《传热及换热器》课件

传热及换热器传热是工程热力学的重要分支之一，广泛应用于各种工程领域。换热器是传热过程的关键设备，广泛应用于能源、化工、冶金、机械等行业。本课件将深入探讨传热原理及换热器应用。课程内容概述换热器类型涵盖板式、壳管式、管式等多种类型，深入分析其结构特点和应用场景。热力学基础从热力学角度解释传热现象，理解能量传递和转换的规律。传热机理详细阐述导热、对流和辐射三种传热方式，并分析影响因素。换热器设计掌握换热器设计的基本原理和方法，包括热量平衡、传热计算、优化设计等。热量传递的方式11.导热热量通过物体内部的分子热运动传递，温度差越大，传递的热量越多。22.对流热量通过流体的运动来传递，流体温度升高后会上升，温度低的流体则下降，形成对流循环。33.辐射热量通过电磁波的形式传递，例如太阳辐射到地球的热量，不需要介质也能传递热量。导热原理及影响因素热传递机制导热是通过物质的原子或分子之间的相互作用传递热量的过程。原子或分子振动，并将热能传递给邻近的原子或分子。温度梯度导热总是从温度较高的区域传递到温度较低的区域，其传递速率与温度梯度成正比。材料性质材料的导热系数是衡量其导热能力的指标，材料的导热系数越高，其导热能力越强。传热面积传热面积越大，热传递速率越高。传热面积是热传递过程中热量传递的有效面积。导热系数的测量导热系数是一个重要的热物理参数，反映了材料传热的能力。实验方法用于确定材料的导热系数，提供可靠数据用于工程应用。方法原理适用范围稳态法在稳定热流条件下，测量材料两侧的温差和热流密度，计算导热系数。适用于固体材料的导热系数测量。非稳态法利用材料的温度随时间的变化来测量导热系数。适用于固体和液体材料，特别适用于测量薄层材料的导热系数。导热方程及边界条件傅里叶定律描述了热量通过物体的传导速率。它是一个基本方程，可以用来分析和计算导热过程。为了准确求解导热方程，需要定义边界条件。1边界条件指定传热边界处的温度或热通量2傅里叶定律描述热传导速率与温度梯度之间的关系3导热方程基于热平衡和傅里叶定律建立的偏微分方程边界条件可以是已知的温度、热通量或混合边界条件。它们定义了物体与周围环境之间的热交换关系。通过应用边界条件，可以精确求解导热方程，从而获得物体内温度分布和热流量信息。一维稳态平板传热1导热过程分析平板热量传递方向只有一个，热量从高温表面传递到低温表面。2温度分布平板的温度分布沿着厚度方向线性变化，温度梯度为常数。3计算公式可以使用傅里叶定律来计算平板的热流量，即热流量与温度梯度成正比。一维稳态圆柱体传热1导热系数圆柱体导热系数影响热量传递速率2圆柱体半径半径越大，热量传递距离越长3温度差温度差越大，热量传递越快4圆柱体长度长度影响热量传递面积圆柱体传热是常见传热问题，例如管道内的热量传递。影响因素包括导热系数、圆柱体半径、温度差以及圆柱体长度。一维稳态球体传热温度分布球体内部温度沿半径方向变化，中心温度最高，表面温度最低。传热速率传热速率与球体表面积、内外表面温度差以及热导率成正比。热阻球体内部存在热阻，阻碍热量传递，热阻的大小与球体半径和热导率有关。瞬态传热瞬态传热是指物体内部温度随时间变化的传热过程。与稳态传热相比，瞬态传热更加复杂，因为它不仅涉及到温度的分布，还涉及到温度随时间的变化。1温度场随时间变化温度分布随时间变化2传热速率随时间变化传热速率随时间变化3热量积累物体内部热量积累或释放内部热源的传热热量产生许多工程应用中，热量来自内部，如电加热元件、化学反应或核反应。内部热源的存在会改变传热过程，导致温度分布更加复杂。常见情况例如，发热电缆、燃气管道、燃烧室和核反应堆等，都存在内部热源。内部热源的传热分析需要考虑热源的强度、分布和热量传递方式等因素。热量交换原理热量传递热量交换器通过热量传递实现不同流体之间热量的转移。温度变化热量交换器使热流体温度下降，冷流体温度上升。效率评估热量交换器的效率取决于流体性质、流速和换热面积。换热器类型及特点板式换热器结构紧凑，传热效率高，应用广泛。筒壳式换热器应用广泛，但结构复杂，传热效率相对较低。管式换热器结构简单，易于维护，但传热效率较低。板式换热器板式换热器是一种高效紧凑的换热设备。它由一系列薄板组成，这些板之间有通道，用于流体流动。板式换热器具有传热效率高、占地面积小、重量轻等优点，在化工、电力、食品等领域应用广泛。筒壳式换热器筒壳式换热器是一种常见的换热器类型，由一个圆柱形筒体和多个管束组成。热流体在管内流动，冷流体在筒体外流动，通过管壁进行热交换。筒壳式换热器结构紧凑，传热效率高，应用广泛，适用于多种流体之间的热交换。该换热器通常用于蒸汽加热、液体冷却、气体冷却等工业生产过程。它可以根据不同需求进行设计，例如单程或多程流体流动，单相或多相流体等。管式换热器结构简单管式换热器由两组相互平行排列的管道组成，其中一组管道内流过高温流体，另一组管道内流过低温流体。应用广泛管式换热器广泛应用于电力、化工、石油、冶金等领域，用于各种流体之间的热量交换。传热效率高由于管式换热器内部结构紧凑，传热面积大，因此传热效率较高。两流体换热器的基本设计热量平衡确定流体之间的热量交换量，根据能量守恒定律计算热量传递。传热面积根据热量传递速率、传热系数和温差，计算所需的传热面积。流体路径设计优化流体路径，确保充分接触并提高传热效率，例如逆流或并流。材料选择选择合适的传热材料，考虑其传热性能、耐腐蚀性以及成本。压力降计算流体流动过程中的压力降，确保换热器能够承受压力，并保证流体流动顺畅。多流体换热器多流体混合多流体换热器允许不同流体在同一个换热器中进行热交换，可以提高换热效率。复杂设计多流体换热器设计更加复杂，需要考虑多个流体的流速、温度和压降等因素。应用广泛应用于化工、电力、冶金等领域，用于热量回收、过程控制等。相变换热器蒸发器蒸发器将液体加热至沸腾并汽化，例如锅炉中的水蒸汽发生器。冷凝器冷凝器使蒸汽冷却凝结成液体，例如空调中的冷凝器。热管和热管换热器热管工作原理利用工作流体相变潜热传递热量，高效传热。结构特点密封容器，包含蒸发段、冷凝段、毛细结构，内部工作流体。应用范围电子设备散热、太阳能利用、工业废热回收。优势高导热系数，传热效率高，结构紧凑，应用广泛。泰勒公式在换热中的应用1近似计算泰勒公式可用于近似计算复杂换热过程中的温度分布或热流密度。2非线性问题泰勒公式可用于将非线性换热问题线性化，简化求解过程。3误差分析泰勒公式可用于分析近似计算引入的误差，评估结果的可靠性。4数值模拟泰勒公式是许多数值模拟方法的基础，例如有限元法和有限差分法。传热过程的数值模拟1建立模型定义几何形状、材料属性和边界条件。2离散化将连续的物理问题转化为离散的代数方程。3求解方程使用数值方法求解离散方程。4结果分析分析数值模拟结果，得出传热规律和性能指标。数值模拟可以帮助我们理解复杂的传热过程，预测传热性能，优化设计。传热过程的实验测量1实验方法实验方法是测试和验证传热理论的重要手段，通过实验测量传热过程的各种参数，比如热量传递速率、温度变化、材料热阻等。2实验设备常见的实验设备包括热流计、温度计、压力计、流量计等，这些设备能够准确测量传热过程中的各种参数，为分析和计算提供依据。3数据分析实验测量得到的数据需要进行分析和处理，通过建立数学模型和进行统计分析，才能得出准确的传热过程结论。自然对流传热定义自然对流是由于流体温度差异引起的浮力导致的流体运动，这种运动会传递热量。原理流体密度变化导致的浮力，会使热流体向上流动，冷流体向下流动，从而形成自然对流。应用自然对流广泛应用于建筑物通风、电子设备散热以及太阳能收集等领域。强制对流传热风机风机是常用的强制对流传热设备，例如空调、风机盘管。泵泵可以推动流体进行流动，例如水循环系统。管道管道是流体流动的通道，例如供暖管道。换热器换热器利用强制对流进行热量交换，例如汽车的散热器。辐射传热辐射传热辐射传热是通过电磁波传递热量的方式。辐射不需要介质，可以在真空中传播。所有温度高于绝对零度的物体都会以电磁波的形式辐射能量。物体的辐射能力取决于其表面性质、温度以及波长。换热器的能量分析换热器能量分析对优化换热器设计至关重要，可以通过分析换热器内部能量流动，评估换热器效率，进而找出能量损失的主要原因。可以通过对换热器进行热力学分析，确定换热器的能量损失，并分析其影响因素，例如传热面积、流体速度、温度差等。能量分析可以帮助设计人员优化换热器设计，例如选择合适的换热器类型、调整换热面积、优化流体流动路径等，从而提高换热效率，降低能量损失，节约能源。热力学第二定律与传热过程熵增原理热量从高温物体传递到低温物体是不可逆过程，导致系统熵增加。传热效率热力学第二定律限制了传热过程的效率，无法完全利用热能。热泵循环热泵利用热力学第二定律将低温热能传递到高温环境，提高热能利用率。太阳能利用太阳能利用需考虑热力学第二定律，设计高效的能量转换系统。换热器的优化设计传热效率最大化通过合理设计换热器结构，增大传热面积，提高传热系数，最大限度地提升传热效率。压降最小化控制换热器内部流体流动阻力，降低压降，减少能量损失，提高系统效率。成本优化选择合适的材料和制造工艺，降低生产成本，同时满足性能要求。环境友好采用节能环保的设计理念，减少能源消耗，降低环境污染。本课程重点与难点11.热量传递的基本原理掌握导热、对流、辐射三种热量传递方式的原理及计算方法。22.换热器类型及设计了解各种换热器类型的结构特点、工作原理、设计方法及应用场景。33.传热