化工原理傳熱課件

化工原理傳熱課程本課程介紹化工生產(chǎn)中傳熱的基本原理和應(yīng)用。涵蓋熱量傳遞的三種模式：熱傳導(dǎo)、對流和輻射。課件目標理解熱量傳遞原理掌握傳熱的基本概念、定律和三種形式：傳導(dǎo)、對流和輻射。掌握傳熱計算方法熟悉傳熱微分方程的建立和求解，并運用這些方法解決實際工程問題。了解傳熱設(shè)備學(xué)習(xí)常見傳熱設(shè)備的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用。提升實踐能力通過案例分析和實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。熱量傳遞的基本概念熱量熱量是物體內(nèi)部微觀粒子無規(guī)則運動的能量總和。它以熱的形式從高溫物體傳遞到低溫物體。溫度溫度是物體冷熱程度的量度，表示物體內(nèi)部微觀粒子平均動能的大小。熱力學(xué)熱力學(xué)是研究熱量與其他形式能量之間轉(zhuǎn)換規(guī)律的學(xué)科，為傳熱研究提供了理論基礎(chǔ)。傳熱傳熱是指熱量從高溫物體傳遞到低溫物體的過程，是化學(xué)工程中常見的物理現(xiàn)象。熱量傳遞的基本定律熱力學(xué)第一定律能量守恒定律，系統(tǒng)能量變化等于傳入能量減去傳出能量。傅里葉定律描述熱傳導(dǎo)的定律，熱流密度與溫度梯度成正比。牛頓冷卻定律描述對流換熱的定律，物體表面與流體之間的熱交換速率與溫度差成正比。斯特藩-玻爾茲曼定律描述黑體輻射的定律，黑體輻射能流密度與絕對溫度的四次方成正比。傳熱三種形式1傳導(dǎo)傳熱熱量通過物體內(nèi)部的物質(zhì)粒子運動傳遞。2對流傳熱熱量通過流體（液體或氣體）的運動傳遞。3輻射傳熱熱量通過電磁波傳遞，不需要介質(zhì)。傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱是熱量通過物質(zhì)內(nèi)部的分子運動傳遞的方式。1熱量傳遞2傳導(dǎo)傳熱熱量通過固體、液體或氣體內(nèi)部的分子碰撞傳遞。3對流傳熱熱量通過流體運動傳遞。4輻射傳熱熱量通過電磁波傳遞。傳導(dǎo)傳熱的基本定律傅里葉定律熱量傳遞速率與溫度梯度成正比，與傳熱面積成正比，與材料的熱導(dǎo)率成正比。熱導(dǎo)率材料的熱導(dǎo)率反映了其傳熱的能力，數(shù)值越大，傳熱能力越強。熱阻熱阻是材料阻礙熱量傳遞的程度，熱阻越大，傳熱越慢。傳導(dǎo)傳熱微分方程傳導(dǎo)傳熱微分方程描述了熱量在材料內(nèi)部的傳遞速率。這個方程考慮了材料的熱導(dǎo)率、溫度梯度和熱量傳遞的面積。它是一個偏微分方程，通常需要使用數(shù)值方法來求解。一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1定義熱量沿單一方向流動，溫度隨時間保持不變2傅里葉定律熱流密度與溫度梯度成正比3應(yīng)用平板、圓柱體、球體等幾何形狀一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)是傳熱學(xué)中重要的基本概念，它描述了熱量在單一方向上穩(wěn)定流動的過程。在實際應(yīng)用中，一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)模型可用于計算平板、圓柱體和球體等常見幾何形狀的熱傳遞。多維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1導(dǎo)熱微分方程多維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)是指溫度隨時間不變，但隨空間位置變化的傳熱過程。其控制方程為傅里葉定律和能量守恒方程組成的偏微分方程。2邊界條件邊界條件包括溫度邊界條件和熱流邊界條件，分別定義了物體表面溫度和熱流密度。3求解方法常用的求解方法有解析法和數(shù)值法，解析法適用于簡單幾何形狀，數(shù)值法適用于復(fù)雜幾何形狀。瞬態(tài)熱傳導(dǎo)定義瞬態(tài)熱傳導(dǎo)是指物體內(nèi)部溫度隨時間變化的傳熱過程，也稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱。特征溫度場隨時間變化，傳熱速率也隨時間變化。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于加熱、冷卻、熱處理、化學(xué)反應(yīng)等過程。案例例如，加熱金屬塊，其內(nèi)部溫度隨時間變化，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。對流傳熱1定義對流傳熱是指流體與固體表面之間由于流體的宏觀運動而發(fā)生的熱量傳遞過程。2類型對流傳熱可以分為強迫對流和自然對流兩種。3應(yīng)用對流傳熱在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、自然界中都有廣泛的應(yīng)用，如鍋爐、換熱器、空調(diào)等。對流換熱系數(shù)定義對流換熱系數(shù)表示流體與固體表面之間熱量傳遞速率。影響因素流體的物理性質(zhì)，如密度、粘度和熱導(dǎo)率，以及流體速度和固體表面溫度都會影響對流換熱系數(shù)。測量對流換熱系數(shù)通常通過實驗測定，也可以使用經(jīng)驗公式進行估算。應(yīng)用對流換熱系數(shù)是進行傳熱計算和設(shè)計的重要參數(shù)。邊界層理論流體邊界層流體與固體表面接觸時，速度發(fā)生變化，形成邊界層。速度梯度邊界層內(nèi)，流體速度隨距離固體表面距離的增加而逐漸增加。傳熱影響邊界層的存在會影響對流傳熱，影響傳熱效率。強迫對流換熱強迫對流是指流體在外部力量的作用下流動，并與固體表面發(fā)生熱量交換的過程。1流體流動流體通過泵或風(fēng)機等設(shè)備強制流動。2對流換熱流體與固體表面發(fā)生熱量傳遞。3熱量傳遞熱量從高溫物體傳遞到低溫物體。4應(yīng)用場景工業(yè)生產(chǎn)、空調(diào)制冷、熱交換器等。強迫對流換熱在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，例如在熱交換器中，利用強迫對流提高熱量傳遞效率，從而實現(xiàn)高效的熱量交換。自然對流換熱1密度差溫度差異導(dǎo)致流體密度變化2浮力密度較低的流體向上流動3對流熱量通過流體流動傳遞自然對流換熱是指由于流體溫度差異導(dǎo)致的密度變化而產(chǎn)生的浮力驅(qū)動流體流動，從而實現(xiàn)熱量傳遞的過程。這種換熱方式廣泛存在于自然界和工程應(yīng)用中，例如，室內(nèi)暖氣片周圍的空氣流動，水池中熱水的上升等。輻射傳熱熱量傳遞形式輻射傳熱不需要任何介質(zhì)，通過電磁波的方式傳遞熱量。紅外線可見光紫外線應(yīng)用場景太陽輻射、爐窯加熱、紅外線烤箱等。影響因素表面溫度、發(fā)射率、形狀、距離等。溫度越高，輻射強度越大發(fā)射率越高，輻射能力越強形狀影響輻射方向距離越遠，輻射量越少計算方法斯特藩-玻耳茲曼定律、普朗克定律等。黑體輻射黑體輻射黑體是理想化的物體，可以吸收所有波長的電磁輻射，不會反射任何輻射。普朗克定律普朗克定律描述了黑體在不同溫度下輻射能量與波長的關(guān)系。斯特藩-玻爾茲曼定律斯特藩-玻爾茲曼定律描述了黑體輻射的總能量與溫度的四次方成正比。維恩位移定律維恩位移定律描述了黑體輻射能量峰值波長與溫度成反比的關(guān)系?；殷w輻射吸收率灰體是指吸收率小于1的物體，它吸收一部分輻射能量并反射一部分。發(fā)射率灰體的發(fā)射率等于它的吸收率，這被稱為基爾霍夫定律。輻射熱交換灰體之間的輻射熱交換比黑體之間的輻射熱交換更復(fù)雜，需要考慮發(fā)射率和吸收率的影響。輻射交換計算輻射交換計算是指計算不同物體之間輻射熱交換的過程。由于輻射熱交換的復(fù)雜性，需要利用一些簡化假設(shè)和數(shù)學(xué)方法進行計算。1黑體輻射黑體是一個理想模型，它能夠吸收所有入射的輻射能量，并以最高的效率進行輻射。2灰體輻射灰體是實際物體的一種簡化模型，它對不同波長的輻射能量的吸收率和發(fā)射率都為常數(shù)。3輻射交換計算方法常用的方法包括輻射網(wǎng)絡(luò)法、輻射形狀因子法等。4應(yīng)用輻射交換計算在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，例如爐窯設(shè)計、熱交換器設(shè)計等。傳熱設(shè)備換熱器換熱器是傳熱設(shè)備中最重要的類型，用于熱量從一種流體傳遞到另一種流體，或從一種流體傳遞到固體壁面。板式換熱器管殼式換熱器螺旋板換熱器鍋爐鍋爐是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，并通過傳熱將熱能傳遞給水或其他流體的設(shè)備。燃油鍋爐燃氣鍋爐電鍋爐冷凝器冷凝器是將蒸汽冷凝成液體的設(shè)備，通常用于蒸汽動力循環(huán)系統(tǒng)?？諝饫淠魉淠髡舭l(fā)器傳熱設(shè)備的選擇工藝要求傳熱設(shè)備的選擇首先要考慮工藝要求。例如，需要傳熱的介質(zhì)類型、溫度、壓力、流量等因素都會影響設(shè)備的選擇。例如，如果需要處理腐蝕性介質(zhì)，就需要選擇耐腐蝕的設(shè)備。如果需要處理高溫介質(zhì)，就需要選擇耐高溫的設(shè)備。經(jīng)濟因素傳熱設(shè)備的成本是另一個重要的考慮因素。不同的設(shè)備有不同的成本，包括設(shè)備的購買成本、安裝成本、運行成本等。選擇合適的設(shè)備可以有效地降低成本，提高經(jīng)濟效益。安全因素傳熱設(shè)備的安全性能也是選擇設(shè)備的重要因素。要確保設(shè)備的安全運行，避免發(fā)生事故。選擇設(shè)備時要考慮設(shè)備的耐壓、耐溫、耐腐蝕等性能，以及設(shè)備的安全保護裝置。操作方法11.準備工作確保設(shè)備清潔且所有管道連接牢固，檢查溫度傳感器和控制儀表功能。22.啟動設(shè)備按照設(shè)備操作說明書啟動設(shè)備，并根據(jù)工藝要求設(shè)定溫度和流量。33.運行監(jiān)測實時監(jiān)測設(shè)備運行參數(shù)，并根據(jù)需要調(diào)整操作條件。44.安全操作嚴格遵守安全操作規(guī)程，并注意高溫和高壓的安全風(fēng)險。傳熱設(shè)備的維護定期檢查定期檢查設(shè)備，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，防止故障發(fā)生。清潔保養(yǎng)清潔傳熱設(shè)備，確保傳熱效率，延長設(shè)備壽命。安全操作正確操作設(shè)備，避免人為因素造成的損壞。專業(yè)維修出現(xiàn)故障時，及時聯(lián)系專業(yè)維修人員進行維修。節(jié)能措施隔熱隔熱材料用于減少熱量損失，例如在管道和設(shè)備上使用隔熱層。提高效率選擇高效的傳熱設(shè)備和工藝，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計以減少能耗。余熱回收利用廢熱進行其他用途，例如將熱量用于預(yù)熱或供暖。傳熱的應(yīng)用案例傳熱在化工、能源、材料、環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，石油化工生產(chǎn)中，蒸餾、吸收、反應(yīng)等過程都需要有效的傳熱來控制反應(yīng)溫度和物料分離。電力生產(chǎn)中，鍋爐、汽輪機等設(shè)備依靠傳熱將熱能轉(zhuǎn)化為機械能。制冷空調(diào)系統(tǒng)利用傳熱原理實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，改善室內(nèi)環(huán)境。傳熱理論的應(yīng)用可以有效提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，改善環(huán)境。通過優(yōu)化傳熱設(shè)計，可以減少熱能損失，提高設(shè)備效率，降低生產(chǎn)成本。同時，傳熱技術(shù)在環(huán)境保護方面也發(fā)揮著重要作用，例如，利用傳熱原理可以實現(xiàn)廢熱回收利用，減少污染物排放。傳熱基礎(chǔ)知識回顧熱力學(xué)定律熱力學(xué)定律為傳熱分析奠定基礎(chǔ)，包括能量守恒和熵增原理。傳導(dǎo)傳熱通過物質(zhì)分子熱運動傳遞能量，適用于固體和靜止流體。對流傳熱通過流體運動傳遞能量，涉及流體與固體壁面之間的熱量交換。輻射傳熱通過電磁波傳遞能量，不依賴介質(zhì)，適用于任何溫度下的物體。實驗教學(xué)建議設(shè)計實驗設(shè)計實驗，注重科學(xué)性與可操作性。分組實驗鼓勵學(xué)生分組實驗，培養(yǎng)合作能力。數(shù)據(jù)分析引導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進行分析，得出結(jié)論。實驗報告要求學(xué)生撰寫實驗報告，提高寫作能力。結(jié)論1