传热传质的分析与计算
热力学系统的传热传质与传质系数
热力学系统的传热传质与传质系数热力学系统是指由物质组成的系统，其内部存在着能量和物质的传递过程。
在这个系统中，传热和传质现象是非常重要的。
传热是指热量从高温区域传递到低温区域的过程，而传质则是指物质从浓度高的区域传递到浓度低的区域的过程。
在传热传质的过程中，我们会用到传质系数，它是描述物质在单位时间内从一处传递到另一处的能力。
一、传热1. 热传导：热传导是热量通过物体内部相互碰撞传递的过程。
热传导的速率与物体的导热性能有关，通常用热传导系数来表示。
热传导系数描述了单位横截面积上单位温度梯度的传热能力，记作λ。
例如，在均匀材料中，热传导系数的大小与材料的导热性能成正比。
2. 对流传热：对流传热是指热量通过流体内部的传递。
对流传热主要发生在流体内部，如气体或液体。
在对流传热中，除了传导的贡献外，流体的运动也会带走或带来热量。
对流传热的速率由传热系数h来表示，它与流体的性质、流动速度和流体与固体之间的接触面积相关。
3. 辐射传热：辐射传热是指热量通过电磁波的辐射传递。
辐射传热主要发生在高温物体或热辐射源的表面。
辐射传热的速率由斯特藩-玻尔兹曼定律描述，该定律表明热辐射通量与温度的四次方成正比。
二、传质1. 扩散传质：扩散传质是指物质由高浓度区域向低浓度区域的自发传递。
扩散传质过程中，物质的传递速率与物质的浓度梯度有关。
扩散系数D是描述单位横截面积上单位浓度梯度的传质能力，它与物质本身的性质以及传质过程中的温度和压强相关。
2. 对流传质：对流传质是指物质通过流体内部的传递。
与对流传热类似，对流传质也受到传质系数的影响。
传质系数描述了单位横截面积上单位浓度梯度的传质能力，它与流体的性质、流动速度和流体与固体之间的接触面积有关。
三、传质系数传质系数是描述物质传递能力的一个重要参数。
在传热过程中，传质系数常用于描述物质从一个位置传递到另一个位置的速率。
传质系数一般用K表示，它是一个复合参数，与物质自身性质、传质过程中的温度和压强等有关。
传热与传质最全的计算
传热与传质最全的计算一、传热传热是能量从一个物体或系统传递到另一个物体或系统的过程。
根据传热方式的不同，传热可以分为三种形式：传导、对流和辐射。
1.传导：传热的方式通过物质的直接接触和分子的碰撞来进行。
传导传热的计算主要依靠温度差、传热面积和传热材料的热导率来计算。
传导传热的计算公式为：Q=-k*A*(ΔT/d)其中Q表示传热的热量，k表示热导率，A表示传热面积，ΔT表示温度差，d表示热传导长度。
2.对流：对流是通过流体（气体或液体）传递热量的过程。
对流传热的计算需要考虑传热系数、传热面积和温度差。
对于自然对流，传热系数可以通过科里奥利数来估算。
对于强制对流，传热系数可以通过雷诺数和普朗特数来估算。
对流传热的计算公式为：Q=h*A*ΔT其中Q表示传热的热量，h表示传热系数，A表示传热面积，ΔT表示温度差。
3.辐射：辐射是通过电磁辐射传递热量的过程。
辐射传热的计算需要考虑黑体辐射能量和辐射系数。
辐射传热的计算公式为：Q=ε*σ*A*(T1^4-T2^4)其中Q表示传热的热量，ε表示发射率，σ表示斯特藩-玻尔兹曼常数，A表示传热面积，T1和T2表示两个物体的温度。
二、传质传质是物质在空间中通过扩散机制传递的过程。
传质过程主要包括质量传递和扩散传递。
1.质量传递：质量传递是涉及物质从一个相向另一个相传递的过程。
质量传递的计算需要考虑浓度差、传质系数和表面积。
质量传递的计算公式为：Q=k*A*(C1-C2)其中Q表示传递的质量，k表示传质系数，A表示传质面积，C1和C2表示两个相之间的浓度差。
2.扩散传递：扩散传递是涉及物质通过浓度梯度向更低浓度的方向传递的过程。
扩散传递的计算需要考虑扩散系数、浓度梯度和距离。
扩散传递的计算公式为：J = -D * (dC / dx)其中J表示扩散通量，D表示扩散系数，C表示浓度，x表示距离。
以上是传热和传质的基本概念和常见的计算方法。
当然，实际的传热和传质过程常常是复杂和多变的，需要根据具体情况进行更为详细和精确的计算和分析。
第三章传热传质问题的分析与计算
第三章传热传质问题的分析与计算第三章：传热传质问题的分析与计算在工程领域中，传热传质问题是一个非常重要的研究方向。
它涉及到热量和物质的传递，对于工业过程的高效运行和优化具有至关重要的影响。
在本章中，我们将探讨传热传质问题的分析与计算方法，以及如何应用这些方法解决实际工程问题。
首先，我们需要了解传热传质的基本概念。
传热是指热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
常见的传热方式有三种：传导、对流和辐射。
传导是指热量通过物质内部的分子和原子之间的碰撞传递。
对流是指热量通过流体的运动传递。
辐射是指热量通过电磁辐射传递，例如太阳辐射。
类似地，传质是指物质通过扩散或对流传递的过程。
扩散是指物质通过浓度梯度的差异进行传递。
对流是指物质通过流体的运动进行传递，例如空气中的氧气通过呼吸进入人体。
在传热传质问题的计算中，我们需要考虑各种参数和变量，例如温度、密度、热传导系数、速度、浓度等。
这些参数可以通过实验测量或理论计算得到。
同时，我们需要根据问题的具体情况选择合适的方程和模型进行计算。
对于传热问题，我们经常使用热传导方程进行计算。
热传导方程描述了热量在固体中的传递过程。
它可以用来计算温度场的变化。
在计算中，我们需要确定边界条件和初始条件，并使用适当的数值方法求解方程。
在传质问题中，我们可以使用物质传质方程进行计算。
物质传质方程描述了物质的浓度分布随时间和空间的变化。
类似于热传导方程，我们需要确定边界条件和初始条件，并使用适当的数值方法求解方程。
除了这些基本方程，我们还可以使用其他模型和方法来解决复杂的传热传质问题。
例如，对于对流传热问题，我们可以使用雷诺平均Navier-Stokes方程来考虑流体的运动，并计算热量的传递。
对于多相流问题，我们可以使用数值方法来模拟各相的运动和相互作用。
在实际工程中，传热传质问题的分析和计算通常涉及到多个领域的知识。
除了传热传质的基本理论，我们还需要了解流体力学、材料科学、化学等相关领域的知识。
教案化工原理传热与传质计算
教案化工原理传热与传质计算教案：化工原理传热与传质计算前言化工工程领域中，传热与传质计算是至关重要的一部分。
准确计算传热和传质过程可以帮助我们设计高效的化工设备和工艺流程。
本教案旨在介绍一些基本的传热与传质计算理论和方法，并通过例题进行实际应用。
一、传热计算传热是指物体之间由于温度差异而发生的热量传递过程。
在化工工程中，我们通常需要计算传热速率和传热系数等参数。
A. 热传导热传导是一种通过物质内部分子间相互碰撞传递热量的方式。
根据傅立叶热传导定律，热传导速率（q）与温度梯度（dT/dX）成正比，与传热介质的导热系数（λ）成反比。
其数学表达式为：q = -λ * (dT/dX)B. 对流传热对流传热是指通过流体介质（如气体或液体）中的对流现象进行热量传递。
常见的对流传热计算公式为：q = h * A * (T1 - T2)其中，q为传热速率，h为对流传热系数，A为传热面积，T1和T2为温度差。
C. 辐射传热辐射传热是指通过电磁波辐射传递热量的过程。
根据斯特凡-玻尔兹曼定律，辐射传热速率与传热体表面的辐射率、温度差以及传热面积之间成正比。
其计算公式为：q = ε * σ * A * (T1^4 - T2^4)其中，q为传热速率，ε为辐射率，σ为斯特凡-玻尔兹曼常数，A为传热面积，T1和T2为温度差。
二、传质计算传质是指物质之间由于浓度差异而发生的物质传递过程。
在化工工程中，我们常常需要计算传质速率和传质系数等参数。
A. 传质速率传质速率可以通过菲克定律来计算。
菲克定律表明，传质速率（N）与物质浓度梯度（dC/dX）成正比，与传质介质的传质系数（D）成反比。
其数学表达式为：N = -D * (dC/dX)B. 质量传输系数质量传输系数是衡量传质能力的重要参数。
对于液体和气体传质，我们可以使用对应的传质系数模型进行计算，如夏姆夸克方程和莫尔塔方程等。
三、例题分析现在我们通过一个例题来应用所学的传热与传质计算方法。
等价湿球温度法分析传热传质过程
等价湿球温度法分析传热传质过程等温湿球温度法是一种常用的分析传热传质过程的方法，它通过测量湿球温度、干球温度和大气压强来确定空气中的湿度。
这种方法能够更准确地反映空气中水分的蒸发和冷却过程，因此在许多领域都得到广泛应用，例如空调系统的设计、植物蒸腾作用研究等。
等温湿球温度法的基本原理是基于湿度和温度之间的关系，即只要知道湿球温度和干球温度，就可以通过一些计算公式来求解空气中的湿度。
具体方法是在干球温度的测量基础上，通过连接一个湿化的湿球温度计来测量湿球温度。
湿球温度计通过待测空气使湿度达到饱和，然后根据水蒸发的冷却效应来测量湿球温度。
由于蒸发的冷却效应导致湿球温度比干球温度低，通过比较两者的温度差异可以确定空气中的湿度。
通过湿球温度法分析传热传质过程的一般步骤如下：1.测量干球温度：使用干球温度计测量待测空气的干球温度，干球温度是空气中没有考虑水分时的温度。
2.湿球温度湿化：将湿球温度计与待测空气接触，使湿度达到饱和，即湿球温度计上的水分开始蒸发。
这个过程中温度计上的水分蒸发会使温度计的温度下降，温度下降的大小正好反映了空气中水分的蒸发和冷却程度。
3.测量湿球温度：通过记录湿球温度计上的温度，即湿球温度，来测量空气中的湿度。
4.计算相对湿度：利用湿球温度和干球温度的差异以及外界大气压的影响，通过计算公式来求解空气中的相对湿度。
等温湿球温度法还可以通过测量湿球温度和干球温度之间的差异，来评估空气中的水分含量以及相对湿度的变化。
例如，在空调系统中，可以通过测量湿球温度和干球温度的变化来判断空气中的水分含量是否过高或过低，从而进行相应的调整。
总结起来，等温湿球温度法是一种非常实用的分析传热传质过程的方法，它通过测量湿球温度、干球温度和大气压强来确定空气中的湿度。
通过这种方法可以更准确地揭示空气中的水分蒸发和冷却过程，进一步了解传热传质现象的变化规律，并在实际应用中具有广泛的应用前景。
传质传热的比较分析【史上最全】
气液
气固
液液 液固
传质的方式与历程
（1）单相物系
①、分子扩散: 物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓
度处，物质在静止或滞流流体中的扩散； ②、等分子反向扩散 ③、单向扩散
涡流扩散则是因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质由 高浓度处转移到低浓度处的过程。
传质的方式与历程
（2）均相混合物
某组分在两相间传质，步 骤是：从一相主体扩散到 两相界面的该相一侧，然 后通过相界面进入另一相 ，最后从此相的界面向主 体扩散。
什么是传热?
传热跟我们的生活密切相关
传热在生活中的应用：
1、做饭时，蒸、煮、炒等都是传热过程，饭菜凉了我们也
要“热一热”再吃；
2、冬天开暖气供暖，屋子里暖和、舒服；
3、穿衣服要看天气，根据温度变化选择衣服，冬天穿棉袄
，夏天穿单薄的衣服。
什么是传热?
传热的分类 间歇传热 按连续性
连续传热
非稳态传热：传热速率常数， 稳态传热：传热速率=常数，
气液
气固
液液 液固
传质的方式与历程
（1）单相物系
①、分子扩散: 物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓
度处，物质在静止或滞流流体中的扩散； ②、等分子反向扩散 ③、单向扩散
涡流扩散则是因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质由 高浓度处转移到低浓度处的过程。
传质的方式与历程
（2）均相混合物
某组分在两相间传质，步 骤是：从一相主体扩散到 两相界面的该相一侧，然 后通过相界面进入另一相 ，最后从此相的界面向主 体扩散。
传质传热的比较分析
1. 什么是传热？
2. 什么是传质
3. 传热传质的比较总结
什么是传热?
第三章传热传质问题的分析与计算
y , t tw 1 t tw
扩散方程
y 0, CA CA,w 0 y , CA CA,w 1
CA, CA,w
CA, CA,w
这三个性质类似的物性系数中，任意两个系数 的比值均为无量纲量,即
普朗特准则 Pr
v
2u y 2
能量方程
u
t x
t y
a
2t y 2
扩散方程
u
C A x
C A y
D
2C A y 2
边界条件为：
动量方程 y 0, u 0
或
u
能量方程
y , u 1 或 u
y 0, t tw 0 t tw
u uw 0 u uw
h
dy
定义，阿克曼修正系数
C0
= (N AM Ac P,A+N B M h
BcP,B )
C0与假定传质方向（壁面向流体）一致为正
δ0
d 2t dy2
- C0
dt dy
=0
边界条件
y =0
y =δ0
t =t1
t =t2
得到流体在薄膜层内的温度分别为
exp(C0 y ) -1
t( y) =t1 +(t2 - t1)
dy
• 动量传递公式表明：动量通量密度正比 于动量浓度的变化率。
• 能量传递公式表明：能量通量密度正比 于能量浓度的变化率。
• 质量传递公式表明：组分A的质量通量密 度正比于组分A的质量浓度的变化率。
3.1.2 三传方程
连续性方程 u 0
机械工程中的传热与传质分析
机械工程中的传热与传质分析在机械工程中，传热与传质是两个非常重要的领域。
传热与传质分析是研究物质内部热量和物质的传递过程的学科，它在机械设计和工艺参数的优化中起着关键作用。
本文将从基础概念、应用领域和实际案例等方面，系统地介绍机械工程中的传热与传质分析。
首先，我们来了解一下传热与传质的基本概念。
传热是指物体内部或不同物体之间热量的传递过程。
这种传递可以通过传导、对流和辐射等方式实现。
传质则是指物体内部或不同物体之间物质的传递过程。
物质的传递可以通过扩散、对流和反应等方式实现。
传热与传质的研究旨在揭示热量和物质如何在物体内部或不同物体之间传递和变化的规律，从而为机械工程设计和优化提供依据。
传热与传质在机械工程中的应用非常广泛。
例如，在发动机燃烧室中，通过传热与传质的分析可以优化燃烧过程，提高热能利用率和排放性能。
在制冷设备中，传热与传质的分析可以优化制冷剂的流动和换热效率，提高制冷效果。
在化工装置中，传热与传质分析可以优化反应器的设计和操作参数，提高反应效率和产品质量。
在风电设备中，传热与传质分析可以优化风轮叶片的设计和材料选择，提高能量转化效率。
下面，我们以制冷设备为例，介绍传热与传质分析在机械工程中的具体应用。
制冷设备中的传热与传质主要涉及制冷剂的流动和换热过程。
通过传热与传质分析，可以计算制冷剂在换热器中的温度分布和传热效率，从而优化换热器的结构和操作参数。
同时，还可以研究制冷剂的流动特性，包括速度、压力和质量流率等，以提高制冷剂的输送效率和换热效果。
在传热与传质分析中，常用的方法有理论分析、数值模拟和实验测量。
理论分析通常采用数学公式和物理原理，根据传热与传质的基本规律进行推导和计算。
数值模拟则通过数值计算方法，将传热与传质过程离散化，利用计算机模拟物质的传递和变化。
实验测量则通过实际设备和仪器，对传热与传质过程进行直接观测和记录。
这三种方法可以相互结合，相互验证，从而得到准确和可靠的结果。
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u uw 0 u uw
u uw 1 u uw
y , t tw 1 t tw
扩散方程 y 0, CA CA,w 0 y , CA CA,w 1
CA, CA,w
CA, CA,w
三个传递方程的边界条件形式完全一样
2020/9/16
80-12
第三章 传热传质的分析和计算
2020/9/16
80-1
内容
3.1 动量、热量和质量传递类比 3.2 对流传质的准则关联式
热量和质量同时进行时的
3.3
热质传递 3.4 对流传质的准则关联式
2020/9/16
80-2
3.1 动量、热量和质量传递类比 3.1.1 三种传递现象的速率描述及其之间的雷同关系
2
St Pr 3
JH
Cf 2
对流传质和流体摩阻之间的关系可表示为：
Stm
2
Sc 3
JD
Cf 2
实验证明JH、JD和摩阻系数Cf 有下列关系
JH
JD
1 2Cf
上式适用于平板流等无形状阻力的情况。
2020/9/16
80-19
对于柯尔本类比适用的情况： 对流传热的公式可用于对流传质。
三个性质类似的传递系数中，任意两个 系数的比值均为无量纲量,即
普朗特准则 Pr
a
表示速度分布和温度分布的相互关系， 体现流动和传热之间的相互联系
施密特准则 Sc 表示速度分布和浓度分布的相互关系，
D 体现流体的动量与传质间的联系
刘伊斯准则 Le a Sc 表示温度分布和浓度分布的相互 D Pr 关系，体现传热和传质之间的联系
dA
dy
2020/9/16
80-8
S
t
(
t
)
du dy
eff
du dy
eff : 有效动力粘度系数
qS
(
t
)
dt dy
eff
dt dy
eff : 有效导热系数
mS
(DAB
D ABt
)
dA
dy
DABeff
dA
dy
DABeff : 有效质量扩散系数
通常，充分发展湍流中，湍流传递系数远远大 于分子传递系数。
当Pr=1时 Nu C f Re 2
2020/9/16
80-15
以上关系也可推广到质量传输，建立动量传输 与质量传输之间的雷诺类似律
St m
Sh Re Sc
Cf 2
或
Sh C f Re Sc 2
当Sc=1，即ν=D时 Sh C f Re 2
2020/9/16
80-16
3.1.3.2 柯尔本（Colburn）类比
传热： h St C f Pr2/3
C pu
2
传质：
hm u
St m
Cf 2
Sc 2 / 3
0.6 Pr 60 0.6 Sc 2500
传热因子JH，传质因子JD
JH
h
C pu
Pr 2 / 3
JD
hm u
Sc 2 / 3
2020/9/16
80-18
对流传热和流体摩阻之间的关系，可表示为：
eff t ； eff t ； DABeff Dt
2020/9/16
80-9
•分子传递系数ν, a, DAB：
➢是物性，与温度、压力有关； ➢通常各项同性。
•湍流传递系数νt, at, DABt：
➢不是物性，主要与流体流动有关； ➢通常各项异性。
2020/9/16
80-10
3.1.2 三传方程
普朗特(Prandtl)类比（考虑了层流底层）
hm
Cf /2
u 1 5 C f / 2(Sc 1)
卡门(Karman)类比（考虑了层流底层、过渡层）
hm u
1 5
Cf /2
C f / 2(Sc 1) ln(1 5Sc) / 6
2020/9/16
80-17
契尔顿(Chilton)和柯尔本发表了如下的类似的表达式：
流体系统中：
速度梯度 温度梯度 浓度梯度
动量传递 热量传递 质量传递
2020/9/16
80-3
3.1.1.1 分子传递性质
a 牛顿粘性定律
❖两个作直线运动的流体层之间的切应力正 比于垂直于运动方向的速度变化率，即:
du
dy
❖对于均质不可压缩流体，上式可改写为：
d (u)
dy
2020/9/16
此为刘伊斯关系式，即热质交换类比律。
气体混合物：通常Le≈1，即a ≈ D。此时，边界层 内温度分布和浓度分布相似。
2020/9/16
80-14
3.1.3 动量交换与热交换的类比在质交换中的应用
3.1.3.1 雷诺(Renold)类比 (Pr=1)
St Nu C f Re Pr 2
或 Nu C f Re Pr 2
连续性方程 u 0
x y
动量方程
u
u x
u y
v
2u y 2
能量方程
u
t x
t y
a
2t y 2
扩散方程
u
C A x
C A y
D
2C A y 2
当ν=a=D时，三个传递方程形式完全一样
2020/9/16
80-11
边界条件为：
动量方程
y 0, u 0 或 u
能量方程
y , u 1 或 u
质量传递：FDΦ' =mA, Φ= ρA, C＝DAB; 能量传递：FDΦ' =q, Φ= ρcpt, C＝a; 动量传递：FDΦ' =τ, Φ= ρu, C＝ν。
2020/9/16
80-7
3.1.1.2 湍流传递性质
湍流切应力
t
t
du dy
湍流热流密度
qt
t
dt dy
湍流质量通量密度
m At
DABt
80-4
b 傅立叶定律
❖ 在均匀的各向同性材料内的一维温度场中，通 过导热方式传递的热量通量密度为：
q dt
dy
❖对于恒定热容量的流体，上式可改写为：
q d (9/16
80-5
c 斐克(Fick)定律
❖ 在无总体流动或静止的双组分混合物中，若组分A的 质量分数(或质量份额)aA的分布为一维的，则通过分 子扩散传递的组分A的质量通量密度为：
mA
DAB
daA dy
DAB: 组分A在组分B中的扩散系数，m2/s;
❖对于混合物密度为常数的情况，上式可改写为：
mA
D AB
d A
dy
2020/9/16
80-6
统一公式: FD' C d
FDΦ' : Φ'的通量密度；
dy
dΦ/dy: Φ的变化率；
Φ：单位体积的某种量；
C: 比例常数(扩散系数)。
2020/9/16
80-13
对流换热的准则关联式为： Nu f (Re, Pr)
类似的，对流体沿平面流动或管内流动时质交换的
准则关联式为：
Sh f (Re,Sc)
hml f ul , D D
Re给定条件下，Le=1时，有：Sh Nu
即 hml h l
D
hm
hD
ha
h cp
h
c p