化工原理传热课件

化工原理传热课程本课程介绍化工生产中传热的基本原理和应用。涵盖热量传递的三种模式：热传导、对流和辐射。课件目标理解热量传递原理掌握传热的基本概念、定律和三种形式：传导、对流和辐射。掌握传热计算方法熟悉传热微分方程的建立和求解，并运用这些方法解决实际工程问题。了解传热设备学习常见传热设备的类型、结构、工作原理和应用。提升实践能力通过案例分析和实验教学，培养学生解决实际问题的能力。热量传递的基本概念热量热量是物体内部微观粒子无规则运动的能量总和。它以热的形式从高温物体传递到低温物体。温度温度是物体冷热程度的量度，表示物体内部微观粒子平均动能的大小。热力学热力学是研究热量与其他形式能量之间转换规律的学科，为传热研究提供了理论基础。传热传热是指热量从高温物体传递到低温物体的过程，是化学工程中常见的物理现象。热量传递的基本定律热力学第一定律能量守恒定律，系统能量变化等于传入能量减去传出能量。傅里叶定律描述热传导的定律，热流密度与温度梯度成正比。牛顿冷却定律描述对流换热的定律，物体表面与流体之间的热交换速率与温度差成正比。斯特藩-玻尔兹曼定律描述黑体辐射的定律，黑体辐射能流密度与绝对温度的四次方成正比。传热三种形式1传导传热热量通过物体内部的物质粒子运动传递。2对流传热热量通过流体（液体或气体）的运动传递。3辐射传热热量通过电磁波传递，不需要介质。传导传热传导传热是热量通过物质内部的分子运动传递的方式。1热量传递2传导传热热量通过固体、液体或气体内部的分子碰撞传递。3对流传热热量通过流体运动传递。4辐射传热热量通过电磁波传递。传导传热的基本定律傅里叶定律热量传递速率与温度梯度成正比，与传热面积成正比，与材料的热导率成正比。热导率材料的热导率反映了其传热的能力，数值越大，传热能力越强。热阻热阻是材料阻碍热量传递的程度，热阻越大，传热越慢。传导传热微分方程传导传热微分方程描述了热量在材料内部的传递速率。这个方程考虑了材料的热导率、温度梯度和热量传递的面积。它是一个偏微分方程，通常需要使用数值方法来求解。一维稳定热传导1定义热量沿单一方向流动，温度随时间保持不变2傅里叶定律热流密度与温度梯度成正比3应用平板、圆柱体、球体等几何形状一维稳定热传导是传热学中重要的基本概念，它描述了热量在单一方向上稳定流动的过程。在实际应用中，一维稳定热传导模型可用于计算平板、圆柱体和球体等常见几何形状的热传递。多维稳定热传导1导热微分方程多维稳定热传导是指温度随时间不变，但随空间位置变化的传热过程。其控制方程为傅里叶定律和能量守恒方程组成的偏微分方程。2边界条件边界条件包括温度边界条件和热流边界条件，分别定义了物体表面温度和热流密度。3求解方法常用的求解方法有解析法和数值法，解析法适用于简单几何形状，数值法适用于复杂几何形状。瞬态热传导定义瞬态热传导是指物体内部温度随时间变化的传热过程，也称为非稳态传热。特征温度场随时间变化，传热速率也随时间变化。应用广泛应用于加热、冷却、热处理、化学反应等过程。案例例如，加热金属块，其内部温度随时间变化，最终达到稳定状态。对流传热1定义对流传热是指流体与固体表面之间由于流体的宏观运动而发生的热量传递过程。2类型对流传热可以分为强迫对流和自然对流两种。3应用对流传热在工业生产、日常生活、自然界中都有广泛的应用，如锅炉、换热器、空调等。对流换热系数定义对流换热系数表示流体与固体表面之间热量传递速率。影响因素流体的物理性质，如密度、粘度和热导率，以及流体速度和固体表面温度都会影响对流换热系数。测量对流换热系数通常通过实验测定，也可以使用经验公式进行估算。应用对流换热系数是进行传热计算和设计的重要参数。边界层理论流体边界层流体与固体表面接触时，速度发生变化，形成边界层。速度梯度边界层内，流体速度随距离固体表面距离的增加而逐渐增加。传热影响边界层的存在会影响对流传热，影响传热效率。强迫对流换热强迫对流是指流体在外部力量的作用下流动，并与固体表面发生热量交换的过程。1流体流动流体通过泵或风机等设备强制流动。2对流换热流体与固体表面发生热量传递。3热量传递热量从高温物体传递到低温物体。4应用场景工业生产、空调制冷、热交换器等。强迫对流换热在工业生产中应用广泛，例如在热交换器中，利用强迫对流提高热量传递效率，从而实现高效的热量交换。自然对流换热1密度差温度差异导致流体密度变化2浮力密度较低的流体向上流动3对流热量通过流体流动传递自然对流换热是指由于流体温度差异导致的密度变化而产生的浮力驱动流体流动，从而实现热量传递的过程。这种换热方式广泛存在于自然界和工程应用中，例如，室内暖气片周围的空气流动，水池中热水的上升等。辐射传热热量传递形式辐射传热不需要任何介质，通过电磁波的方式传递热量。红外线可见光紫外线应用场景太阳辐射、炉窑加热、红外线烤箱等。影响因素表面温度、发射率、形状、距离等。温度越高，辐射强度越大发射率越高，辐射能力越强形状影响辐射方向距离越远，辐射量越少计算方法斯特藩-玻耳兹曼定律、普朗克定律等。黑体辐射黑体辐射黑体是理想化的物体，可以吸收所有波长的电磁辐射，不会反射任何辐射。普朗克定律普朗克定律描述了黑体在不同温度下辐射能量与波长的关系。斯特藩-玻尔兹曼定律斯特藩-玻尔兹曼定律描述了黑体辐射的总能量与温度的四次方成正比。维恩位移定律维恩位移定律描述了黑体辐射能量峰值波长与温度成反比的关系。灰体辐射吸收率灰体是指吸收率小于1的物体，它吸收一部分辐射能量并反射一部分。发射率灰体的发射率等于它的吸收率，这被称为基尔霍夫定律。辐射热交换灰体之间的辐射热交换比黑体之间的辐射热交换更复杂，需要考虑发射率和吸收率的影响。辐射交换计算辐射交换计算是指计算不同物体之间辐射热交换的过程。由于辐射热交换的复杂性，需要利用一些简化假设和数学方法进行计算。1黑体辐射黑体是一个理想模型，它能够吸收所有入射的辐射能量，并以最高的效率进行辐射。2灰体辐射灰体是实际物体的一种简化模型，它对不同波长的辐射能量的吸收率和发射率都为常数。3辐射交换计算方法常用的方法包括辐射网络法、辐射形状因子法等。4应用辐射交换计算在工业中应用广泛，例如炉窑设计、热交换器设计等。传热设备换热器换热器是传热设备中最重要的类型，用于热量从一种流体传递到另一种流体，或从一种流体传递到固体壁面。板式换热器管壳式换热器螺旋板换热器锅炉锅炉是将燃料的化学能转化为热能，并通过传热将热能传递给水或其他流体的设备。燃油锅炉燃气锅炉电锅炉冷凝器冷凝器是将蒸汽冷凝成液体的设备，通常用于蒸汽动力循环系统。空气冷凝器水冷凝器蒸发器传热设备的选择工艺要求传热设备的选择首先要考虑工艺要求。例如，需要传热的介质类型、温度、压力、流量等因素都会影响设备的选择。例如，如果需要处理腐蚀性介质，就需要选择耐腐蚀的设备。如果需要处理高温介质，就需要选择耐高温的设备。经济因素传热设备的成本是另一个重要的考虑因素。不同的设备有不同的成本，包括设备的购买成本、安装成本、运行成本等。选择合适的设备可以有效地降低成本，提高经济效益。安全因素传热设备的安全性能也是选择设备的重要因素。要确保设备的安全运行，避免发生事故。选择设备时要考虑设备的耐压、耐温、耐腐蚀等性能，以及设备的安全保护装置。操作方法11.准备工作确保设备清洁且所有管道连接牢固，检查温度传感器和控制仪表功能。22.启动设备按照设备操作说明书启动设备，并根据工艺要求设定温度和流量。33.运行监测实时监测设备运行参数，并根据需要调整操作条件。44.安全操作严格遵守安全操作规程，并注意高温和高压的安全风险。传热设备的维护定期检查定期检查设备，及时发现潜在问题，防止故障发生。清洁保养清洁传热设备，确保传热效率，延长设备寿命。安全操作正确操作设备，避免人为因素造成的损坏。专业维修出现故障时，及时联系专业维修人员进行维修。节能措施隔热隔热材料用于减少热量损失，例如在管道和设备上使用隔热层。提高效率选择高效的传热设备和工艺，优化系统设计以减少能耗。余热回收利用废热进行其他用途，例如将热量用于预热或供暖。传热的应用案例传热在化工、能源、材料、环境等领域有着广泛的应用。例如，石油化工生产中，蒸馏、吸收、反应等过程都需要有效的传热来控制反应温度和物料分离。电力生产中，锅炉、汽轮机等设备依靠传热将热能转化为机械能。制冷空调系统利用传热原理实现温度调节，改善室内环境。传热理论的应用可以有效提高生产效率，节约能源，改善环境。通过优化传热设计，可以减少热能损失，提高设备效率，降低生产成本。同时，传热技术在环境保护方面也发挥着重要作用，例如，利用传热原理可以实现废热回收利用，减少污染物排放。传热基础知识回顾热力学定律热力学定律为传热分析奠定基础，包括能量守恒和熵增原理。传导传热通过物质分子热运动传递能量，适用于固体和静止流体。对流传热通过流体运动传递能量，涉及流体与固体壁面之间的热量交换。辐射传热通过电磁波传递能量，不依赖介质，适用于任何温度下的物体。实验教学建议设计实验设计实验，注重科学性与可操作性。分组实验鼓励学生分组实验，培养合作能力。数据分析引导学生对实验数据进行分析，得出结论。实验报告要求学生撰写实验报告，提高写作能力。结论1