传热和传质基本原理
传热与传质原理
传热与传质原理
传热原理是指热量从高温物体传递到低温物体的过程。
热量的传递主要有三种方式：传导、对流和辐射。
传导是指热量在固体内部通过分子振动和碰撞传递的过程。
当一个物体的一部分受热后，其颗粒会通过振动将热量传递给相邻颗粒，从而使得整个物体的温度均匀分布。
对流是指热量通过流体（液体或气体）的流动传递的过程。
当一个物体表面受热时，附近的流体会变热，密度减小，从而上升形成对流流动。
对流传热的效果和速度较传导更快，因为流体的运动可以加快热量的传递。
辐射是指热量通过电磁波辐射传递的过程。
热辐射是一种以光的形式传播的电磁波，凡是温度高于绝对零度的物体都会发出热辐射。
这种辐射不需要介质来传递，可以在真空中传递热量。
传质原理是指物质在不同浓度或压力下的扩散过程。
传质可以分为扩散和对流两种方式。
扩散是指物质由高浓度处向低浓度处传递的过程。
物质分子的运动会产生一个浓度梯度，导致物质分子自发地从高浓度区域向低浓度区域扩散，以使得整个系统的浓度达到平衡。
对流是指物质在流体中通过流动进行传递的过程。
在对流传质中，流体的流动会加速物质的传递速度，增强其扩散效果。
总之，传热和传质原理是研究热量和物质在系统中传递的基本原理。
了解这些原理对于控制和改善热传递和物质传递的过程至关重要。
传热和传质基本原理 第四章 三传类比
4.2.2 柯尔本类似律
雷诺类似律或忽略了层流底层的存在，普朗特正 对此进行改进，推导出普朗特类似律：
冯卡门认为紊流核心与层流底层之间还存在一个 过渡层，于是又推导出了卡门类似律：
契尔顿和柯尔本根据许多层流和紊流传质的实验结果， 在1933年和1934年，得出：
简明适用，引入了流体的 重要物性Sc数。
24
根据薄膜理论，通过静止气层扩散过程的传质系数可定义为：
25
在紧贴壁面处，湍动渐渐消失，分子扩散起主导 作用，在湍流核心区，湍流扩散起主导，传质系 数与扩散系数成下列关系
另外，δ的数值决定于流体的流动状态，即雷诺 数。
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4.4.2
同一表面上传质过程对传热过程的影响
设有一股温度为t2 的流体流经温度为t1的壁面。传递过程 中，组分A、B从壁面向流体主流方向进行传递，传递速 率分别为NA、NB。可以认为在靠近壁面处有一层滞留薄 层，假设其厚度为y0 ，求壁面与流体之间的热交换量。
边界层厚度
1904年普朗特首先提出
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4.5.1 边界层理论的基本概念
边界层的定义
流体在绕过固体壁面流动时，紧 靠固体壁面形成速度梯度较大的 流体薄层称为流动边界层 流速相当于主流区速度的0.99处到固 体壁面间的距离定义为边界层的厚度
边界层的形成与特点
Re x 2 10 5
vl Re
以此两式计算管内流动质交换系数结果很接近。
17
18
紊流
19
例题： 试计算空气沿水面流动时的对流质交换系数hm和每 小时从水面上蒸发的水量。已知空气的流速 u=3m/s，沿气流方向的水面长度l=0.3m，水面的温 度为15 ℃ ，空气的温度为20 ℃ ， 空气的总压力 1.013*105Pa，其中水蒸汽分压力p2=701Pa，相当 于空气的相对湿度为30%。
弗兰克 p.英克鲁佩勒.传热和传质基本原理
弗兰克p.英克鲁佩勒.传热和传质基本原理传热和传质基本原理[弗兰克p.英克鲁佩勒.传热和传质基本原理]是一本关于传热和传质领域的重要参考书籍。
本文将以此书中所涉及的内容为主题，详细探讨传热和传质的基本原理，以及相关的数学模型和实际应用。
首先，我们先来了解一下传热和传质的基本概念。
传热是指物质内部或不同物质之间因温度差异而引起的热量传递过程。
热量会从高温区域传递到低温区域，直至达到热平衡。
而传质则是指物质内部发生组分变化或不同物质之间发生物质迁移的过程。
传质包括扩散、对流和反应等多种方式。
在传热和传质领域，一个重要的概念是传递系数（transfer coefficient），用来描述传递过程的强度。
传递系数和物质性质、流动方式等因素有关。
根据英克鲁佩勒的《传热和传质基本原理》中的介绍，传递系数可以通过实验测量、经验公式或数值模拟等方法获得。
接下来，我们将详细讨论几种常见的传热和传质方式。
首先是传热的方式。
根据传热的途径，可以将传热分为传导、传流和辐射三种方式。
传导是指热的分子运动传递能量的过程，当物体温度不均匀时，热量会由高温区域向低温区域传递。
传导的强度受到物质热导率的影响，热导率越大，传导越快。
传流是指通过流体的对流传递热量。
当流体沿流动方向被加热或冷却时，热量将随流体的运动而传递。
对流的强度与流体的流速、流动形式以及流体与物体之间的热传递系数有关。
辐射是指由于物体的热辐射而传递的热量。
热辐射是物体由于温度而产生的电磁波辐射，可以经过真空传递。
辐射的强度可以通过斯特藩－玻尔兹曼定律来描述，该定律指出辐射通量与物体的温度的四次方成正比。
接下来是传质的方式。
根据传质时所涉及的运动方式，传质可以分为分子扩散和对流扩散两种方式。
分子扩散是指物质通过分子间的碰撞和运动实现的扩散过程，分子扩散受到物质的扩散系数、浓度差异和传质介质的性质等因素的影响。
对流扩散是指物质在流体中通过流动实现的扩散过程。
在对流扩散中，物质由于流体的运动而迁移，对流扩散的强度与流速、浓度差异和流体传质性质等因素有关。
传热和传质基本原理 第六章 燃料电池中的传热传质
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AFC电池结构
电解质保持在多孔体中的基体型。基体主要是石棉膜， 它饱吸KOH溶液。电池成多孔叠层结构。 自由电解质型。电解质是自由流体，电池设有电解质 循环系统，可以在电池外部冷却电解质和排出水分。 电极以电解液保持室隔板的形式粘结在塑料制成的电 池框架上，然后再加上镍隔板做成的双极板，构成单 电池。
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图6－19 典型的PEMFC系统示意图
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直接甲醇燃料电池（DMFC）
Gasket 直接甲醇燃料电池的全称应为直 MEA 接甲醇质子交换膜燃料电池，其 工作原理与常规的以氢为燃料的 质子交换膜燃料电池基本相同， 不同之处在于DMFC的燃料为甲醇 （可以是气态或液态，但主要是 液态），氧化剂仍是氧或空气。
11
碱性燃料电池（AFC）
AFC的工作原理：基本上是水电解的逆过程。它以氢氧化 钾（KOH）水溶液为电解质，溶液的质量分数一般为30 ％～45％，最高可达80％。 AFC燃料电池的电化学反应为
阳极反应 阴极反应
整个电池反应
2 H 2 4OH 4 H 2 O 4e O2 2 H 2 O 4e 4OH 2H 2 O2 2H 2 O 电能 热能
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1－氧支撑板 2－氧蜂窝（气室） 3－氧电极 6－氢蜂窝（气室） 7－氢支撑板 8－排水膜 －除水蜂窝（蒸发室） 11－除水蜂窝板
4－石棉膜 5－氢电极 9－排水膜支撑板 10
图6－5 静态排水的氢氧隔膜型燃料电池单体示意图（基本型）
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图6－6 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）
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图6－7 培根AFC电池系统
图6－8 磷酸型燃料电池的基本构造
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固体氧化物燃料电池（SOFC）
传热和传质基本原理
传热和传质基本原理传热和传质是物质在不同状态和介质之间传递能量和物质的过程。
它们是热力学和物质平衡的基础，对于理解和应用许多自然现象和工程问题至关重要。
传热是指热量在物体之间传递的过程。
热量是物体内部微观粒子的运动状态，是一种能量的形式。
当物体与其他物体或环境接触时，热量就会在它们之间传递。
传热的方式可以分为三种：传导、对流和辐射。
传导是在物体内部传递热量的方式。
当物体的一部分受热时，它的分子会加速运动，与周围分子发生碰撞，从而将能量传递给周围分子。
这种传递方式在固体中最为常见，因为固体的分子间距相对较小，分子之间的相互作用力较强。
固体的导热性能与其导热系数有关，导热系数越大，物体的导热性能越好。
对流是热量通过流体运动传递的方式。
当流体受热时，其密度会减小，从而使流体上升，而冷却的流体则下降。
这种上升和下降的流动形成了对流现象。
对流的传热效果与流体的流速、流体的性质以及流体与物体之间的接触面积有关。
辐射是通过电磁波辐射传递热量的方式。
所有物体都会辐射热能，辐射的强度与物体的温度有关。
辐射传热不需要介质，可以在真空中进行。
辐射的传热效果与物体的表面特性、温度差以及波长有关。
传质是指物质通过扩散、对流等方式在不同状态和介质之间传递的过程。
传质的方式可以分为扩散、对流和溶解。
扩散是溶质在溶剂中自发性的分子或离子运动，使其浓度均匀分布的过程。
扩散速率与浓度梯度、温度、溶质和溶剂的性质以及扩散距离有关。
对流传质是在流体中溶质随着流体的流动传递的过程。
流体中的溶质可以通过流体的对流运动从一处运动到另一处。
对流传质的速率与流体的流速、溶质的浓度梯度以及流体和溶质的性质有关。
溶解是溶质在溶剂中形成溶液的过程。
溶解速率与溶质和溶剂的性质、温度和浓度有关。
传热和传质是许多自然现象和工程问题的基础。
在自然界中，许多地理、气象、生物学和化学现象都与传热和传质有关，如大气环流、海洋环流、生物代谢等。
在工程领域，传热和传质的研究和应用广泛存在于化工、能源、材料等领域，如炼油、化学反应、传热设备等。
传热和传质基本原理--传质理论 ppt课件
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（5） 温度对扩散系数的影响
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§3-6 流体和多孔介质中的扩散和扩散 系数
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多孔介质中的弥散传质 The origin of dispersion（弥散）
Physically, a non-constant advecting velocity
D f x c ~ j x u ~ ij)f jku ~ iu ~jfu ~ kc ~f
(*)
(1 C r)c ~ u ~ jf u x i jf u ~ ju ~ if( c x jfjk u ~ k c ~ f) 0
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Thus the last equation can be simplified as:
u j 0 x j
u ti xjuju i1 x p i xj
( u i uj) xj xi
c t xj
ujcxj
(Df xcj)
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Volume-averaged macroscopic GEs
u j f 0 x j
uif t
xj
ujf
uif
1pf
f xi
microscopic equations reads the spatial deviation: u~ j 0 x j
D D u ~i t xj(u ~juif u ~iu ~j)1f x ~ pi xj( x u ~ij u ~ xij)
传热和传质基本原理-----第四章-三传类比
相当于空气的相对湿度为30%。
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4.5 边界层类比
流体流动的控制方程是非线性的偏微分方程组，处理 非线性偏微分方程依然是当今科学界的一大难题
实际工程问题：靠近固体 壁面的一薄层流体速度变 化较大，而其余部分速度 梯度很小
➢ 远离固体壁面，视为理想流 体－－欧拉方程、伯努利方程
➢ 靠近固体壁面的一薄层流体， 进行控制方程的简化－－流动 边界层
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❖ 在薄层内取一微元体，那么进入微元体的热流为 由温度梯度引起的导热热流、由进入微元体的传 递组分本身具有的焓。
稳定状态时，微元体处于热平衡，满足下列关系式：
令
无因次数为传质阿克曼修正
系数，表示传质速率的大小、
方向对传热的影响。
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得 边界条件为
令
得方程的解为：
代入边界条件，最后得到流体在薄层内的温度分别为：
水蒸 汽的汽化潜热r=2463.1kJ/kg，Sc=0.6.,Pr=0.7。 试计算干空气的温度。
2.试计算空气沿水面流动时的对流质交换系数hm和每小时从 水面上蒸发的水量。已知空气的流速u=3m/s，沿气流方向
的
水面长度l=0.3m，水面的温度为15 ℃，空气的温度20℃，
空气的总压力1.013*105Pa，其中水蒸汽分压力p2=701Pa，
➢边界层厚度
1904年普朗特首先提出
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4.5.1 边界层理论的基本概念
边界层的定义
流体在绕过固体壁面流动时，紧 靠固体壁面形成速度梯度较大的 流体薄层称为流动边界层
流速相当于主流区速度的0.99处到固 体壁面间的距离定义为边界层的厚度
边界层的形成与特点 Re vl
平板绕流
Re x
v0 x
电子教案与课件：传热和传质基本原理 C3(full)
C. Fixed temperature: L L D. Infinite fin (mL>2.65): L 0
肋片传热速率
q f
kAc
d
dx
|x0
Af h x dAs
无限长肋片的结果
3.6.3 肋片性能
1 肋片通过增加有效对流表面积来增加表面上的传热。 2 对肋基表面向外的传热，肋片又代表了一个传导热阻。
1.非对称边界条件
T
x
qL2 2k
1
x2 L2
Ts,2
Ts,1 2
x L
Ts,1
Ts,2 2
dT qx kA dx const.
在有内热源的情况下， 热流密度是随x变化的。
2.对称边界条件
温度分布关于中心面对称，故
T
x
qL2 2k
1
x2 L2
Ts
中心面温度最高：
T
0
T0
qL2 2k
1 r2
k
T
z
k
T z
q
cp
T t
2.24
1 r2
r
kr
2
T r
r2
1
sin2
k
T
r2
1
sin
k
sin
T
q
cp
T t
2.27
研究一维、稳态条件下通过扩散传递热量的情况。
一维：变量在空间上的变化只需单一坐标描述，温度梯度仅在单一 坐标方向上存在，也仅在此方向上传热。
T0
3.21
1 横截面积A(x)和材料的导热系数k(T)均可为已知。【可测量】
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传热的目的
• 根据热力不平衡程度定量确定传热速率。或者说，通过研究传热的机 理以及建立计算传热速率的各种关系式来拓展热力学分析。
• 自身是一门独立学科，在材料、科学或工程中具有重要应用。
1.1 何谓传热及如何传热
传热是因存在温差而发生的热能的转移。
1. 温度的概念：第零定律，平衡态，多大尺度以上成立？
不论物质处于哪种状态，这种发射 2 都是因为组成物质的原子或分子中
电子排列位置的改变所造成的。
辐射场的能量依靠电磁波传输，
辐射传热不需要介质，
3 且辐射能的传输是靠消耗发射
4 在真空中传输最有效。
辐射的物质的内能来实现的。
（2）黑体（Black Body）：具有下述性质的一种理想表面
1 黑体能够吸收处于任何波长和来自任意方向的全部投射辐射。
2. 只要一个介质中或两个介质之间存在温差（驱动势），就必然会发生传热。
3. “冷”或“热”的感觉是由温差引起的热流造成的，而热流的大小则与物质 的性质有关。
握手的深度分析
不同类型的传热过程称为传热的不同模式（modes）。
当静态介质中存在温度梯度时，不论该介质是固体还是流体， 介质中都会发生传热，这种传热过程即为传导（ Conduction）。
物体的各部分间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等 微观粒子的热运动而发生的热量传递称为导热（热传导）。
气体
分 子
热
运
动
液体
观 点
固体 自由电子 晶格波
速率方程（Rate Equation）：用于计算传热过程在单位时间内传输了 多少能量（J/s=W）。
对于热传导，速率方程为傅里叶定律（Fourier’s Law）。
4 在很多工程问题中（涉及太阳辐射或表面温度很高的源的辐射问题除 外）可认为液体对辐射传热是不透明的，而气体则是透明的，固体可 以是不透明的或半透明的。这是一个尺度问题！
传热分析和检验的基本准则！
• 热力学第二定律（熵增定律）
不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能 从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。
明确了传热这一自发过程的方向！
• 热力学第三定律（0K不能达到原理） 任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0K。
鼓励我们无限逼近0K！
当一个表面与一种运动的流体处于不同的温度时，它们之间 发生的传热即为对流（Convection）。[边界层]
所有具有一定温度的表面都以电磁波的形式发射能量。若两个 温度不同的表面不存在参与传热的介质，则它们只通过热辐射进行 传热。 Convection）。
传热是因存在温差而发生的热能的转移。
1.2 物理机理和速率方程-热传导
E Eb Ts4
1.5
ε为表面的辐射性质，称为发射率或发射比，值在0到1之前， 表示与理想辐射体相比，一个表面发射能力的大小。
事实上是全波长半球向发射率！
（4）周围环境对表面的投射辐射 辐照密度G：单位时间内投射在单位面积上的辐射能。
太阳、天空、地表
可由吸收率确定单位表面积在单位时间内 所吸收的辐射能（改变物质的内能）：
受迫 对流
沸腾
自然 对流
凝结
（4）对流能量传输速率方程：牛顿冷却公式
q h Ts T
(1.3)
对流热流密度正比于表面温度 与流体自由流温度之间的差值。
比例系数h称为对流换热系数、膜传导系数或膜系数
1 引入该系数的目的是试图将所有 影响对流传热的因素包含在单一 量之中。
2 典型对流系数的取值范围
单位面积在单位时间内发射的能量称为发射功率E。 其上限由斯蒂芬—波尔茨曼定律给出：
Eb Ts4
W m2
1.4
1 Ts为表面的绝对温度（K）。
2 5.67 108 W/(m2 K4 ) 为斯蒂芬—波尔茨曼常数。 3 这种表面为理想发射体或黑体。
Байду номын сангаас
在相同温度下，实际表面发射的热流密度要比黑体的小，为
第一章 导 论
• 热力学第零定律（热平衡定律）
若两个热力学系统均与第三个系统处于热平衡状态， 则两个系统也必互相处于热平衡状态。
温度的定义及其测量方法的基础！
• 热力学第一定律（能量守恒定律） 热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能
或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。
热力学的局限性
• 虽然热力学涉及系统间相互作用时的热能传输，且该传输在第一和第 二定律中极为重要，但热力学既不讨论传热的机理，也不讨论传热速 率的计算方法。
• 热力学讨论的是物质的平衡态，而平衡态必不存在温度梯度，虽然热 力学可以确定一个系统从一个平衡态到另一个平衡态所需的热能，但 热力学不去理会传热在本质上就是非平衡过程。
2
对于规定了的温度和波长，不存在能比黑体发射更多能量的表面。
虽然黑体所发射的辐射是温度和波长的函数，但它与方向无关，
3
也即黑体是漫发射体。
作为理想的吸收体和发射体，黑体具有标准体的作用， 4 可用作比较实际表面的辐射性质。
（3）表面发射能量的速率；发射率
表面发射的辐射源自以表面 为界限的内部物质的热能。
表面的几何形状
h
f
边界层内的条件
=f
界面的特性
流体的运动特性 层流、湍流、相态等
流体的热力学和输运特性
任何关于对流的研究都归结为确定h的方法研究！
1.2 物理机理和速率方程-辐射
（1）热辐射是处于一定温度下的物质所发射的能量。
固体表面、液体和气体都可以 1 发射能量，我们重点讨论固体
表面的辐射。
qx
k(T ) dT dx
k
dT dx
(1.1)
一维平壁
1.2 物理机理和速率方程-对流
（1）表面与流体的相互作用——边界层的形成与发展
V.B.L
T.B.L
（2）对流的机理 分子随机运动（扩散）造成的能量传输
流体的整体或宏观运动形成的能量传输
这种双重作用下的传输，习惯上称为对流。
（3）对流的分类
Gabs G
1.6
关于吸收这件事
1 0 1 ，若表面是不透射的，部分投射会被反射；若表面是半透射的， 则部分投射可穿过。
2 虽然吸收和发射的辐射会分别增加和减少物质的热能（从而影响其温 度），但反射和透射的辐射对该能量没有影响。
3 表面的吸收率与投射辐射的特性及表面本身有关，因此一般意义上 不是性质或属性。表面对太阳辐射的吸收率可以不同于对炉墙发出 的辐射的吸收率。