《传递过程导论》课件

传递过程导论本课程介绍传递过程的基本概念和原理。重点讲解热量、质量和动量的传递现象。课程大纲绪论传递过程的定义、重要性和基本概念热传导热传导基本定律、导热系数、定稳态/非稳态热传导流体流动流体流动基本概念、层流/湍流、管道流动、边界层理论物质传递扩散与对流传质、沸腾/凝结传热、辐射传热相变传递过程相变的概念、相平衡、状态图、相变过程中的传热传质一、绪论本课程将探讨传递过程的定义、重要性以及基本概念。通过学习传递过程，我们能更好地理解自然界中物质和能量的流动。1.传递过程的定义热量传递热量传递是指热能从高温物体传递到低温物体的过程，例如，从火炉到锅，从阳光到地球表面。物质传递物质传递是指物质从高浓度区域传递到低浓度区域的过程，例如，溶解的糖从糖水中扩散到纯水中。动量传递动量传递是指动量从一个物体传递到另一个物体的过程，例如，风推动帆船前进，水流推动水车旋转。2.传递过程的重要性提高生产效率传递过程决定着生产过程的速度和效率，优化传递过程可以提高生产速度，降低生产成本。节约能源通过优化传递过程，减少热量、物质和动量损失，降低能耗，实现节能减排。提高产品质量传递过程对产品质量有重要影响，精确控制传递过程可以提高产品质量和一致性。促进科学发展传递过程的研究推动着化工、能源、材料等领域的科学发展，为解决实际问题提供理论基础。3.传递过程的基本概念传递过程的定义传递过程是指能量、质量或动量在不同相或不同区域之间进行传递的过程。能量传递包括热传递、功传递等，质量传递包括扩散、对流等，动量传递包括摩擦、剪切等。传递过程的类型传递过程可以分为热传递、质量传递、动量传递三种。热传递是指热量在不同温度物体之间传递的过程。质量传递是指物质在不同浓度区域之间传递的过程。动量传递是指动量在不同速度物体之间传递的过程。二、热传导热传导是热能通过物质内部的分子运动传递的过程。热能从高温物体向低温物体传递，直到两者温度达到平衡。热传导的基本定律1傅里叶定律傅里叶定律指出热流密度与温度梯度成正比，方向相反。2热传导系数热传导系数反映了材料传热的能力，数值越大，材料的传热能力越强。3热传导方程热传导方程是描述热量在物体内部传递的数学表达式，它可以用来预测温度随时间和位置的变化。4边界条件边界条件是热传导方程的辅助条件，它描述了物体边界处的温度或热流密度。2.导热系数及其影响因素1定义导热系数衡量材料传导热量的能力，它反映了材料在单位温度梯度下，单位时间内通过单位面积传递的热量。2影响因素材料的性质、温度、压力和湿度等因素都会影响导热系数。3应用导热系数在工程设计和材料选择中起着至关重要的作用，例如选择建筑材料、热交换器设计等。4实例金属的导热系数通常较高，而绝缘材料的导热系数则较低。3.一维定稳态热传导热流方向热量仅在一个方向上流动，通常是沿着一条直线或曲线。温度梯度温度沿热流方向发生变化，形成温度梯度。稳态条件系统处于稳定状态，温度随时间保持不变。傅里叶定律热流率与温度梯度成正比，比例系数为热导率。常见应用平板壁、圆柱壁、球形壁的热传导等。二维/三维定稳态热传导二维或三维热传导是指在多个方向上发生的热量传递。这种传导形式在实际应用中非常常见，例如建筑物内的热量传递。1解析法求解偏微分方程2数值法有限差分、有限元3实验法模拟实验、测量数据二维/三维定稳态热传导的求解方法主要有解析法、数值法和实验法。解析法适用于简单几何形状和边界条件的问题，而数值法和实验法则适用于复杂问题。五、非稳态热传导非稳态热传导是指温度随时间变化的热传导。这是一个复杂的过程，需要考虑热量在物体内部的分布情况，以及时间对热量传递的影响。了解非稳态热传导对于解决许多实际问题至关重要，例如预测物体冷却或加热的时间。1傅里叶定律描述热量传递速率与温度梯度和导热系数的关系2热扩散率材料传递热量的能力3比热容物质吸收或释放热量的能力4传热系数描述热量从流体传递到固体表面的速率非稳态热传导的数学模型较为复杂，通常需要使用数值方法求解。常用的数值方法包括有限差分法、有限元法等。三、流体流动流体流动是物质传递过程的重要组成部分。流体流动涉及流体在各种环境中的运动，例如管道、通道和自由空间。三、流体流动流体流动基本概念流体流动是指流体在压力差或重力作用下发生运动，可分为层流与湍流两种状态。层流是指流体流动时各流体质点按照各自的轨迹平稳移动，而湍流则指流体流动时各流体质点发生随机运动。2.层流与湍流层流流体流动时，流体质点沿直线运动，不互相混合，形成层状流动。湍流流体流动时，流体质点沿着不规则的路径运动，发生相互混合，产生涡流。3.管道流动管道流动流体在管道中的流动，例如，水流经水管或气流通过管道。层流流体流动平稳，流线相互平行，没有明显混合。湍流流体流动不规则，流线杂乱无章，流体快速混合。压力损失流体在管道中流动时，由于摩擦力而导致的压力下降。4.边界层理论边界层概念流体流动时，在固体表面附近形成一层薄薄的流体层，称为边界层。边界层特点边界层内流体速度梯度很大，粘性力起主要作用，而外部流体则不受粘性影响。边界层类型边界层可分为层流边界层和湍流边界层，取决于流体速度和表面性质。边界层应用边界层理论在航空航天、机械工程、化工等领域都有广泛应用。四、物质传递物质传递是指物质在不同相之间或同一相的不同区域之间迁移的过程。物质传递是化学工程和相关学科中重要的基础理论之一，在许多工业过程中发挥着至关重要的作用。1.扩散与对流传质扩散传质扩散传质指物质由于浓度差而产生的自发迁移过程。在静止流体或气体中，物质的迁移主要依靠扩散。对流传质对流传质指物质在流体流动中发生的迁移过程。流体流动带来的动量传递会加速物质的迁移，比扩散传质效率更高。2.沸腾传热11.泡腾沸腾液态物质的蒸发，形成气泡在液体内部生成，上升到液面逸出。22.核沸腾气泡在液体内部生成，并在液体内部成长、脱离、上升到液体表面。33.膜沸腾液面附近形成一层蒸汽膜，气泡在膜中形成，并直接从膜中逸出。44.临界热流密度沸腾传热过程中，传热系数随着温差的增大而增加，但当温差超过一定值时，传热系数反而会下降。3.凝结传热定义气体与冷表面接触发生相变，凝结成液体的过程。机理气体分子失去能量，转变为液体，释放潜热，形成凝结层。类型膜状凝结滴状凝结4.辐射传热热辐射定义热辐射是一种通过电磁波传递热量的方式，不需要介质。辐射传热特点热辐射可以穿越真空，并以光速传播。辐射传热应用广泛应用于工业领域，例如太阳能利用、辐射加热等。五、相变传递过程相变是指物质从一种相转变为另一种相的过程，例如液态水蒸发为水蒸气。相变在许多工程应用中起着至关重要的作用，例如热力发电、制冷和化学反应。相变的概念及重要性物质状态变化相变是指物质由一种物理状态转变为另一种物理状态的过程，例如固态、液态和气态之间相互转化。能量变化相变伴随着能量的吸收或释放，如熔化、汽化需要吸收能量，而凝固、凝结则会释放能量。重要性相变在自然界中普遍存在，影响着天气、气候、生命活动等许多方面，在工业生产中也发挥着重要作用。2.相平衡及状态图相平衡是指在特定温度和压力下，不同相态物质处于平衡状态。相图是描述物质在不同温度和压力下不同相态之间平衡关系的图。例如，水在不同的温度和压力下可以存在三种相态：固态（冰）、液态（水）和气态（水蒸气）。相图可以帮助我们了解物质在不同条件下的相变规律，例如，冰的熔点随压力的增加而下降，水在高压下会变成固态，而气态物质在高压和低温下会液化。3.相变过程中的传热传质沸腾传热液体沸腾时，热量从液体传递到气体，引起相变。凝结传热蒸汽凝结成液体，热量从气