工程中的几个传热、传质专题

图9-8 DE边界的传热分析简图
3. 管板的温度场计算及边界条件的确定
管板的温度场服从均匀介质中、二维轴对称 、稳定导 热 、无内热源的导热微分方程，即：
1 ( r T ) ( T ) 0 r r r z z
相应的边界条件确定如下（见图9-7）： （1）BC边界----为绝热边界，故有
Nu = 0.081Re0.87 Pr 0.33
于是辐射与对流的综合换热系数为
(9-33)
1t 1c 1r
(9-34)
（3）AE边界----圆管入口段的对流换热为
2 T Nu 0.0214(Re0.8 100)Pr0.4[1 ( d ) 3 ]( f )0.45 Tw l
圆管内AE边的辐射与对流综合换热系数为
(9-27)
由前面的假设可以认为：伤害面积A内各点的毒物浓 度C( x, y ) ≥LC50；于是在x轴上浓度为LC50的点的距 离为
xc [
] kt u( LC 50)
1 n0
(9-29)
显然当距离大于xc时，地面上的浓度小于LD50
1.3 余热锅炉及其关键部件的传热计算 1.3.1 余热锅炉热力计算的大致步骤
图9-13给出了喷注参量 与无量纲边界层厚度η0.99（即以 ~ 0.99u∞为边界层定义的η值）间的曲线以及 与无量纲火 焰表面位置ηf间的曲线，
这类燃烧爆炸变化的范围很宽广，从速度量级来看， 常见碳氢化合物的气体燃料与空气在化学当量配比下得 到的混合物其基本燃烧速度为0.5m/s的量级，而同样燃 料混合物转变成爆轰时，其波阵面传播速度可达 2000m/s的量级，速度变化跨4个数量级。从压力量级 来看，从气体燃烧到固体含能材料的爆轰，这时压力变 化跨6个数量级。 气体和粉尘燃烧爆炸的模式大致可有四种： ① 定压燃烧； ② 爆燃； ③ 定容爆炸； ④ 爆轰。
爆炸延迟时间为
tign E R 0 exp E R 0
（9-9）
任何有化学反应的 封闭系统都有爆炸 延迟时间，爆炸延 迟时间不仅是系统 反应温度的指数函 数，而且还是浓度 的幂函数。
图9-1 热爆炸的爆炸行为
1.1.2 泄露造成的火灾以及相应模型的初步分析
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引进相似变量 及无量纲质量分数 ，（9-51a）～ （9-51c）以及三个附加关系式变换为
1 j S C j f 0 （j＝N，O，C）（9-62） 2 1 N , N ,w N ,w N ,w f w S C 2 1 （9-63） , w 1 C , w f w S C C , w C 2 3 , f O , O ,f C , w C 4
v w N , w 0 w
v w CO , w 0 w
(9-53)
(9-54)
C D y
v w 1 C , w 0 w
（9-59）
根据火焰表面上发生完全燃烧过程的假定以及C、 O2与CO的分子量分别为12、32与28，于是碳与O2 向火焰表面的扩散速率之比为
1.4.1 气相爆炸
图9-9 爆燃波示意图
1.4.2 粉尘爆炸
粉尘爆炸的实质是气 体爆炸，而使粉尘表 面升温气化的主要原 因是热辐射，气体爆 炸时，气体燃烧热的 供给主要靠热传导。
图9-10 粉尘爆炸过程
1.5 高速飞行器重返大气层时的热防护
高速飞行器类型
再入速度
地球轨道飞行器 其他星球探测器(如 月球探测器)
洲际弹道导弹弹头
第一宇宙速度 第二宇宙速度
7 km/s左右
高速飞行器的热防护问题是高速飞行中面临的重要 难题之一，许多宇航飞行器重返大气层时气流的滞止温 度高达10000k，为了使飞行器免于烧毁，烧蚀防热是常 用的一种手段，本节从传热与传质的角度出发去分析这 种防护措施的物理与化学方面的机理。
图9-11 烧蚀冷却的简化模型
T 0, Q 0 z
(9-38)
因此，主方程式（9-30）连同边界条件（9-31）~ （9-38）便构成了管板温度场问题的完整方程组。 显然该方程组可用数值方法进行求解。
1.4 气相爆炸与粉尘爆炸
所谓爆炸是大量能量（即物理能量或化学能量）在瞬间 迅速释放或急剧转化为功、机械、光、热等能量形态的 现象，是物质的一种快速膨胀过程。 爆炸可分为物理爆炸和化学爆炸，前者在爆炸过程中只 发生物理状态的变化例如锅炉爆炸、雷电、地震、高速 碰撞等；后者在爆炸过程中即有物理变化，又有化学变 化例如炸药爆炸、瓦斯爆炸、粉尘爆炸等。 气体和粉尘爆炸是工业爆炸灾害的重要形式，它是一种 非点源的爆炸，与炸药爆炸有很大区别。
（1）物性计算----根据热气体的组成和参数（温度、 压力），进行与混合气体有关的物性（例如粘度、 重度 、热导率、比热容 、焓等）计算。 （2）换热量计算----根据热气体的进出口条件，由热 平衡方程求出换热量，然后再确定余热锅炉的水蒸 气蒸发量。 （3）选型----根据热气体和蒸气的温度、压力以及热 气体的物理、化学性质，选择余热锅炉的形式、结 构与材料。 （4）传热面积的计算 （5）校核传热危险区域
(9-51b)
(9-51c)
(9-51d)
C O N CO 1
这里仍假定每一组分的扩散系数均相等并且都等于 D，式（9-51a）～（9-51d）适用于边界层内的内、 外层，边界条件为
y 0:
f
, ,
N N
W
O
O,C C, W （9-52a）
3. 有毒物质后果分析计算
假定泄露为连续泄露源，并假定泄露速度为常数，基 于稳态高斯分布模型，毒气浓度分布为
1 y2 z2 C ( x, y , z ) exp[ ( 2 2 )] ut x y 2 y z

(9-24)
y 离泄露点为x距离的浓度服从高斯分布，其标准偏差 与 z 满足
1.5.1 烧蚀问题中边界层的传质计算
图9-12 边界层内组分的质量分数分布
C C 2 C u v D x y y 2 O O 2 O u v D x y y 2
N N 2 N u v D x y y 2
(9-51a)
0,C 0
y y（火焰表面）
y :
O
（9-52b） （9-52c）

N
0.77,O 0.23,C 0
在边界层内层中，碳是单向扩散，而N2与CO对壁面是 呆滞组分，于是有[84～98]：
n N ,w
nCO , w
N D y
CO D y
2.爆炸理论 • 定义：从消防观点来说，凡是发生瞬间的燃烧，同时生成 大量的热和气体，并以很大的压力向四周扩散的现象，叫 做爆炸。 • 条件：a 混合物的浓度处在爆炸浓度极限 b 火源的能量大于或等于最小点火能量 • 类型：a 纯粹的热爆炸 b 链反应或纯粹的化学爆炸
• 大多数高温气体爆炸主要属于链反应，而大部分工业环境 中发生的爆炸问题多可以用热爆炸理论加以解释。下面主 要讨论与热爆炸相关问题。
(9-35)
2t 2c 2r
(9-36)
（4）CD边界----此处为沸腾换热面，并且属于大容器沸 腾，在p=0.2×105 ~98×105Pa饱和蒸汽压力下，水的 沸腾换热系数为 (9-37) 45.8P0.5(T T )2.33
3
w
f
（5）DE边界----可当作绝热边界处理，即
边界条件为
0： N 0， O 0， C 0 f： O 0， C 1
： N 1， O 1， C 1
（9-65）
因此由主方程组（9-62）与（9-63）式以及边界条件 （9-65）式便可得到ωC,W，ωN,W及yf的值；另外还可 得到边界层内各组分质量分数（即ωN，ωC与ωO）的 分布（如图9-12所示）。
• 泄漏造成的火灾包括：闪燃火灾、油池火灾、火球、 射流火灾等 • 描述火灾完整模型包括以下参数： 火焰形状及尺寸 热释放速率 热辐射 火焰温度 火焰发射率 表面发射功率 形状因子
图9-2 火球的发展过程
1.1.3 火灾模拟计算的简介
图9-3 火球热辐射的计算框图
图9-4 射流火灾热辐射的计算框图
工程中的几个传热、传质专题
1.1 火灾及相应的模型的初步分析 1.1.1 失控放热反应及爆炸延迟时间
1.燃烧理论 • 定义： 燃烧一般指某些物质在较高温度时与氧气化 合而发生激烈氧化反应并释放出大量热量的现象。包 括热量传递、动量传递、质量传递和高速化学反应的 综合物理化学过程。 • 机理：燃烧是一种链锁反应，通过一系列中间反应和 活性中间产物的连续传递来实现。 • 条件： 有可燃物质存在 有助燃物质存在 有可能导致燃烧的能源
2. 毒性评价指标
通常，毒性的评价指标有四种： （1）绝对致死量（LD100或LC100)----指在该组量下全组的 染毒动物全部死亡时的最小剂量或浓度。 （2）半数致死量或浓度（LD50或LC50)----指染毒动物有半 数死亡的剂量或浓度。 （3）最小致死量或浓度（MLD或MLC)----指全组染毒动 物中有个别动物死亡的剂量或浓度。 （4）最大耐受量或浓度（LD0或LC0)----指全组染毒动物全 部存活的剂量或浓度。除了用实验动物的死亡表示毒性之 外，毒物又可分为剧毒，高毒，中等毒，低毒和微毒五个 等级。
(9-30)
q T 0, T 0 r r
(9-31)
（2）AB边界----高温气体层对边界的辐射与对流放射。 辐射放热可由下式确定，即
Tg 4 T ' wC [ g ( ) Ag ( w )4] 0 100 100 r Tg Tw
(9-32)
对流换热是由炉头接管的出口喷射的垂直于端面的气流 所产生的对流换热，其公式为

i i xni
(9-25)
计算z=0面上的浓度，即：
2 y 1 C( x, y) ut exp[ ( 2 )] y z 2 y
(9-26)
将式（9-25）代入式（9-26），有
2 y 1 C ( x, y) exp[- ( 2 )] n 2 y kt ux
0
1.3.2 管板温度场的计算
图9-5 余热锅炉炉管的两种排列方式
1. 炉头管板的一般结构
图9-6 炉管单元的轴向结构
2. 边界条件的分析 图9-7给出了简化后的炉管单元导热的区域图
图9-7 简化后炉单元的导热区域
其边界条件分析如下： （1） BC 边界----为绝热边界。 （2）AB 边界----炉内辐射兼对流换热，以辐射为主。 （3）AE边界----进口段为对流换热兼管内气体辐射。 （4）CD边界----为是沸腾换热边界，高温烟气对炉头 的传热经此边界传给沸腾水。显然当考虑沸腾换热与管 板中的导热耦合时，管板表面的温度是未定的。 （5）DE边界----DE边界以外是炉管和瓷套管伸出管板 表面的部分，其结构及传热分析如图9-8所示。
O D y C D y
yf yf
32 4 24 3
即
C y
3 O 4 y yf
yf
（9-60） 因此（9-53）、（9-59）与（9-60）式就是所需要的三个 补充附加关系式。于是便可由（9-51a）～（9-51d）式求 出各组分质量分数的分布。
1.2 毒物泄露的后果分析
1. 有毒物质对人的作用的分类
有毒物质对人的作用，按照接触时间的长短和毒物的 浓度可以分为两类： （1）急性中毒----发生在短时间高浓度的情况下，例如 一氧化碳中毒。 （2）慢性中毒----发生在长时间接触低浓度的情况下， 例如石棉和铅中毒等。 氯气和氨气是两种最重要最常见的毒性物质。