第三讲 传热与传质
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。
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（2）试用N表示通过复合平壁的热流密度和导热速率。
（3）N=10时，计算第5、6层平壁交界面处的温度。
分析：
tf1
➢ 按题意，一维、稳态h1 、平壁导热问题，第三类边界条件； t2
➢ 已知平壁相关尺寸、热导率；流体温度及对流换热系数；
t3
h2
dT dr
c1
T c1 ln r c2
T1 c1 ln r1 c 2 ; T 2 c1 ln r2 c 2
应用边界条件 获得两个系数
c1
T2 ln ( r2
T1 r1 )
;
c2Biblioteka T1(T2T1 )
ln r1 ln(r2 r1 )
T
T1
T2 ln(r2
T1 r1 )
ln(r
r1 )
将系数带入第二次积分结果
tf2
（1）当N=3时，请画出等效热网络图，并标明各部分热阻。
q
Tf 1 tf1
t1
t2
t3
t2
tf2 Tf 2
Rconv,1 三 Rc层 ond平,1 壁Rc的on稳 d ,2态R导con热d ,3 Rconv,2
各热阻：
Rconv,1
1 h1 A
Rconv,2
1 h2 A
L
Rcond ,1 k 1 A
RN 5,total
L
k 1
A
2
1 251
1 h1 A
0.5469K
/W
由于第5、6层平壁交界面处的温度可以表示为：
q Tf 1 T5,6 RN 5,total
因此，第5、6层平壁交界面处的温度为：
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。
化工过程中的传热与传质
质量传递的控制策略
控制温度：通 过控制温度来 影响质量传递 的速度和方向
控制压力：通 过控制压力来 影响质量传递 的速度和方向
控制浓度：通 过控制浓度来 影响质量传递 的速度和方向
控制流速：通 过控制流速来 影响质量传递 的速度和方向
控制界面：通 过控制界面来 影响质量传递 的速度和方向
控制反应条件： 通过控制反应 条件来影响质 量传递的速度
对流换热
定义：流体与固体表面之间的热量传递过程 特点：速度快，效率高，适用于大空间、大流量场合 影响因素：流体的流速、温度、密度、粘度等 应用：化工、能源、环境等领域的传热过程
辐射换热
辐射换热原理：通过电磁波传递热量 辐射换热特点：不需要介质，可以在真空中传递热量 辐射换热应用：太阳能热水器、红外线加热器等 辐射换热影响因素：辐射源温度、辐射源面积、辐射源与接收器之间的距离等
降低传质污 染：新型传 质材料可以 降低传质污 染，提高环 保性能
提高传热传 质效率：新 型传热传质 材料可以提 高传热传质 效率，降低 能耗，提高 生产效率
传热与传质过程中的余热利用技术
余热回收：通过回收废热， 提高能源利用效率
余热利用：将废热转化为 热能，用于其他工艺过程
余热发电：利用废热发电， 减少能源消耗
新型传热与传质材料的节能潜力
提高传热效 率：新型传 热材料可以 提高传热效 率，降低能 耗
降低传质阻 力：新型传 质材料可以 降低传质阻 力，提高传 质效率
减少传热损 失：新型传 热材料可以 减少传热损 失，提高能 源利用效率
提高传热稳 定性：新型 传热材料可 以提高传热 稳定性，降 低传热波动 对生产过程 的影响
化工传质过程
传质基本原理
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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45
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 第三章 传质理论PPT课件
Du ~ic~f Dt
(c~u ~jf
uif xj
u ~ju ~if
cf xj
)Df xc~j xu ~ij)f
c~(1f x~ pi xi( xu ~ij u ~ xij))f 0
c ~ ( 1 f x ~ p i x i ( x u ~ i j u ~ x ij)f) C ru ~ jc ~ f u x i j f
44
Theoretical analyses
Volume average
1 dV V Vf
Intrinsic average
f 1 dV f
Vf Vf
f ~ 1 dA V Aint
Microscopic governing equations
Schematic of a porous media
xj xj
ujf xi
)
1 Vf
Ain(ip( xuij u xij)n )jdA
(cf
t
xjujfcf) xj(Df cxjf
Df V
A cinnijd
A u ~jc ~f)
1 c
VAinD i f xjnjdA
46
Subtracting the volume-averaged equations from the
D D c ~ x j t ( u ~ j c f u ~ j c ~ u ~ j c ~ f) x jD f x c ~ j a fh f( c f c s )
where
D
Dt t
ujf
xj
47
Note the relationship
D D u ~ic~tc~D D u ~i t u ~i D Dc~t
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】
化工学中的传热与传质工程
化工学中的传热与传质工程引言化工学中的传热与传质工程是一个重要的学科领域，它研究物质在化工过程中的传热和传质现象以及相关的工程应用。
传热与传质工程的理论和实践对于化工过程的优化和改进起着至关重要的作用。
本教案将从传热与传质的基本原理、传热与传质的数学模型、传热与传质的实验方法以及传热与传质在化工工程中的应用等方面进行论述，旨在帮助学生深入理解和掌握这一学科的核心内容。
一、传热与传质的基本原理传热与传质是物质在不同温度或浓度下的扩散现象。
传热主要指的是热量的传递，而传质则是物质的传递。
在化工过程中，传热与传质的基本原理是理解和解决化工过程中的热和物质平衡问题的基础。
1.1 热传导热传导是指热量通过物质内部的传递。
它是由于物质内部的分子热运动而产生的。
热传导的速率与物质的导热性质有关，可以通过热传导方程进行描述。
在化工过程中，我们需要了解材料的导热性质，以便设计和优化热交换设备。
1.2 对流传热对流传热是指热量通过流体的传递。
它是由于流体的流动而产生的。
对流传热的速率与流体的流动性质有关，可以通过对流传热方程进行描述。
在化工过程中，我们需要了解流体的流动性质，以便设计和优化传热设备。
1.3 辐射传热辐射传热是指热量通过辐射的方式传递。
它是由于物体的热辐射而产生的。
辐射传热的速率与物体的温度和表面性质有关，可以通过辐射传热方程进行描述。
在化工过程中，我们需要了解物体的辐射性质，以便设计和优化辐射传热设备。
二、传热与传质的数学模型传热与传质的数学模型是描述传热与传质现象的基础。
它们可以帮助我们理解和预测传热与传质过程中的各种现象和行为。
2.1 传热与传质的质量守恒方程传热与传质的质量守恒方程是描述传热与传质过程中物质的传递行为的方程。
它可以通过质量守恒定律推导得到。
在化工过程中，我们可以使用质量守恒方程来计算物质的传递速率和传递量。
2.2 传热与传质的能量守恒方程传热与传质的能量守恒方程是描述传热与传质过程中能量的传递行为的方程。
流体的传热和传质
流体的传热和传质流体的传热和传质是热力学和传质学领域中的重要理论和实践问题。
在许多工程和自然现象中，流体的传热和传质过程起着关键作用，如热力设备的设计、化工反应过程的控制以及环境保护等。
本文将从理论和实践两个方面，对流体传热和传质进行探讨。
一、流体的传热流体的传热是指热量在流体中的传递过程。
这种传递可以通过三种方式进行：传导、对流和辐射。
传导是指热量在固体或液体中的传递过程，其传递方式与物质的微观结构有关。
对流是指传热介质的流动对传热过程的影响，其传递方式与流体的性质和流动条件有关。
辐射是指热量以电磁波的形式传递，不需要传热介质参与。
在工程实践中，为了提高流体的传热效率，常采用换热器。
换热器是一种通过流体的换热面进行热量传递的设备，根据换热的方式和流体的性质可以分为不同类型，如壳管式换热器、板式换热器等。
不同的换热器在不同的工况下有着各自的优势和适用性。
二、流体的传质流体的传质是指在流体中不同组分之间物质的传递过程。
传质过程可以通过扩散、对流和反应等方式进行。
扩散是指溶质在流体中由浓度高的区域向浓度低的区域传递，其速度与浓度梯度成正比。
对流是指流体的流动对传质过程的影响，常用于提高传质效率。
反应是指溶质通过化学反应或生物反应等方式在流体中传递。
在化工工艺中，流体的传质过程对反应速度和产品质量有着重要影响。
为了实现高效传质，需要控制传质介质的流动条件和溶质的浓度梯度，同时合理选择传质设备和工艺参数。
三、流体传热和传质实践案例流体的传热和传质在许多工程和自然过程中发挥着重要作用。
以下是一些实践案例：1. 化工反应过程中的传热和传质：在化学反应中，传热和传质过程对反应速度和产物分布有着直接影响。
通过合理设计反应器和传热设备，可以提高反应的效率和选择性。
2. 多相流传热和传质：在多相流动中，不同相之间的传热和传质过程对相变、反应和质量传递起着重要作用。
例如，在锅炉中的蒸汽生成和汽车发动机中的冷却系统，多相流传热和传质是需要考虑的重要问题。
机械工程中的传热与传质原理
机械工程中的传热与传质原理传热与传质原理是机械工程中非常重要的基础知识之一。
在机械工程领域中，传热和传质现象的研究与应用涉及到热力学、流体力学、传热传质理论等多个学科。
本文将探讨传热与传质原理在机械工程中的应用及其重要性。
一. 传热与传质的概念及基本原理在机械工程中，传热与传质是指热量和物质在不同物体或系统之间的传递过程。
传热与传质的基本原理可分为三种方式：传导、对流和辐射。
1. 传热方式之传导传导是指物体之间直接的热量传递，其中热量的传递是由于物质内部热运动引起的。
热量的传导主要与物质的导热性质有关，导热性质好的物质传热速率快。
2. 传热方式之对流对流是指热量通过流动的流体介质传递。
在机械工程中，许多传热设备都采用了对流传热方式，以提高传热效率。
对流传热主要涉及到传热介质的流动状态，例如流速、流体性质等因素会影响传热效果。
3. 传热方式之辐射辐射是指热量通过电磁波辐射传递。
辐射传热可以在真空中传递，与传导和对流方式相比，其传热速率更快，因为辐射不需要通过物质介质。
辐射传热在高温条件下具有重要应用，例如熔融金属的加热等。
二. 传热与传质在机械工程中的应用传热与传质原理在机械工程中有着广泛的应用。
以下将从热交换、干燥、冷却等方面阐述传热与传质在机械工程中的具体应用。
1. 热交换热交换是指通过传热器将热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
在许多机械系统中，热交换是必不可少的。
热交换器的设计与传热与传质原理密切相关，有效地利用传热与传质原理可以提高机械系统的能量效率。
2. 干燥在机械加工和制造过程中，需要对材料进行干燥。
干燥是指通过传热和传质使材料中的水分蒸发或扩散到周围环境中的过程。
传热与传质原理在干燥过程中的应用能够提高干燥效率，节约能源。
3. 冷却冷却是机械工程中常见的过程，通过传热将高温物体的热量转移到低温物体或周围环境中。
例如，在内燃机中，冷却系统运用传热与传质原理使发动机保持在正常工作温度范围内，提高了发动机工作效率和寿命。
化学工程中的传热与传质研究
化学工程中的传热与传质研究传热与传质是化学工程中至关重要的物理过程。
在化学反应、能源转换和材料处理等领域，传热与传质的研究对于提高工业生产效率、减少能源消耗、改善产品质量具有重要意义。
本文将重点探讨化学工程中的传热与传质研究。
一、传热与传质的基本概念传热是指热量从高温物体传递到低温物体的过程，其方式包括传导、对流和辐射。
传质是指组分从浓度高的相移动到浓度低的相的过程，其方式包括扩散、对流和化学反应。
二、传热与传质的数学模型在化学工程中，传热与传质的数学模型是理解和预测实际过程的重要工具。
以传热为例，最常用的数学模型是热传导方程和对流换热方程。
热传导方程描述了热量在固体中传导的过程，而对流换热方程描述了流体中的对流传热。
类似地，传质的数学模型包括扩散方程和对流传质方程。
扩散方程用于描述物质在流体中的分子扩散过程，而对流传质方程则描述了物质在流体中的对流输运。
三、传热与传质的实验研究方法理论模型的建立是传热与传质研究的基础，然而实验研究仍然是验证理论模型的重要手段。
在化学工程中，常用的传热与传质实验研究方法包括热传导实验和传质实验。
热传导实验通常通过测量物体表面的温度分布来确定热传导的特性。
例如，可以使用热电偶测量固体棒的温度分布，从而得到热传导系数。
传质实验则通过测量物体表面的浓度变化来确定传质的特性。
例如，可以将气体或液体传递到固体上，然后测量固体表面的浓度分布，从而得到扩散系数。
四、传热与传质的应用传热与传质的研究在化学工程中有着广泛的应用。
在化学反应中，传热与传质的过程会影响反应速率和产物分布。
通过研究传热与传质的特性，可以优化反应条件，提高反应效率。
此外，在能源转换领域，传热与传质的研究也至关重要。
例如，在燃烧过程中，燃料的燃烧产生热量需要通过传热才能有效利用。
传热和传质的研究可以帮助改善能源转换效率，减少能源消耗。
在材料处理领域，传热与传质的研究可以改善产品质量和生产效率。
例如，在金属加热处理过程中，对物体表面的传热和传质进行控制可以实现材料的均匀加热和合理的组织结构。
传热与传质的基本原理
传热与传质的基本原理
传热与传质是热力学和流体力学中的重要概念。
尽管它们的名称相似，但它们代表了两个不同的物理过程。
传热是指通过不同物质之间的能量传递。
它可以是通过热传导、热对流或热辐射的形式。
热传导是通过物质内部分子之间的碰撞传递热能。
热对流是指通过流体的运动传递热能，而热辐射是指通过电磁辐射传递热能，例如阳光向地球传递热能。
传热的速率由热传导、对流或辐射系数决定。
热传导系数是物质传导热能力的度量，表征了物质内部传热的能力。
对流系数是流体传递热能力的度量，表征了流体通过对流传热的能力。
辐射传热系数是物体通过辐射传递热能力的度量，取决于物体的表面特性。
传质是指物质中的组分通过扩散或对流在不同的相中移动。
扩散是指物质在不同浓度之间由高浓度区向低浓度区的自发移动。
对流是指物质通过流体的运动在空间中传输。
例如，氧气通过肺泡壁向血液中传递，或者热咖啡由热杯壁向冷空气中传递。
传质的速率由物质的浓度差、物质的扩散系数和流体速度决定。
浓度差越大，传质速率越快。
扩散系数是物质扩散能力的度量。
它与物质的性质、温度和压强有关。
流体速度越大，传质速率越快。
尽管传热和传质是不同的物理过程，但它们在很多实际问题中是相互耦合的。
例如，在燃烧过程中，热能从火焰传递到周围
的空气中，同时氧气从空气中扩散到火焰中参与燃烧反应。
因此，理解传热和传质的基本原理对于解决许多工程和科学问题至关重要。
化学工程中的传质与传热原理
化学工程中的传质与传热原理在化学工程领域中，传质与传热是两个重要的基本原理。
传质是指物质在不同相之间的传递过程，而传热则是指热量在物质之间的传递过程。
这两个原理对于化学工程过程的设计、优化以及实际应用具有至关重要的意义。
本文将重点讨论化学工程中的传质与传热原理，并探讨其在工程实践中的应用。
一、传质原理传质是物质之间的传递过程，其常见的方式包括扩散、对流和传递。
其中，扩散是指物质由高浓度区域向低浓度区域移动的过程，其速率受到浓度梯度和物质本身的性质影响。
对流是指物质在流体中的传递过程，其速率受到流体速度和物质浓度的影响。
传递是指物质在不同相之间的传递过程，比如气体与液体之间的传递。
在化学工程中，传质过程经常涉及到溶液、气体与固体之间的相互作用。
例如，在化学反应中，反应物需要在反应器中传递到反应液中才能发生反应。
此时，传质过程的效率将直接影响反应速率和产物的纯度。
因此，研究并掌握传质原理对于合理设计反应器和提高反应效率具有重要意义。
传质过程的速率通常可以用弗克定律或质量平衡方程来描述。
弗克定律指出，传质速率正比于浓度梯度，并与物质的扩散系数相关。
质量平衡方程则是根据传质的质量守恒原则推导得出，可以用于计算传质速率和预测传质过程中物质浓度的分布。
二、传热原理传热是指热量在物质中的传递过程，其常见的方式包括传导、对流和辐射。
传导是指热量通过物质内部的分子振动和碰撞传递的过程，其速率受到物质热导率和温度梯度的影响。
对流是指热量通过流体流动传递的过程，其速率受到流体速度和温度差的影响。
辐射是指热量通过电磁辐射传递的过程，其速率受到物体表面温度和辐射性质的影响。
在化学工程中，传热过程经常涉及到反应器、换热器、蒸发器等设备。
例如，在反应器中，需要控制反应物的温度以促进反应的进行。
在换热器中，需要通过传热来提供或者吸收热量，以实现不同工艺的要求。
因此，理解传热原理对于提高工艺效率、减少能耗具有重要意义。
传热过程的速率通常可以用傅里叶定律或能量平衡方程来描述。
化工原理中的传热和传质
化工原理中的传热和传质在化工原理中，传热和传质是非常重要的概念。
传热指的是热量从一个物质传递到另一个物质的过程；而传质则是气体、液体或固体中，物质从一个地方传递到另一个地方的过程。
这两个过程在化工领域中被广泛应用，因此对于化学工程师来说，深入了解传热和传质的基本原理是非常必要的。
1. 传热传热是指热量从一个物质传递到另一个物质的过程。
在化工领域中，传热一般分为三种方式：传导、对流和辐射。
1.1 传导传导指的是热量从高温物体传递到低温物体，通过直接接触使两者温度趋于平衡的过程。
这种方式在化工过程中常常用于传热管内的传热，如水中的电加热管，或者是在反应釜中的传热等。
1.2 对流对流是指通过流体的运动来传递热量的过程。
由于流体的运动，热量能够快速地传递到流体中，并在整个流体中进行传递。
在化工过程中，对流传热主要与搅拌、泵送、气体流动等因素有关。
1.3 辐射辐射是指通过电磁波或者红外线等形式传输能量的过程。
在化工过程中，辐射传热一般是指电加热或者激光加热等。
2. 传质传质是指气体、液体或固体中物质从一个地方传递到另一个地方的过程。
在化工工艺中，传质是调控反应速率和反应效果的重要过程，常常被广泛应用于化工反应、物质分离、制药等领域。
2.1 扩散扩散是指在气体、液体和固体中，物质由高浓度处向低浓度处的自然传递。
在化工过程中，扩散是实现气体、液体或固体中物质传质的一种重要途径。
2.2 对流对流是通过流体的运动来传递物质的过程。
由于流体的流动，物质能够在流体中快速传递，这种方式常常被用于化工反应和物质传输领域。
2.3 吸附吸附是指气体或者液体中的分子由于作用力而被吸附到固体颗粒表面上的过程。
吸附作用可强化物质分离、过滤、纯化等化工过程。
3. 总体分析在化工原理中，传热和传质是非常重要的概念。
理解这两个概念对于化学工程师来说，不但有助于提高化工过程的效率，还能够让他们更好地进行化工反应、物质分离和制药等工作。
通过对传热和传质的深入了解，我们可以更好地掌握化工原理及其工程应用，为推动化工行业的创新和发展做出更大的贡献。
传热与传质的基本原理
传热与传质的基本原理传热与传质是热力学中一个非常重要的分支。
它们涉及到能量和物质在不同物体间的转移，对于工程领域尤为重要。
在本文中，我们将探讨传热与传质的基本原理，以便更好地了解它们在现代科学和工程领域中的应用。
传热和传质的定义传热通常是指能量从一个物体、系统或介质向另一个物体、系统或介质输运的过程。
这个过程可以通过三种方式进行：传导，对流和辐射。
传导是指在没有气体或流体的情况下通过物体或介质直接传递热量。
对流是指在液体或气体中通过流体运动传递热量。
辐射是指通过电磁波辐射方式温度不同但不直接接触的物体间传递热量。
传质是指物质在介质内或介质间的传输过程，主要关注物质的非均质性分布。
传质可以通过扩散、对流和物理作用进行。
扩散是指物质由高浓度向低浓度移动的过程。
对流是指液体或气体中的物质随着流体动力学效应传输。
物理作用包括吸附、膜分离和化学反应等过程。
传热与传质的物理机制传热和传质的物理机制是基于能量和物质转移的性质和规律。
在传热中，热量是通过温差驱动的方式进行转移的。
温差导致能量从高温区域流向低温区域，这导致了热量的传递。
在传质中，物质也是通过浓度梯度驱动的方式进行转移的。
浓度梯度导致物质从高浓度区域流向低浓度区域，从而实现了物质的传递。
有许多因素影响能量和物质的转移速率。
在传热中面积，温度差和物体的热传导性能是影响传热速率的主要因素。
在传质中，面积，扩散速率和浓度梯度是影响传输速率的主要因素。
当然，不同物质和环境也会对能量和物质的传递方式产生影响。
传热和传质的物理机制非常多样化，而不同的物体和情况下体现的特征也不尽相同。
传热与传质的应用传热和传质在很多方面都具有广泛的应用。
在工程领域中，传热和传质是一个重要的研究领域。
将它们应用于设计产品或过程，有助于优化性能、提高效率、节省能源、减少环境污染等方面发挥积极作用。
例如，传热方面的应用涉及到包括食品加热、传感器机制、实验室设备、化工恒温化工反应等众多领域。
《传热与传质》课件
本PPT课件将介绍传热与传质的基本概念、热传递方式、热传递方程、热传递 应用、质量传递方式、质量传递方程、质量传递应用等内容。
一、引言
定义传热与传质
对传热与传质概念进行准确明晰的界定。
传热与传质的重要性
解释传热与传质在各个领域的重要性和应用。
传热与传质的分类
将传热与传质按照不同的方式进行分类。
2. 质量传递方程
简要介绍质量守恒定律、质量 扩散方程和泊肃叶定律。
3. 传质的应用
探究传质在化学反应和汽车尾 气净化过程中的应用。
四、结语
• 传热与传质是不可或缺的领域。 • 展望传热与传质在未来的应用前景。
二、传热
1
1. 热传递方式
描述热传递的三
流和辐射。
介绍傅里叶传热定律、热传导方程、对
流传热方程和辐射传热方程。
3
3. 热传递的应用
探讨热传递在工业生产和热力学循环中 的应用。
三、传质
1. 质量传递方式
详细讨论质量传递的三种基本 方式：扩散、对流和牛顿冷却 定律。
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＝1表示已凝固至中心。
无限长圆棒试样 测温及结果处理
2.铸件的两种凝固方式
图4－3 合金成分和温度梯度对凝固方式的影响 a)、b)为层状凝固，c)、d)为体积凝固 影响因素:(1）化学成分（液－固相线距离） （2）温度梯度
层状凝固过程
体积凝固过程
层状凝固缩孔特点
（3）终止瞬态 凝固最后，溶质扩散受到单元体末端边界的阻 碍，溶质无法扩散。此时固——液界面处 CS 和 CL同时升高，进入凝固终止瞬态阶段。但 终止瞬态区很窄，整个液相区内溶质分布可认 为是均匀的。因此其数学模型可近似地用 Scheil公式（4-35）和式（4-36）表示。 实际上，总是希望扩大稳态区而缩小二个过渡 区，以获得无偏析的材质或成形产品，讨论分 析凝固过程中溶质再分配的规律的意义也就在 这里。
C0 CL k f L (1 k )
上两式即为平衡凝固时溶质再分配的数学模型。代入初始条件：开 始凝固时， ，则； f 0, f 1 S L CS C0k , CL C 0 凝固将结束时，CS C0 , CL C0 / k 则
f S 1, f L 0
可见平衡凝固时溶质的再分配仅决定于热力学参数k， 而与动力学无关。即此时的动力学条件是充分的。凝固进 行虽然存在溶质的再分配，但最终凝固结束时，固相的成 分为液态合金原始成分C0。
CS f S CL f L C0
k0 CS CL
C0 k0 CS 1 f S (1 k0 ) C0 CL k0 f L (1 k0 )
图 平衡凝固条件下溶质再分配示意图
（a）凝固开始 （b）在温度T时凝固 （c）凝固结束 （d）相图
C0 k CS 1 f S (1 k )
三．铸件的凝固方式 1．凝固动态曲线 将图4－2中给出的液相线和固相线温度直线与
T—t曲线各交点分别标注在X／R—t坐标系上，再
将各液相线的交点和各固相线的交点分别相连，即
得到液相线边界曲线和固相线边界曲线，二者组成
动态凝固曲线（如图4-2d所示）。纵坐标中的X为
型腔边缘到中心方向的距离，分母R是圆柱体半径
图4-7 热导率对温度场分布的影响 a)低碳钢 b)奥氏体钢 c)铝 d)铜
§4-2
传质控制方程：
凝固过程中的传质
d A dwA D 菲克第一定律： j A D dz dz dc A dx A J A D Dc dz dz
jA—体系中A物质的质量通量密度，kg/(m2.s) JA--体系中A物质的摩尔通量密度，mol/(m2.s)
2、铸件凝固温度场
（1）传热过程及凝固过程 （2）传热分析方法
◎解析法：
假设条件
T 2T 2 t x
通解
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
T c Derf (
x 2 t
)
对铸件：边界条件 初始条件 对铸型：边界条件 初始条件
T1 Ti (Ti T10 )erf ( T2 Ti (T20 Ti )erf ( x 2 1t x 2 2t ) )
2、固相无扩散，液相只有有限扩散而无对流
起始瞬态
稳定态
终止瞬态
k 0v CS C0 [1 (1 k0 ) exp( x' )] DL
2. 固相无扩散，液相无对流而只有有限扩散的溶质再分配 刚开始凝固时,析出的固相的溶质含量为kC0,液相中溶质 含量为C0。随凝固的进程,固相成分沿固相线变化,液相成 分沿液相线变化 , 在固一液界面处两相局部平衡 , 即 CS／ CL=k。结晶排出的溶质原子集中在界面上 ,按扩散规律在 界面前沿分布 , 远离界面液相成分保持 C0。当界面温度达 T1 时 , 析 出 的 固 相 成 分 CS=C0, 而 界 面 上 液 相 的 成 分 为 CL=C0/k,起始瞬态结束,进入稳态凝固阶段 ,即此时界面上 排出的溶质量与扩散走的溶质量相等。析出的固相成分继 续保持为 C0,界面上液相成分保持为 C0／k，直到凝固接近 终了时，界面上富集的溶质全部集中在残余液体中，所以 结晶后固相中的溶质浓度又有升高。
T = f（x，y，z，t）
a c
液态成形过程中，液态金属一旦进入铸型，就开始了铸件与 铸型间的热作用。热作用的特点决定着铸件或材质的性能。铸件 凝固过程中热作用是极其复杂的。但可认为在液态金属充满铸型 的时刻，整个铸型中液态金属的温度是均匀的。随着温度下降， 铸件开始凝固，凝固壳层从冷却表面产生、长大，已凝固的壳层 进一步冷却，热量从最热的中心流经凝固层再传导给温的铸型。 可见，凝固过程的温度分布是铸件中心温度最高，远离铸件—— 铸型界面的铸型温度最低，如图所示。
1 K0 v CL C0 1 exp x' K D 0 L
（**）
这称为Tiller公式，它是一条指数衰减曲线。CL（x）随着x的增加迅速地 下降至C0。
DL / v 称作“特性距离”
K 0e 1 K 0 DL 因x' 时，CL C0 v K e 0
C k0C0 (1 f S )
* S * L
k 0 1
C C0 f L
(b)凝固开始，(c)T*、fs时，(d)凝固末期
k0 1
凝固开始时，与平衡态相同，固相溶质为kC0，液相 中溶质为C0。当温度下降至T时，所析出固相成分为CS， 由于固相中无扩散，各温度下所析出固相成分是不同的， 整个固相的平均成分为CS与固相线不符。液相成分均 匀，为CL。凝固将结束时，固相中溶质含量为Csm。即 相图中的溶质最大含量；而液相中的溶质为共晶成分 CE。 在温度T固-液界面向前推进一微小量，固相量增加的 百分数为 dfS，其排出的溶质量为(CL-CS)dfS。这部分 溶质将均匀地扩散至整个液相中，使液相中的溶质含量 增加dCL，则有前页关系式。
◎测温法 a.温度场测量 b.凝固动态曲线
3．数值计算法 数值计算法是把所研究的物体从时间和位置上分割成许多小 单元，对于这些小单元用差分方程式近似地代替微分方程式， 给出初始条件和边界条件，逐个计算各单元温度的一种方法。 即使铸件形状很复杂，也只是计算式和程序烦杂而已，在原则 上都是可以计算的。 数值计算法比其它近似计算法准确性高，当单元选得足够小 时，差分方程的离散误差趋于零。用差分法把定解问题转化为 代数方程，就可由电子计算机计算。 数值计算法有种种方法，目前，有限差分法应用较多。
K为凝固系数。
在实际的生产中，通常不需计算出铸件的凝固时间， 只需通过比较它们的相对厚度或模数就可制定生产工艺。 铸件温度场及凝固时间的精确计算——计算机数值模拟
4、焊接温度场
准稳定温度场的概念
图4－4 “厚板”表面运动点热源的温度场
图4－5 薄板焊接时的温度场分布
(图b是否有误？）
图4-6 焊接工艺参 数对温度场的影响
第四章 液态金属凝固中的传热、传质
及液体流动
Chapter 4 Transport phenomena in solidification
§4-1
凝固过程中的传热
T 2T 2T 2T ( 2 2 2) t c x y z
1、凝固传热的控制方程
以热传导为主：
3、固相无扩散，液相有对流 这种情况是处于液相中完全混 合和液相中只有扩散之间情况 ，也是比较接近实际的。 假设液相中靠近界面处有一 个厚度设为δ 边界层，在δ 层 内液体的流速等于0，所以溶 质只能借助扩散通过；这层以 外的液体因有对流作用得以保 持均匀的成分。如果液相的容 积很大，它将不受已凝固层的 影响，仍保持原始成分C0；固 相内CS其值不再是C0而小于C0 的值。达到稳态后，用微分方 程式
2）铸型的预热温度的影响 铸型预热温度越高，对铸件的冷却作用就越小，铸件断面上的温度梯度也 就越小。 3．浇注条件的影响 过热热量加热了铸型，所以过热度越大，相当于铸型预热温度越高。铸件 内的温度场越平坦。 4．铸件结构的影响 1）铸件的壁厚 厚壁铸件比薄壁铸件含有更多的热量，当凝固层向中心推 进时，把铸型加热到更高温度，所以铸件内温度场较平坦。 2）铸件的形状 铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同，向外凸 出的部分，散出的热量为较大何种的铸型所吸收，铸件的冷速较大，如果铸 件内凹的表面，则相反。
（三）影响铸件温度场的因素 1．金属性质的影响 1） 金属的导热系数 铸件凝固时表面的温度比中心要低。金属的导热 系数大，铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度 梯度就小，即断面上的温度分布较平坦。如铝的导 热系数是比铁碳合金高9-11倍，而高合金的高锰钢 的导热系数只有碳钢的1/3。 2） 结晶潜热 金属的结晶潜热大，向铸型传热的时间则要长， 铸型内表面被加热的温度也越高，因此铸件断面上 的温度梯度较小，铸件冷却速度下降，温度场分布 较平坦。
（l）起始瞬态 起始态固相中溶质分布数学模型Smith等人曾做过 严格的计算，但推导复杂，张承甫教授推导如下结 果： kv
CS C0 [1 (1 k ) exp(
（2）稳态 将坐标原点设在界面处。CL（x）=f（x）， （x）取决于两个因素的综合作用。
dCL ( x) d 2C L ( x ) DL 确定。 2 dt dx
体积凝固方式的缩松
3、铸件凝固时间计算
——与铸件厚度及温度场（凝固速度）相关 （1）理论计算
铸型吸收的热量＝铸件放出的热量
T2 1 [ ]x 0 (T20 Ti ) x 2t q2 2 (Ti T20 ) b2 (Ti T20 ) t 2t t
q2 Q2
二、近平衡凝固时的溶质再分配 1、固相无扩散，液相均匀混合
(C C )df S (1 f S )dC
* L * S
* CS C k0 * L