《化工原理教学课件》传热计算.ppt

*******************化工原理教学课件-传热计算本部分课件介绍传热计算的概念和方法。传热是化工生产过程中的关键环节，对设备设计和工艺优化至关重要。传热计算概述11.热能传递传热是热能从高温物体向低温物体传递的过程。22.热传递形式传热主要有三种形式：导热、对流和辐射。33.传热计算传热计算旨在确定热能传递速率和温度分布。44.应用传热计算在化工、机械、能源等领域具有广泛应用。导热传热导热传热是指热量通过物质内部的分子热运动传递的过程，是三种基本传热方式之一。导热传热需要物质的参与，热量从温度高的部分传递到温度低的的部分。固体、液体和气体都可以发生导热传热，但固体导热能力最强，液体次之，气体最弱。导热传热的基本定律傅里叶定律描述导热速率与温度梯度和热传导系数的关系。热量守恒定律表明在封闭系统中，热能的总量保持不变。导热传热的基本参数热导率材料的热导率表示其传递热量的能力。温度梯度温度梯度是指温度变化率，影响热量传递的速度。热流量热流量表示单位时间内通过特定面积的热量。传热面积传热面积是指参与热传递的材料表面积。导热传热计算1傅里叶定律计算材料中热量流动速率，需考虑材料热导率、温度梯度和截面积。2热阻计算材料的热阻，需考虑材料的厚度、热导率和截面积。3热量平衡对于热量平衡的系统，进入系统的热量等于离开系统的热量，需考虑热流和热损失。边界条件第一类边界条件物体表面温度已知，是常见的边界条件之一。例如，加热板的温度或冷凝器表面的温度。第二类边界条件物体表面的热流密度已知，常用于描述热量输入或输出的情况。例如，对流传热中，表面热流密度由对流传热系数和温差决定。第三类边界条件物体表面存在对流换热，热流密度与表面温度和流体温度的差值成正比，热量交换量受对流传热系数的影响。第四类边界条件物体表面存在辐射换热，热流密度与表面温度和周围环境温度的差值成正比，热量交换量受辐射系数和表面积的影响。导热传热方程的求解建立数学模型根据傅里叶定律和能量守恒定律，建立描述导热传热过程的微分方程。确定边界条件根据传热过程的具体情况，确定传热表面上的温度或热流条件。求解微分方程采用解析方法或数值方法求解微分方程，得到温度场分布。计算热量传递速率根据温度场分布，计算通过传热表面的热量传递速率。定常状态下的导热传热计算1热平衡方程在定常状态下，热流入等于热流出。2边界条件定义热传导过程的边界条件。3热传导方程傅里叶定律和热平衡方程的组合。定常状态下的导热传热计算是化工原理中的重要内容。通过建立热平衡方程，结合边界条件，利用热传导方程求解温度场。非定常状态下的导热传热计算1瞬态热传导温度随时间变化的热传导2边界条件温度、热流或对流换热系数3求解方法解析法或数值法4应用场景加热、冷却和瞬态过程导热传热的数值计算方法有限差分法将导热微分方程离散化，用差分代替导数，得到差分方程组。有限元法将求解区域划分为有限个单元，用节点上的温度值表示温度场。边界元法将边界条件转化为积分方程，通过求解积分方程得到温度场。对流传热对流传热是指流体和固体表面之间发生的热量传递过程。流体运动起着至关重要的作用，使热量通过流体的运动传递到固体表面或从固体表面带走。对流传热的基本定律牛顿冷却定律对流传热速率与流体与固体之间的温差成正比。对流传热系数对流传热系数取决于流体的性质、流动状态以及固体表面的几何形状。边界层流体在固体表面附近形成的边界层对传热有重要影响。对流传热系数的决定1流体性质流体的密度、粘度和热容等性质会影响对流传热系数的大小。2流体速度流体速度越高，对流传热系数越大。例如，风速越快，冷空气带走热量的速度越快，传热系数就越大。3传热表面积传热表面积越大，对流传热系数越大。例如，散热器表面积越大，与周围空气的热交换面积就越大，传热系数就越大。4表面性质传热表面的粗糙度、光洁度和材料等性质也会影响对流传热系数的大小。自然对流1流体密度变化自然对流由温度差引起，导致流体密度变化，进而产生浮力。2对流运动浮力推动流体运动，形成自然对流，热量通过流体流动传递。3热量传递自然对流导致热量从高温区域传递到低温区域，影响系统热传递效率。强制对流1流体流动流体流动速度较高2对流传热主要受流体流动影响3影响因素流体速度、流体性质、传热表面形状强制对流是指流体在外力作用下流动而产生的对流传热，比如风机、泵等机械设备推动流体运动。常见的例子包括风扇散热、空调冷气、水管供暖等。