工程中的几个传热、传质专题(ppt-45)

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.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。图 9-1 热爆炸的爆炸行为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。（ 9-9）爆炸延迟时间为1.1.2 泄露造成的火灾以及相应模型的初步分析 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。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。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 (9-24)离泄露点为 x距离的浓度服从高斯分布，其标准偏差 与 满足(9-25)计算 z=0面上的浓度，即：(9-26)将式（ 9-25）代入式（ 9-26），有(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(9-29)显然当距离大于 xc时，地面上的浓度小于 LD501.3 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（ 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。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：(9-30)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(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 (9-33)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(9-32)于是辐射与对流的综合换热系数为(9-34)（ 3） AE边界 -圆管入口段的对流换热为(9-35)圆管内 AE边的辐射与对流综合换热系数为(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=0.2105 98105Pa饱和蒸汽压力下，水的沸腾换热系数为(9-37)（ 5） DE边界 -可当作绝热边界处理，即(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。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： 定压燃烧； 爆燃； 定容爆炸； 爆轰。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 第一宇宙速度其他星球探 测 器 (如月球探 测 器 )第二宇宙速度洲 际弹 道 导弹弹头 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(9-51a)(9-51b)