《傳熱及換熱器》課件

傳熱及換熱器傳熱是工程熱力學(xué)的重要分支之一，廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。換熱器是傳熱過程的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于能源、化工、冶金、機(jī)械等行業(yè)。本課件將深入探討傳熱原理及換熱器應(yīng)用。課程內(nèi)容概述換熱器類型涵蓋板式、殼管式、管式等多種類型，深入分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。熱力學(xué)基礎(chǔ)從熱力學(xué)角度解釋傳熱現(xiàn)象，理解能量傳遞和轉(zhuǎn)換的規(guī)律。傳熱機(jī)理詳細(xì)闡述導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種傳熱方式，并分析影響因素。換熱器設(shè)計(jì)掌握換熱器設(shè)計(jì)的基本原理和方法，包括熱量平衡、傳熱計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。熱量傳遞的方式11.導(dǎo)熱熱量通過物體內(nèi)部的分子熱運(yùn)動(dòng)傳遞，溫度差越大，傳遞的熱量越多。22.對(duì)流熱量通過流體的運(yùn)動(dòng)來傳遞，流體溫度升高后會(huì)上升，溫度低的流體則下降，形成對(duì)流循環(huán)。33.輻射熱量通過電磁波的形式傳遞，例如太陽(yáng)輻射到地球的熱量，不需要介質(zhì)也能傳遞熱量。導(dǎo)熱原理及影響因素?zé)醾鬟f機(jī)制導(dǎo)熱是通過物質(zhì)的原子或分子之間的相互作用傳遞熱量的過程。原子或分子振動(dòng)，并將熱能傳遞給鄰近的原子或分子。溫度梯度導(dǎo)熱總是從溫度較高的區(qū)域傳遞到溫度較低的區(qū)域，其傳遞速率與溫度梯度成正比。材料性質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)是衡量其導(dǎo)熱能力的指標(biāo)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，其導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。傳熱面積傳熱面積越大，熱傳遞速率越高。傳熱面積是熱傳遞過程中熱量傳遞的有效面積。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)是一個(gè)重要的熱物理參數(shù)，反映了材料傳熱的能力。實(shí)驗(yàn)方法用于確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，提供可靠數(shù)據(jù)用于工程應(yīng)用。方法原理適用范圍穩(wěn)態(tài)法在穩(wěn)定熱流條件下，測(cè)量材料兩側(cè)的溫差和熱流密度，計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。適用于固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量。非穩(wěn)態(tài)法利用材料的溫度隨時(shí)間的變化來測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)。適用于固體和液體材料，特別適用于測(cè)量薄層材料的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱方程及邊界條件傅里葉定律描述了熱量通過物體的傳導(dǎo)速率。它是一個(gè)基本方程，可以用來分析和計(jì)算導(dǎo)熱過程。為了準(zhǔn)確求解導(dǎo)熱方程，需要定義邊界條件。1邊界條件指定傳熱邊界處的溫度或熱通量2傅里葉定律描述熱傳導(dǎo)速率與溫度梯度之間的關(guān)系3導(dǎo)熱方程基于熱平衡和傅里葉定律建立的偏微分方程邊界條件可以是已知的溫度、熱通量或混合邊界條件。它們定義了物體與周圍環(huán)境之間的熱交換關(guān)系。通過應(yīng)用邊界條件，可以精確求解導(dǎo)熱方程，從而獲得物體內(nèi)溫度分布和熱流量信息。一維穩(wěn)態(tài)平板傳熱1導(dǎo)熱過程分析平板熱量傳遞方向只有一個(gè)，熱量從高溫表面?zhèn)鬟f到低溫表面。2溫度分布平板的溫度分布沿著厚度方向線性變化，溫度梯度為常數(shù)。3計(jì)算公式可以使用傅里葉定律來計(jì)算平板的熱流量，即熱流量與溫度梯度成正比。一維穩(wěn)態(tài)圓柱體傳熱1導(dǎo)熱系數(shù)圓柱體導(dǎo)熱系數(shù)影響熱量傳遞速率2圓柱體半徑半徑越大，熱量傳遞距離越長(zhǎng)3溫度差溫度差越大，熱量傳遞越快4圓柱體長(zhǎng)度長(zhǎng)度影響熱量傳遞面積圓柱體傳熱是常見傳熱問題，例如管道內(nèi)的熱量傳遞。影響因素包括導(dǎo)熱系數(shù)、圓柱體半徑、溫度差以及圓柱體長(zhǎng)度。一維穩(wěn)態(tài)球體傳熱溫度分布球體內(nèi)部溫度沿半徑方向變化，中心溫度最高，表面溫度最低。傳熱速率傳熱速率與球體表面積、內(nèi)外表面溫度差以及熱導(dǎo)率成正比。熱阻球體內(nèi)部存在熱阻，阻礙熱量傳遞，熱阻的大小與球體半徑和熱導(dǎo)率有關(guān)。瞬態(tài)傳熱瞬態(tài)傳熱是指物體內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化的傳熱過程。與穩(wěn)態(tài)傳熱相比，瞬態(tài)傳熱更加復(fù)雜，因?yàn)樗粌H涉及到溫度的分布，還涉及到溫度隨時(shí)間的變化。1溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化溫度分布隨時(shí)間變化2傳熱速率隨時(shí)間變化傳熱速率隨時(shí)間變化3熱量積累物體內(nèi)部熱量積累或釋放內(nèi)部熱源的傳熱熱量產(chǎn)生許多工程應(yīng)用中，熱量來自內(nèi)部，如電加熱元件、化學(xué)反應(yīng)或核反應(yīng)。內(nèi)部熱源的存在會(huì)改變傳熱過程，導(dǎo)致溫度分布更加復(fù)雜。常見情況例如，發(fā)熱電纜、燃?xì)夤艿?、燃燒室和核反?yīng)堆等，都存在內(nèi)部熱源。內(nèi)部熱源的傳熱分析需要考慮熱源的強(qiáng)度、分布和熱量傳遞方式等因素。熱量交換原理熱量傳遞熱量交換器通過熱量傳遞實(shí)現(xiàn)不同流體之間熱量的轉(zhuǎn)移。溫度變化熱量交換器使熱流體溫度下降，冷流體溫度上升。效率評(píng)估熱量交換器的效率取決于流體性質(zhì)、流速和換熱面積。換熱器類型及特點(diǎn)板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效率高，應(yīng)用廣泛。筒殼式換熱器應(yīng)用廣泛，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳熱效率相對(duì)較低。管式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，但傳熱效率較低。板式換熱器板式換熱器是一種高效緊湊的換熱設(shè)備。它由一系列薄板組成，這些板之間有通道，用于流體流動(dòng)。板式換熱器具有傳熱效率高、占地面積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在化工、電力、食品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。筒殼式換熱器筒殼式換熱器是一種常見的換熱器類型，由一個(gè)圓柱形筒體和多個(gè)管束組成。熱流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷流體在筒體外流動(dòng)，通過管壁進(jìn)行熱交換。筒殼式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效率高，應(yīng)用廣泛，適用于多種流體之間的熱交換。該換熱器通常用于蒸汽加熱、液體冷卻、氣體冷卻等工業(yè)生產(chǎn)過程。它可以根據(jù)不同需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如單程或多程流體流動(dòng)，單相或多相流體等。管式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單管式換熱器由兩組相互平行排列的管道組成，其中一組管道內(nèi)流過高溫流體，另一組管道內(nèi)流過低溫流體。應(yīng)用廣泛管式換熱器廣泛應(yīng)用于電力、化工、石油、冶金等領(lǐng)域，用于各種流體之間的熱量交換。傳熱效率高由于管式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱面積大，因此傳熱效率較高。兩流體換熱器的基本設(shè)計(jì)熱量平衡確定流體之間的熱量交換量，根據(jù)能量守恒定律計(jì)算熱量傳遞。傳熱面積根據(jù)熱量傳遞速率、傳熱系數(shù)和溫差，計(jì)算所需的傳熱面積。流體路徑設(shè)計(jì)優(yōu)化流體路徑，確保充分接觸并提高傳熱效率，例如逆流或并流。材料選擇選擇合適的傳熱材料，考慮其傳熱性能、耐腐蝕性以及成本。壓力降計(jì)算流體流動(dòng)過程中的壓力降，確保換熱器能夠承受壓力，并保證流體流動(dòng)順暢。多流體換熱器多流體混合多流體換熱器允許不同流體在同一個(gè)換熱器中進(jìn)行熱交換，可以提高換熱效率。復(fù)雜設(shè)計(jì)多流體換熱器設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，需要考慮多個(gè)流體的流速、溫度和壓降等因素。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于化工、電力、冶金等領(lǐng)域，用于熱量回收、過程控制等。相變換熱器蒸發(fā)器蒸發(fā)器將液體加熱至沸騰并汽化，例如鍋爐中的水蒸汽發(fā)生器。冷凝器冷凝器使蒸汽冷卻凝結(jié)成液體，例如空調(diào)中的冷凝器。熱管和熱管換熱器熱管工作原理利用工作流體相變潛熱傳遞熱量，高效傳熱。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密封容器，包含蒸發(fā)段、冷凝段、毛細(xì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部工作流體。應(yīng)用范圍電子設(shè)備散熱、太陽(yáng)能利用、工業(yè)廢熱回收。優(yōu)勢(shì)高導(dǎo)熱系數(shù)，傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用廣泛。泰勒公式在換熱中的應(yīng)用1近似計(jì)算泰勒公式可用于近似計(jì)算復(fù)雜換熱過程中的溫度分布或熱流密度。2非線性問題泰勒公式可用于將非線性換熱問題線性化，簡(jiǎn)化求解過程。3誤差分析泰勒公式可用于分析近似計(jì)算引入的誤差，評(píng)估結(jié)果的可靠性。4數(shù)值模擬泰勒公式是許多數(shù)值模擬方法的基礎(chǔ)，例如有限元法和有限差分法。傳熱過程的數(shù)值模擬1建立模型定義幾何形狀、材料屬性和邊界條件。2離散化將連續(xù)的物理問題轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程。3求解方程使用數(shù)值方法求解離散方程。4結(jié)果分析分析數(shù)值模擬結(jié)果，得出傳熱規(guī)律和性能指標(biāo)。數(shù)值模擬可以幫助我們理解復(fù)雜的傳熱過程，預(yù)測(cè)傳熱性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)。傳熱過程的實(shí)驗(yàn)測(cè)量1實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法是測(cè)試和驗(yàn)證傳熱理論的重要手段，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量傳熱過程的各種參數(shù)，比如熱量傳遞速率、溫度變化、材料熱阻等。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備常見的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括熱流計(jì)、溫度計(jì)、壓力計(jì)、流量計(jì)等，這些設(shè)備能夠準(zhǔn)確測(cè)量傳熱過程中的各種參數(shù)，為分析和計(jì)算提供依據(jù)。3數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分析和處理，通過建立數(shù)學(xué)模型和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，才能得出準(zhǔn)確的傳熱過程結(jié)論。自然對(duì)流傳熱定義自然對(duì)流是由于流體溫度差異引起的浮力導(dǎo)致的流體運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)傳遞熱量。原理流體密度變化導(dǎo)致的浮力，會(huì)使熱流體向上流動(dòng)，冷流體向下流動(dòng)，從而形成自然對(duì)流。應(yīng)用自然對(duì)流廣泛應(yīng)用于建筑物通風(fēng)、電子設(shè)備散熱以及太陽(yáng)能收集等領(lǐng)域。強(qiáng)制對(duì)流傳熱風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)是常用的強(qiáng)制對(duì)流傳熱設(shè)備，例如空調(diào)、風(fēng)機(jī)盤管。泵泵可以推動(dòng)流體進(jìn)行流動(dòng)，例如水循環(huán)系統(tǒng)。管道管道是流體流動(dòng)的通道，例如供暖管道。換熱器換熱器利用強(qiáng)制對(duì)流進(jìn)行熱量交換，例如汽車的散熱器。輻射傳熱輻射傳熱輻射傳熱是通過電磁波傳遞熱量的方式。輻射不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播。所有溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)以電磁波的形式輻射能量。物體的輻射能力取決于其表面性質(zhì)、溫度以及波長(zhǎng)。換熱器的能量分析換熱器能量分析對(duì)優(yōu)化換熱器設(shè)計(jì)至關(guān)重要，可以通過分析換熱器內(nèi)部能量流動(dòng)，評(píng)估換熱器效率，進(jìn)而找出能量損失的主要原因?？梢酝ㄟ^對(duì)換熱器進(jìn)行熱力學(xué)分析，確定換熱器的能量損失，并分析其影響因素，例如傳熱面積、流體速度、溫度差等。能量分析可以幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化換熱器設(shè)計(jì)，例如選擇合適的換熱器類型、調(diào)整換熱面積、優(yōu)化流體流動(dòng)路徑等，從而提高換熱效率，降低能量損失，節(jié)約能源。熱力學(xué)第二定律與傳熱過程熵增原理熱量從高溫物體傳遞到低溫物體是不可逆過程，導(dǎo)致系統(tǒng)熵增加。傳熱效率熱力學(xué)第二定律限制了傳熱過程的效率，無(wú)法完全利用熱能。熱泵循環(huán)熱泵利用熱力學(xué)第二定律將低溫?zé)崮軅鬟f到高溫環(huán)境，提高熱能利用率。太陽(yáng)能利用太陽(yáng)能利用需考慮熱力學(xué)第二定律，設(shè)計(jì)高效的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)傳熱效率最大化通過合理設(shè)計(jì)換熱器結(jié)構(gòu)，增大傳熱面積，提高傳熱系數(shù)，最大限度地提升傳熱效率。壓降最小化控制換熱器內(nèi)部流體流動(dòng)阻力，降低壓降，減少能量損失，提高系統(tǒng)效率。成本優(yōu)化選擇合適的材料和制造工藝，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)滿足性能要求。環(huán)境友好采用節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，減少能源消耗，降低環(huán)境污染。本課程重點(diǎn)與難點(diǎn)11.熱量傳遞的基本原理掌握導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射三種熱量傳遞方式的原理及計(jì)算方法。22.換熱器類型及設(shè)計(jì)了解各種換熱器類型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用場(chǎng)景。33.傳熱