《化工原理教學(xué)課件》傳熱 - 對(duì)流

傳熱-對(duì)流傳熱是熱量從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體的過(guò)程。對(duì)流傳熱是指流體介質(zhì)（氣體或液體）通過(guò)熱對(duì)流的方式傳遞熱量，這是三種傳熱方式之一，另外兩種為熱傳導(dǎo)和熱輻射。對(duì)流傳熱在許多工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，例如，鍋爐、空調(diào)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。在化學(xué)工程領(lǐng)域，對(duì)流傳熱是許多過(guò)程的核心，例如，反應(yīng)器、蒸餾塔和換熱器。目錄11.緒論介紹傳熱學(xué)的基本概念和重要性，以及傳熱的三種方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。22.對(duì)流傳熱的基本理論深入探討對(duì)流傳熱的原理，包括邊界層理論、流動(dòng)狀態(tài)以及不同類型的對(duì)流傳熱。33.對(duì)流傳熱的分類詳細(xì)介紹三種主要的對(duì)流傳熱類型：自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流和相變對(duì)流。44.自然對(duì)流換熱分析自然對(duì)流的推動(dòng)力、溫度邊界層特性以及相關(guān)計(jì)算公式。55.強(qiáng)制對(duì)流換熱解釋速度邊界層和溫度邊界層，以及管內(nèi)和管外強(qiáng)制對(duì)流的計(jì)算公式。66.相變對(duì)流深入研究沸騰傳熱、凝結(jié)傳熱及其相關(guān)計(jì)算公式。77.實(shí)例分析提供自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流和相變對(duì)流的實(shí)際應(yīng)用案例，幫助理解理論知識(shí)。88.總結(jié)與展望總結(jié)本課程的主要內(nèi)容，并展望對(duì)流傳熱未來(lái)研究方向。緒論傳熱是化學(xué)工程中一個(gè)重要的基本概念。它描述了能量從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程。1.1熱量傳遞的三種方式傳導(dǎo)傳導(dǎo)是熱量通過(guò)物質(zhì)內(nèi)部粒子間的相互作用傳遞的方式。例如，將一根金屬棒的一端加熱，熱量會(huì)從高溫端傳遞到低溫端。對(duì)流對(duì)流是熱量通過(guò)流體（氣體或液體）的運(yùn)動(dòng)傳遞的方式。例如，暖氣片加熱房間，熱空氣上升，冷空氣下降形成循環(huán)，從而傳遞熱量。輻射輻射是熱量通過(guò)電磁波的形式傳遞的方式。例如，太陽(yáng)的熱量通過(guò)輻射傳到地球。1.2對(duì)流傳熱的定義對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱是指流體（液體或氣體）由于流體質(zhì)點(diǎn)自身的運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞過(guò)程。流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過(guò)程中，高溫質(zhì)點(diǎn)與低溫質(zhì)點(diǎn)之間發(fā)生熱交換，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。對(duì)流傳熱的特點(diǎn)對(duì)流傳熱具有傳熱速率快、傳熱效率高的特點(diǎn)，在化工、冶金、電力等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。對(duì)流傳熱通常與導(dǎo)熱傳熱和輻射傳熱共同作用，構(gòu)成復(fù)雜的傳熱過(guò)程。2.對(duì)流傳熱的基本理論對(duì)流傳熱是熱量通過(guò)流體（液體或氣體）的運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞的，是熱傳遞的三種基本方式之一。對(duì)流傳熱的理論基礎(chǔ)是邊界層理論，它是解釋流體運(yùn)動(dòng)對(duì)熱傳遞影響的關(guān)鍵。2.1邊界層的概念邊界層是流體流動(dòng)過(guò)程中，緊貼于固體表面的一層薄薄的流體層。在邊界層內(nèi)，流體的速度從固體表面處的零速度逐漸過(guò)渡到主流速度。邊界層的存在是由于流體與固體表面之間存在的摩擦力。2.2湍流邊界層和層流邊界層層流邊界層流體流動(dòng)規(guī)則有序，各流層之間沒有混合，速度梯度較大，流體粘性影響顯著。這種流動(dòng)方式發(fā)生在流體流速較低、粘性較大的情況下。湍流邊界層流體流動(dòng)混亂無(wú)序，各流層之間強(qiáng)烈混合，速度梯度較小，流體粘性影響較弱。這種流動(dòng)方式發(fā)生在流體流速較高、粘性較小的情況下。2.3邊界層的流動(dòng)狀態(tài)層流流體流動(dòng)平穩(wěn)，呈層狀，流線平行且相互不交叉。湍流流體流動(dòng)無(wú)序，流線雜亂無(wú)章，并伴隨有漩渦和波動(dòng)。過(guò)渡流介于層流和湍流之間，流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出過(guò)渡性的特征。對(duì)流傳熱的分類對(duì)流傳熱是熱量通過(guò)流體介質(zhì)（液體或氣體）傳遞的過(guò)程，可分為自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流和相變對(duì)流三種主要類型。3.1自然對(duì)流熱傳遞方式自然對(duì)流是由于流體密度的差異而產(chǎn)生的熱量傳遞過(guò)程，通常發(fā)生在液體或氣體中。溫差驅(qū)動(dòng)溫度差異導(dǎo)致流體密度的變化，從而形成對(duì)流，并將熱量從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域。常見例子自然對(duì)流在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中十分普遍，例如加熱水、房間通風(fēng)以及熱氣球升空等。3.2強(qiáng)制對(duì)流流體流動(dòng)由外力驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)，加速熱量傳遞。強(qiáng)制對(duì)流廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程，例如熱交換器、鍋爐和空調(diào)系統(tǒng)。應(yīng)用例如，使用風(fēng)扇或泵來(lái)提高熱傳遞效率。3.3相變對(duì)流11.沸騰傳熱液體表面汽化形成氣泡，氣泡上升并離開液體表面。氣泡形成過(guò)程需要克服表面張力，并需要從周圍液體吸收熱量。22.凝結(jié)傳熱氣體冷卻凝結(jié)成液體，凝結(jié)過(guò)程釋放熱量到周圍環(huán)境。凝結(jié)過(guò)程會(huì)形成液滴，液滴會(huì)從表面流下或匯聚成薄膜。33.汽化和凝結(jié)相變傳熱是將熱量傳遞到液體或氣體的過(guò)程，例如沸騰、凝結(jié)、升華、凝華等。相變過(guò)程中，物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化，同時(shí)伴隨著熱量傳遞。4.自然對(duì)流換熱自然對(duì)流是流體受溫度差影響而產(chǎn)生的熱量傳遞方式。例如，暖氣片附近的空氣會(huì)上升，冷空氣會(huì)下降，形成自然對(duì)流。4.1自然對(duì)流的推動(dòng)力浮力由于流體密度差導(dǎo)致的浮力，是自然對(duì)流的主要推動(dòng)力。例如，熱氣球的升空，就是由于熱氣球內(nèi)部空氣加熱膨脹，密度降低，產(chǎn)生的浮力大于氣球的重量，從而上升。溫差流體溫度梯度會(huì)引起流體密度變化，導(dǎo)致流體運(yùn)動(dòng)。例如，暖氣片散熱，熱量從暖氣片傳遞給周圍空氣，導(dǎo)致空氣密度降低，熱空氣上升，冷空氣補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，形成對(duì)流。4.2溫度邊界層的特性溫度梯度溫度邊界層內(nèi)存在溫度梯度，流體溫度隨距離固體表面的距離逐漸變化。熱量傳遞熱量通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流在溫度邊界層內(nèi)傳遞，導(dǎo)致流體溫度發(fā)生變化。邊界層厚度溫度邊界層厚度是指從固體表面到流體溫度達(dá)到自由流體溫度的距離。4.3自然對(duì)流換熱的相關(guān)公式格拉曉夫數(shù)Gr=gβΔTL3/ν2努塞爾特?cái)?shù)Nu=hL/k普朗特?cái)?shù)Pr=ν/α自然對(duì)流換熱的相關(guān)公式用于計(jì)算自然對(duì)流換熱系數(shù)和換熱量。這些公式考慮了流體的物理性質(zhì)、溫度差和幾何形狀等因素。強(qiáng)制對(duì)流換熱強(qiáng)制對(duì)流換熱是指流體在機(jī)械力的作用下，例如風(fēng)機(jī)或泵，被迫流動(dòng)，從而導(dǎo)致熱量傳遞的過(guò)程。強(qiáng)制對(duì)流換熱在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，例如鍋爐、換熱器、空調(diào)系統(tǒng)等。5.1速度邊界層和溫度邊界層1速度邊界層流體在固體表面附近流動(dòng)時(shí)，由于粘性作用，流體速度會(huì)逐漸減小，最終在固體表面處為零。速度邊界層是指流體速度從零增加到自由流速度的區(qū)域。2溫度邊界層當(dāng)流體與固體表面之間存在溫度差時(shí)，流體溫度也會(huì)發(fā)生變化。溫度邊界層是指流體溫度從固體表面溫度增加到自由流溫度的區(qū)域。3邊界層厚度速度邊界層和溫度邊界層的厚度都是隨著距離固體表面的距離增加而逐漸增大的。邊界層的厚度受流體性質(zhì)、流速和固體表面形狀等因素的影響。5.2管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的相關(guān)公式管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱是指流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于流體與管壁之間的溫度差而發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象。管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱的計(jì)算方法通常使用努塞爾數(shù)（Nu）來(lái)表示，努塞爾數(shù)是無(wú)量綱數(shù)，表示對(duì)流傳熱系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)之比。管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的努塞爾數(shù)通常由雷諾數(shù)（Re）和普朗特?cái)?shù)（Pr）決定。常用的管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算公式包括：-對(duì)于層流流動(dòng)，努塞爾數(shù)可由以下公式計(jì)算：Nu=3.66。-對(duì)于湍流流動(dòng)，努塞爾數(shù)可由以下公式計(jì)算：Nu=0.023Re0.8Pr0.4。5.3管外強(qiáng)制對(duì)流的相關(guān)公式管外強(qiáng)制對(duì)流換熱是指流體在管道外部流動(dòng)并與管道壁面進(jìn)行熱量交換的過(guò)程。由于流體流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，管外強(qiáng)制對(duì)流換熱的計(jì)算較為復(fù)雜。Nu努塞爾數(shù)描述對(duì)流傳熱過(guò)程的無(wú)量綱數(shù)，表示對(duì)流傳熱與導(dǎo)熱傳熱的比值。Re雷諾數(shù)描述流體流動(dòng)狀態(tài)的無(wú)量綱數(shù)，表示慣性力和粘性力的比值。Pr普朗特?cái)?shù)描述流體熱擴(kuò)散率與動(dòng)量擴(kuò)散率的比值，反映流體熱傳遞性能。這些無(wú)量綱數(shù)可以用來(lái)確定管外強(qiáng)制對(duì)流換熱的傳熱系數(shù)，并進(jìn)一步計(jì)算換熱量。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮流體的物性參數(shù)、管道的幾何形狀和表面狀況等因素。相變對(duì)流相變對(duì)流是指流體在發(fā)生相變過(guò)程中發(fā)生的傳熱現(xiàn)象。相變對(duì)流傳熱過(guò)程中的傳熱效率遠(yuǎn)高于普通的對(duì)流傳熱，這是因?yàn)橄嘧冞^(guò)程伴隨有大量的潛熱釋放或吸收，從而提高了傳熱速率。6.1沸騰傳熱氣泡形成當(dāng)液體加熱到飽和溫度時(shí)，氣泡開始在加熱表面形成并脫離。沸騰傳熱是指液體內(nèi)部的熱量通過(guò)氣泡形成和脫離過(guò)程傳遞到液體表面的過(guò)程。傳熱系數(shù)沸騰傳熱的傳熱系數(shù)通常很高，這是因?yàn)闅馀菪纬珊兔撾x過(guò)程能夠有效地提高熱量傳遞效率。應(yīng)用沸騰傳熱廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程，例如鍋爐、制冷系統(tǒng)和化學(xué)反應(yīng)器等。6.2凝結(jié)傳熱凝結(jié)傳熱凝結(jié)是指氣態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)物質(zhì)的過(guò)程。在凝結(jié)過(guò)程中，蒸汽會(huì)釋放潛熱，從而使周圍介質(zhì)溫度升高。類型膜狀凝結(jié)滴狀凝結(jié)凝結(jié)傳熱分為膜狀凝結(jié)和滴狀凝結(jié)兩種，它們的區(qū)別在于液膜的形成方式和熱量傳遞機(jī)制。6.3相變對(duì)流的相關(guān)公式相變對(duì)流是指流體在發(fā)生相變過(guò)程中，由于熱量傳遞而導(dǎo)致的流體流動(dòng)。常見的相變對(duì)流包括沸騰和凝結(jié)。Nu努塞爾數(shù)表示對(duì)流傳熱強(qiáng)度與純導(dǎo)熱傳熱強(qiáng)度的比值，反映了對(duì)流傳熱效率。h對(duì)流換熱系數(shù)表示單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上的熱量傳遞量與溫差之比，反映了對(duì)流傳熱的快慢程度。Re雷諾數(shù)表示慣性力與粘性力之比，反映了流體的流動(dòng)狀態(tài)。Pr普朗特?cái)?shù)表示動(dòng)量擴(kuò)散率與熱量擴(kuò)散率之比，反映了流體傳熱和流動(dòng)特性的關(guān)系。7.實(shí)例分析通過(guò)具體案例，深入了解對(duì)流傳熱的不同類型和應(yīng)用場(chǎng)景。實(shí)例分析是學(xué)習(xí)傳熱理論的重要環(huán)節(jié)，它能夠幫助理解概念、掌握方法，并為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。7.1自然對(duì)流實(shí)例自然對(duì)流是一種常見的現(xiàn)象，在日常生活中隨處可見。例如，放置在室內(nèi)的暖氣片會(huì)使周圍的空氣自然升溫，形成對(duì)流。另一個(gè)例子是，放在陽(yáng)光下的地面溫度會(huì)升高，導(dǎo)致地面附近的空氣受熱膨脹，密度減小，向上運(yùn)動(dòng)，而上層冷空氣會(huì)下沉，形成自然對(duì)流。7.2強(qiáng)制對(duì)流實(shí)例強(qiáng)制對(duì)流實(shí)例是指通過(guò)外部力來(lái)驅(qū)動(dòng)流體的流動(dòng)，從而促進(jìn)熱量傳遞的過(guò)程。常見的實(shí)例包括風(fēng)機(jī)散熱、工業(yè)管道中的熱量傳遞等。例如，在電子設(shè)備中，風(fēng)機(jī)用于將熱量從發(fā)熱部件帶走，從而確保設(shè)備的正常運(yùn)行。在工業(yè)管道中，通過(guò)泵或壓縮機(jī)強(qiáng)制流體流動(dòng)，可以提高管道內(nèi)的傳熱效率。7.3相變對(duì)流實(shí)例相變對(duì)流是化工生產(chǎn)中常見的傳熱方式，例如鍋爐中的水沸騰、冷凝器中的蒸汽凝結(jié)等。這些過(guò)程伴隨著相變，使傳熱效率顯著