传热传质讲稿

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1、长 沙 理 工 大 学 备 课 纸1传热传质课程讲义 第一次课第一部分 课程介绍1 课程名称：传热传质课程参考教材：1. 动量、热量、质量传输国外著名教材或（美）E.R.G.埃克尔特（E.R.G.Eckert） ， （美）R.M.德雷克（Robert M.Drake）著；2. 动量、热量、质量传输原理.高家锐主编.重庆大学出版社.3. 徐明德译对流传热与传质分析4. 王补宣著， 工程传热传质学5. 黄祖洽， 输运过程6. 乐启炽/崔建忠编.传输过程基本原理.冶金工业出版社出版日期： 2005 年9 月7. 应纯同,气体输运理论及应用,清华大学出版社, 19908. 梁文懂.传递现象基础.冶金工

2、业出版社，2006.8.12 为什么要选修这门课程？对热动专业来讲，在能量转换和传递过程中，总会接触到热质交换现象和设备，比如锅炉、空气预热器、省煤器，电厂冷却塔，凝汽器，烟气脱硫吸收塔，除氧器等重要热质交换设备。因此学习这方面的传热传质知识对本专业是大有益处的。热能工程专业的毕业生，要能够从事热质交换设备的热工设计与热工计算；并要具有初步的科学研究与开发能力。从上述本专业培养目标不难看出，在专业的各个方向上，为实现高效的热质输运效率，必然要牵涉到大量的动量、能量、质量的输运现象及与实现相应传输过程的设备。例如，汽轮机乏气凝结时所放出的潜热穿过管壁而传到冷却水中，从而实现热量的转移。又如锅炉中

3、的一些受热面（水冷壁、过热器等） ，在燃料燃烧时与之进行大量的热量交换。烟气脱硫吸收塔中的气液接触吸收，提供热量的锅炉的省煤器和空气预热器等等，都是本专业常用的进行热质交换的设备。在座的各位同学将来都是高级工程师，所以也很有必要了解和掌握传热传质方面的基础知识。3 如何学习本课程？类比学习法：传输原理(动量、热量、质量传输)长 沙 理 工 大 学 备 课 纸2传输是指流体的(输送、转移、传递) 的统称。物 质 传 递 过 程传 热 过 程动 力 过 程的传递与输送 (规律、解析法一样 )传输质 量热 量动 量 质 量 传 输热 量 传 输动 量 传 输 类 似 统 一 性原理(理论)具体传输过

4、程：化学、物理过程。 锅炉原理 、 燃烧学 、 脱硫技术概论传输过程燃烧、吸收过程的物理过程(反应动力学) 物理化学(化学热力学)动量、热量、质量传递的过程。 锅炉原理 、 洁净煤技术 、 循环流化床技术举例：流化床燃烧中气固两相流动。湿式烟气脱硫技术中的液柱塔吸收 SO2，目的就是改善传输条件。总之，传输理论已成为现代热工理论的基础。我们在传热学、流体力学中已经学过动量传输、热量传输的基本理论及相关设备（如换热器、泵与风机） ，所以，本课程我们将重点讲解质量传输的基本理论及主要设备（如混合式换热器、吸收塔，洗涤塔、冷却塔、流化床）4 授课方法和学习要求课堂讲解和工程实例讲座课堂学习：课堂教学

5、和课堂讨论，采用多媒体教学手段（系统流程、设备结构、设备工作原理，介质输运过程都可以直观显示）实践学习：结合本专业知识结构，充分发挥学生的主动性和求知欲，布置科研小论文和多媒体小课件制作（给出具体的范例和格式）、参观专业实验室了解相关传热传质设备。学习要求：1）大作业（利用 PPT 制作多媒体专题片或撰写科研小论文）2）要求：任选一；必须以 A4 纸张打印出的科研论文的形式提交，要符合科研论文的规范；课题可以自拟，也可以由老师提供，选题范围为本专业内容。5 考核方式：平时出勤（10%）、学习态度及上课纪律等表现（10%）；作业（20%）；开卷考试或随堂测验成绩（30%）；大作业（30%）第二部

6、分 课程主要内容一、本课的基本要求：1.理解质量传输的定义、驱动力及分类。2.掌握质量传输中质量浓度、摩尔浓度，质量分数、摩尔分数的表示方法。3.重点掌握菲克第一定律、菲克第二定律的表达式、适用条件及物理意义。4.正确理解稳定扩散传质，了解不稳定扩散传质。长 沙 理 工 大 学 备 课 纸35 掌握基本传质过程计算方法及相关塔设备原理二、本课的重点和难点1.本课的重点是质量传输、动量传输、热量传输的类似性及质量传输的基本定律的表达式及传质过程计算方法及相关塔设备原理。2.本课的难点是扩散传质。三、作业：（去图书馆或中国期刊网，查找与传热传质相关的资料，同一课题方向要求查阅 10 篇左右文献）根

7、据文献内容提炼出自己的科研小论文题目，最后一周三提交论文进行答辩。 第二次课第一章 热质传输概论一、本课的基本要求：1.掌握热质传输的基本概念、热质交换的分类。2.重点掌握热质传输的类比。二、本课的重点、难点：1.本课的重点是热质传递现象中的三种类比2.本课的难点是湍流扩散的规律。三、作业：布置大作业：关于传热传质方面的文献（查找 2000 年后发表的相关文献） ，重点期刊：中国电机工程学报，化工学报，工程热物理学报，太阳能学报，热能动力工程学报，环境科学学报，高等学校化学学报等，课程结束后提交大作业科技小论文一篇。1. 热质传递现象中的三种类比质量传输与动量、热量传输共同组成统一的传输理论。

8、质量传输的研究对象：物质传递的运动规律。质量传输过程：物质从物体或空间的某一部分传递到另一部分的现象即为质量传输过程。其定义为：在一体系内存在着一种或两种以上不同物质的组分，而当其中一种或几种组分的浓度分布不均匀时，则各组分浓度较高的部分就会向浓度较低的部分转移，这种过程叫质量传输过程。质量传输过程的动力：浓度。质量传输过程的分类：分子扩散传质对流扩散传质质量传输是动量、热量传输过程的基础和条件，这三种传输过程又具有类似的规律及数学表达式。长 沙 理 工 大 学 备 课 纸41.1 分子传递（传输）性质当流体中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量和质量的传递现象。动量、热量和质量

9、的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由旋涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。流体的粘性、热传导性和分子扩散传质特性通称为流体的分子传递性质。因为从微观上来考察，这些性质分别是非均匀流场中分子不规则运动时同一个过程所引起的动量、热量和质量传递的结果。（1） 当流场中速度分布不均匀时，分子传递的结果产生切应力；（2） 而温度分布不均匀时，分子传递的结果产生热传导；（3） 在多组分的混合流体中，如果某种组分的浓度分布不均匀，分子传递的结果便引起该组分的质量扩散。归纳（板书部分）：流体中存在温度、速度、浓度不平衡势差(梯度) 如下三种传递现象：（1） 动量传递：速度梯度引

10、起的（2） 热量传递：温度梯度引起的（3） 质量传递：浓度梯度引起的可以分为：（1） 微观分子的运动引起的分子扩散（2） 涡旋混合造成宏观流体微团运动引起的湍流扩散（湍流传递）表示上述三种分子传递性质的数学关系式分别为：(1)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:(1-1)对于均质不可压缩流体，上式可改写为:(1-2)式中 :切应力，同时也表示单位时间内通过单位面积传递的动量，又称动量通量密度,N/m 2;:流体的动力粘性系数,Pas;:流体的运动粘性系数，又称动量扩散系数,m 2/s;y:垂直于运动方向的坐标,m;d()/dy:动量浓度的变化率，

11、表示单位体积内流体的动量在 y 方向的变化率,kg/(m 3s)长 沙 理 工 大 学 备 课 纸5(2)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：(1-3)对于恒定热容量的流体，上式可改写为:(1-4)式中q:热量通量密度，或能量通量密度，表示单位时间内通过单仕面积传递的热量,J/(m2s)；d(c pt)/dy:焓浓度变化率，或称能量浓度变化率，表示单位体积内流体所具有的焓在 y 方向上的变化率,J/(m 3m);:导热系数,W/(m 0C);:热扩散系数，又称导温系数 m2/s;y:温度发生变化方向的坐标,m。(3)斐克定律在无总体流动或静止的双组

12、分混合物中，若组分 A 的质量分数 C*A的分布为唯一的,则通过分子扩散传递的组分 A 的质量通量密度为:(1-5)对于混合物密度为常数的情况，上式可改写为：(1-6)式中 mA:组分 A 的质量通量密度，表示单位时间内，通过单位面积传递的组分 A 的质量,kg/(m 2s)DAB:组分 A 在组分 B 中的扩散系数,m 2/s;y:组分 A 的密度发生变化的方向的坐标,m;d A/dy:质量浓度变化率，表示单位体积内组分 A 的质量浓度在 y 方向的变化率,kg/(m 3m)在公(l-3)至(1-6)中的负号，分别表示传热和传质是向温度、浓度降低的方向进行的。归纳（板书部分）：由式(1-1)

13、至(1-6)可见，表示三种分子传递性质的数学关系式是类似的。今以式(1-2)、(1-4)和式 (1-6)说明。动量传递公式(1-2)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(1-4)表明:能量通量密度正比于能量浓度的变化率。长 沙 理 工 大 学 备 课 纸6质量传递公式(1-6)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。因而这三个传递公式可以用如下的统一公式来表示：这些表达式说明动量交换、热量交换、质量交换的规律可以类比。动量交换传递的量是运动流体单位容积所具有的动量 ；热量交换传递的量是物质每单位容积所具有的焓 cpt;质量交换传递的量是扩散物质每单位

14、容积所具有的质量也就是浓度 CA。显然，这些量的传递速率都分别与各量的梯度成正比。系数 D、 均具有扩散的性质，它们的单位均为 m2s： D 为分子扩散或质扩散系数； 为热扩散系数； 为动量扩散系数或称运动粘度。以后我们将会看到，正是由于这三个基本传递公式的类似性将导致这三种传递过程具有一系列类似的特性。不过，在多维场中，动量是一个矢量，因而表示其传递量的动量通量密度一个张量，而热量和质量都是标量，因而表示其传递量的热量通量密度和质量通量密度都是矢量。就这一点来说，前者和后两者是不同的。1.2 湍流传递性质在湍流流动中，除分子传递现象外，宏观流体微团的不规则混掺运动也引起动量、热量和质量的传递

15、。其结果从表象上看起来，相当于在流体中产生了附加的“湍流切应力” ， “湍流热传导”和“湍流质量扩散”由于流体微团的质量比分子的质量大得多，所以湍流传递的强度自然要比分子传递的强度大得多。尽管湍流很掺运动与分子运动之间有重要差别，然而早期半经验湍流理论的创立者还是仿照分子传递性质的定律建立了湍流传递性质的公式。在这种理论中定义了：湍流动力粘性系数 t湍流导热系数 t湍流质量扩散系数 DAbt并认为对于只有一个速度分量的一线流动而言，湍流切应力 t、湍流热量通(1-7)长 沙 理 工 大 学 备 课 纸7量密度 qt和湍流扩散引起的组分 A 的质量通量密度 mAt分别与平均速度 、平均温度 t

16、和组分 A 的平均密度 A的变化率成正比，亦即(1-8)(1-9)ttdqy(1-10)因为在流体中同时存在湍流传递性质和分子传递性质，所以总的切应力 s、总的热量通量密度 qs和组分 A 的总的质量通量密度 ms分别为:(1-11)(1-12)(1-13)在充分发展的湍流中，湍流传递系数往往比分子传递系数大得多，因而有 eff t, eff t,DABeffD ABt。故可以用式(1-8)、(1-9)和(1-10)分别代替式(1-11)、(1-12)和(1-13)。这样，湍流动量传递、湍流热量传递和湍流质量传递的三个数学关系(1-8)、(1-9)和(1-10)也是类似的。应当指出的是，有了类似于式(1-8)、(1-9)和(1-10)这样的从表象出发建立起来的公式，并没有根本解决湍流计算的问题。因为确定湍流传