律，最终得到一个包含温度变化率和温度梯度的微分方程一维稳态热传导热量守恒1热量不会消失或凭空产生傅里叶定律2热量传递速率与温度梯度成正比边界条件3描述物体表面的热量传递情况求解方程4利用数学方法求解热传导方程一维稳态热传导是指热量沿一个方向传递，且传递速率不随时间变化这种热传导形式在工程应用中非常常见，例如墙壁、管道等平面壁体热传导热传导方向热量通过壁体垂直于表面方向传递.稳态条件热流密度和壁体温度不随时间变化.热传导系数反映材料导热能力，与材料性质和温度有关.傅里叶定律热流密度与温度梯度成正比，比例系数为材料的热传导系数.圆柱与球壳热传导圆柱形热传导1圆柱形物体热传导是常见的热传递形式，例如管道内的流体热传递球形热传导2球形物体热传导常出现在球形容器和球形物体的加热或冷却中应用场景3锅炉•反应釜•热交换器•不稳态热传导不稳态热传导是指物体内部温度随时间变化的热传导过程温度变化1时间维度非稳态2热量变化热流3传热方向热传导4传热方式不稳态热传导问题更复杂，需要考虑时间因素和边界条件半无限固体热传导定义1一侧为有限边界，另一侧为无限延伸的固体应用2地面、建筑物基础、深井等特点3热量向无限深度方向传递模型4简化分析，忽略边界影响半无限固体热传导是指热量从有限边界向无限深度的方向传递，其特点是不考虑边界影响，简化了分析过程这种热传导模型适用于地面、建筑物基础、深井等实际问题有限固体的热传导热传导方程1有限固体的热传导可以通过求解热传导方程来描述，该方程考虑了固体内部的温度分布和热量传递速率边界条件2为了求解热传导方程，需要定义边界条件，例如固体表面的温度或热流量这些条件决定了热量如何流入或流出固体数值方法3由于有限固体的几何形状和边界条件通常比较复杂，求解热传导方程通常需要使用数值方法，例如有限元法或有限差分法热传递系数的测定实验方法温度测量热流测量数据分析热传递系数通常通过实验测定实验过程中，需要精确测量热热流计用于测量热通量，通过根据实验数据和热传递系数公，使用精心设计的装置和测量交换器两侧的温度变化，以计热传导原理，将热量转化为电式，可以计算出热传递系数技术算热通量信号自然对流换热定义自然对流换热是指由于流体密度的差异而引起的流体运动，从而导致热量传递的过程驱动因素温差导致流体密度变化，产生浮力，推动流体流动应用自然对流换热广泛应用于建筑物通风、散热器冷却、太阳能热水器等领域影响因素流体的物理性质，例如热膨胀系数、粘度和导热系数，会影响自然对流换热的效率强制对流换热流体运动强制对流换热是指流体在外力作用下流动，从而增强热量传递应用领域在工业生产中，强制对流换热应用广泛，例如冷却系统、加热系统等影响因素强制对流换热的效率受流体速度、流体性质、换热表面形状等因素影响沸腾与凝结换热沸腾换热1液体汽化形成气泡池沸腾2气泡在加热表面生成核沸腾3气泡从加热表面分离膜沸腾4气泡形成连续膜沸腾换热是指液体在加热表面汽化形成气泡的过程，是常见的相变传热形式凝结换热则是指气体转变为液体，例如蒸汽在冷凝器表面凝结成水，也是重要的传热形式辐射换热辐射换热是热量通过电磁波传递的方式，不需要介质辐射能量以光速传播，不受距离限制不同物体对不同波长电磁波的吸收率不同例如，黑色物体吸收率高，白色物体反射率高热辐射强度1单位时间内从物体表面发射出的辐射能量黑体2理想的辐射体，吸收所有照射到它表面的辐射能辐射换热系数3表示辐射换热能力的系数辐射换热方程4用于计算辐射换热量传热设计中的平均温差法温差平均温差传热设备在传热过程中，热量从温度较高的地方流为了简化计算，将复杂的温度变化用一个平均温差法广泛应用于各种传热设备的设向温度较低的地方平均值来代替，这就是平均温差计中，例如热交换器、冷凝器等传热设计中的对数平均温差法对数平均温差法温差变化用于计算流体在不同温度的流体对数平均温差法应用于流体温度间进行热交换时所需的热交换器发生明显变化的情况，例如热交尺寸换器中冷热流体在流动过程中温差不断变化应用领域对数平均温差法广泛应用于化学工程、机械工程、能源工程等领域，特别是对流体进行加热或冷却的热交换器设计复合传热系统复合传热系统典型例子

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22.复合传热系统包含多种传热方例如，锅炉中的传热过程包括式，例如传导、对流和辐射，燃料燃烧产生的热量通过传导这取决于系统的具体配置和应传递到锅炉壁，然后通过对流用传递到水，最后通过辐射传递到周围环境优化设计应用广泛

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44.合理设计复合传热系统可以提复合传热系统在工业生产、建高传热效率，减少能源消耗，筑设计、能源利用等各个领域提高系统性能都有着广泛的应用相变传热熔化和凝固沸腾和凝结固体和液体之间的相变，例如冰融化成液体和气体之间的相变，例如水沸腾成水或水结冰成冰蒸汽或蒸汽凝结成水能量变化与物质的熔化热或凝固热有关能量变化与物质的汽化热或凝结热有关相变换热系统的应用发电厂制冷系统

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22.相变换热系统在发电厂中被广在制冷系统中，制冷剂通过相泛应用，例如在锅炉中，水在变过程吸收环境中的热量，从汽化过程中吸收大量的热量，而降低温度，实现制冷效果从而产生蒸汽，驱动汽轮机发电化工生产空调系统

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44.许多化工生产过程中需要进行空调系统中，冷媒通过相变过热量传递，相变换热系统能够程吸收室内的热量，实现降温有效地实现热量的传递，提高效果，提高室内舒适度生产效率综合练习与分析实验设计与分析工程应用案例数值模拟与分析通过精心设计的实验装置，模拟各种传热结合实际工程案例，分析热传递原理在不利用专业的热传递模拟软件，对复杂传热场景，验证理论模型的准确性，并分析实同领域的应用，例如建筑节能、热能利用问题进行数值分析，预测传热过程，优化验结果的影响因素等设计方案本课程总结与展望本课程涵盖了热质传递的基本概念、三种基本形式、影响因素、传热方程以及常见应用场景展望未来，热质传递的研究将继续深入，例如纳米尺度传热、多相流传热、热能存储与利用等领域都将有新的突破。