《化工原理第四章》課件

《化工原理》第四章本章介紹了流體流動(dòng)和傳熱的概念，以及相關(guān)計(jì)算方法。流體流動(dòng)包括層流、湍流、過(guò)渡流等，傳熱包括導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。zxbyzzzxxxx第一節(jié)傳熱基本概念傳熱是熱力學(xué)中的一個(gè)重要概念，它描述了熱量在不同物體或不同溫度的物體之間傳遞的過(guò)程。傳熱是許多工業(yè)過(guò)程的核心，例如發(fā)電、化工生產(chǎn)和制冷。傳熱的定義1能量傳遞形式傳熱是熱能從高溫物體傳遞到低溫物體的過(guò)程。它是能量傳遞的三種基本形式之一，其他兩種是功和物質(zhì)傳遞。2溫度梯度驅(qū)動(dòng)傳熱是由溫度梯度驅(qū)動(dòng)的，熱能總是從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域。3影響因素傳熱速率受多種因素影響，包括溫度差、傳熱面積、材料的熱導(dǎo)率和傳熱方式。傳熱的三種方式導(dǎo)熱熱量通過(guò)物體內(nèi)部的物質(zhì)粒子傳遞，如金屬鍋加熱。對(duì)流熱量通過(guò)流體運(yùn)動(dòng)傳遞，如水沸騰時(shí)熱量傳遞。輻射熱量以電磁波形式傳遞，如太陽(yáng)輻射熱量。熱量的單位焦耳(J)焦耳是國(guó)際單位制中的能量單位，也是熱量的基本單位?？防?cal)卡路里是熱量的一個(gè)常用單位，1卡路里等于4.184焦耳。千卡(kcal)千卡是卡路里的千倍，通常用于表示食物的熱量。英熱單位(Btu)英熱單位是英國(guó)熱量單位，1英熱單位等于1055焦耳。熱量的計(jì)算1熱量傳遞的定義熱量是指物體間由于溫度差而傳遞的能量。2熱量計(jì)算公式熱量可以通過(guò)熱容量和溫度變化計(jì)算，公式為Q=mcΔT。3單位與換算熱量的常用單位包括焦耳（J）和卡路里（cal），1卡路里約等于4.184焦耳。4熱量計(jì)算應(yīng)用熱量計(jì)算在化學(xué)、物理、工程等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，例如計(jì)算熱力學(xué)過(guò)程中的熱能變化。第二節(jié)導(dǎo)熱傳熱導(dǎo)熱傳熱是指熱量通過(guò)靜止的物質(zhì)從溫度較高部分傳遞到溫度較低部分的過(guò)程。這種傳熱方式不需要物質(zhì)的宏觀運(yùn)動(dòng)，是由于物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)引起的。導(dǎo)熱的定義1熱量傳遞分子間能量傳遞2溫度梯度高溫區(qū)域到低溫區(qū)域3直接接觸物質(zhì)之間直接接觸導(dǎo)熱是熱量從高溫物體傳遞到低溫物體的一種傳熱方式，熱量傳遞是通過(guò)物體內(nèi)部的分子間能量傳遞實(shí)現(xiàn)的。導(dǎo)熱發(fā)生的條件是物體內(nèi)部存在溫度梯度，即高溫區(qū)域的分子熱運(yùn)動(dòng)能量較高，通過(guò)直接接觸傳遞給低溫區(qū)域的分子。導(dǎo)熱的基本定律傅里葉定律傅里葉定律描述了熱量傳遞速率與溫度梯度和導(dǎo)熱面積之間的關(guān)系。溫度梯度越大，熱量傳遞速率越快。熱量傳遞速率熱量傳遞速率是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的熱量，通常用瓦特(W)表示。導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料導(dǎo)熱能力的指標(biāo)，表示在單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量。溫度梯度溫度梯度是指單位距離內(nèi)的溫度變化率，通常用開(kāi)爾文每米(K/m)表示。導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素物質(zhì)的性質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)取決于其分子結(jié)構(gòu)、原子間距和振動(dòng)頻率。不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異很大，例如，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般高于非金屬。溫度大多數(shù)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增加。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)導(dǎo)致分子運(yùn)動(dòng)加劇，從而更容易傳遞熱量。壓力氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力增加而增加。這是因?yàn)閴毫υ黾訒?huì)導(dǎo)致分子間碰撞更頻繁，從而促進(jìn)熱傳遞。相態(tài)固體的導(dǎo)熱系數(shù)一般高于液體，液體的導(dǎo)熱系數(shù)一般高于氣體。這是因?yàn)楣腆w分子排列緊密，熱量傳遞效率更高。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定穩(wěn)態(tài)法穩(wěn)態(tài)法是常用的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法。該方法通過(guò)測(cè)量樣品兩端溫度差和熱流密度，計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。熱板法熱線法熱流計(jì)法瞬態(tài)法瞬態(tài)法通過(guò)測(cè)量樣品溫度隨時(shí)間的變化，計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。該方法適用于測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)變化較大的材料。激光閃光法熱針?lè)ǖ谌?jié)對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱是熱量通過(guò)流體運(yùn)動(dòng)傳遞的一種方式。流體運(yùn)動(dòng)可以是自然對(duì)流，也可以是強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流傳熱的定義對(duì)流傳熱是指流體與固體表面之間由于流體運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程。流體運(yùn)動(dòng)可以是自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流。1對(duì)流傳熱2流體與固體表面之間3流體運(yùn)動(dòng)自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流對(duì)流傳熱的基本定律牛頓冷卻定律對(duì)流傳熱速率與流體溫度差和換熱面積成正比。對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù)反映了流體與固體表面之間的傳熱效率。對(duì)流換熱的影響因素流體的性質(zhì)、流速、表面幾何形狀和溫度等因素都會(huì)影響對(duì)流換熱系數(shù)。無(wú)量綱數(shù)及其意義努塞爾數(shù)(Nu)努塞爾數(shù)反映對(duì)流傳熱與純導(dǎo)熱之比，表征對(duì)流傳熱強(qiáng)度。普朗特?cái)?shù)(Pr)普朗特?cái)?shù)反映流體粘性與熱擴(kuò)散率之比，表征流體動(dòng)量擴(kuò)散與熱量擴(kuò)散的相對(duì)快慢。雷諾數(shù)(Re)雷諾數(shù)反映流體慣性力與粘性力之比，表征流體流動(dòng)狀態(tài)，判斷層流或湍流。格拉曉夫數(shù)(Gr)格拉曉夫數(shù)反映流體浮升力與粘性力之比，表征自然對(duì)流強(qiáng)度，判斷自然對(duì)流是否顯著。自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流1自然對(duì)流流體因密度差而產(chǎn)生的流動(dòng)，不受外力影響。2強(qiáng)制對(duì)流流體在外部作用力推動(dòng)下產(chǎn)生的流動(dòng)，例如風(fēng)機(jī)、泵等。3舉例自然對(duì)流：風(fēng)，鍋爐內(nèi)的水循環(huán)；強(qiáng)制對(duì)流：風(fēng)扇，水泵。4對(duì)比自然對(duì)流傳熱效率較低，強(qiáng)制對(duì)流傳熱效率較高。第四節(jié)輻射傳熱輻射傳熱是一種重要的傳熱方式，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。它不需要介質(zhì)，可以直接在真空中進(jìn)行熱量傳遞。輻射的定義能量傳遞方式輻射是指能量以電磁波的形式傳遞。無(wú)需介質(zhì)輻射傳熱不需要物質(zhì)介質(zhì)，可以在真空中進(jìn)行。熱量傳遞輻射是物體通過(guò)電磁波輻射能量的形式，將熱量傳遞給周圍的物體。光譜特性不同物體輻射的電磁波波長(zhǎng)不同，這決定了物體輻射的能量和顏色。溫度影響物體的溫度越高，輻射能量越強(qiáng)，波長(zhǎng)越短。黑體輻射定律斯特藩-玻耳茲曼定律黑體輻射能流密度與絕對(duì)溫度的四次方成正比。維恩位移定律黑體輻射強(qiáng)度的最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度成反比。普朗克輻射定律描述了黑體在不同溫度下輻射能量的分布?；鶢柣舴蚨珊隗w的吸收率等于發(fā)射率?；殷w輻射灰體定義灰體是實(shí)際存在的物體?；殷w在所有波長(zhǎng)下都有相同的吸收率和發(fā)射率。由于所有波長(zhǎng)下的吸收率和發(fā)射率相同，因此灰體的發(fā)射率和吸收率僅取決于溫度?；殷w輻射特征灰體發(fā)射的光譜輻射強(qiáng)度與黑體在相同溫度下發(fā)射的光譜輻射強(qiáng)度成正比。比例因子是該灰體的發(fā)射率，其值介于0和1之間。輻射熱交換黑體輻射黑體是指能夠完全吸收所有波長(zhǎng)的電磁輻射的物體。黑體輻射指黑體在一定溫度下所發(fā)出的電磁輻射。輻射熱交換輻射熱交換是指兩個(gè)物體之間通過(guò)電磁波的形式傳遞熱量的過(guò)程。輻射熱交換量取決于兩個(gè)物體的溫度、表面性質(zhì)和形狀。視界因子視界因子是指一個(gè)表面輻射的熱量中，有多少能夠到達(dá)另一個(gè)表面的比例。視界因子的計(jì)算需要考慮兩個(gè)表面之間的幾何關(guān)系。第五節(jié)傳熱過(guò)程的分析傳熱過(guò)程的分析是化工原理中的重要內(nèi)容，它涉及到對(duì)傳熱過(guò)程的深入研究和理解，并通過(guò)分析結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。復(fù)合傳熱過(guò)程1導(dǎo)熱固體內(nèi)部傳熱2對(duì)流流體與固體間傳熱3輻射物體間以電磁波形式傳熱實(shí)際傳熱過(guò)程中，三種方式常同時(shí)存在。例如，鍋爐內(nèi)壁的傳熱，包含著導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種方式。傳熱過(guò)程的計(jì)算熱平衡方程傳熱過(guò)程的計(jì)算需要建立熱平衡方程。熱平衡方程描述了系統(tǒng)中能量守恒的關(guān)系，通過(guò)能量守恒，可以計(jì)算出系統(tǒng)的溫度變化。傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)代表了不同介質(zhì)之間傳熱效率的高低，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量或理論計(jì)算得到，在傳熱計(jì)算中起著關(guān)鍵作用。傳熱面積傳熱面積是指熱量傳遞發(fā)生的接觸面積，在傳熱計(jì)算中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行確定，例如換熱器的傳熱面積。溫度差溫度差是指熱量傳遞發(fā)生時(shí)兩個(gè)介質(zhì)之間的溫度差值，溫度差越大，傳熱速率越快。傳熱設(shè)備的設(shè)計(jì)1熱負(fù)荷計(jì)算根據(jù)工藝要求確定傳熱量，作為設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2傳熱面積計(jì)算根據(jù)傳熱系數(shù)和溫度差計(jì)算所需的傳熱面積，確定設(shè)備尺寸。3流體流動(dòng)方式選擇合適的流體流動(dòng)方式，例如逆流、并流或錯(cuò)流，以提高傳熱效率。4材料選擇考慮材料的耐腐蝕性、耐高溫性和傳熱性能，選擇合適的材料制作設(shè)備。傳熱過(guò)程的優(yōu)化提高傳熱系數(shù)通過(guò)增加傳熱面積、提高傳熱介質(zhì)的流速、降低流體阻力等方式，可以有效提高傳熱系數(shù)。降低能耗優(yōu)化傳熱過(guò)程，可以提高能源利用效率，減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本。降低環(huán)境污染通過(guò)減少排放和提高能源效率，可以降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。提高產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)化傳熱過(guò)程，可以提高產(chǎn)品的溫度控制精度，改善產(chǎn)品質(zhì)量。第六節(jié)傳熱設(shè)備傳熱設(shè)備是化工生產(chǎn)中不可缺少的一部分。它們被用來(lái)進(jìn)行熱量傳遞，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程所需的溫度控制。換熱器的分類管殼式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效率高，廣泛應(yīng)用于化工、石油、電力等行業(yè)。板式換熱器傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，清洗方便，廣泛應(yīng)用于食品、制藥等行業(yè)。螺旋板式換熱器傳熱面積大，傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于高粘度流體和含固體顆粒流體的換熱。雙管式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，適用于低壓、低溫場(chǎng)合的換熱。換熱器的選擇熱負(fù)荷首先要根據(jù)需要傳遞的熱量，確定換熱器的傳熱面積。流體性質(zhì)流體類型、流量、溫度、壓力等因素會(huì)影響換熱器的選擇。經(jīng)濟(jì)因素成本、安裝、維護(hù)等因素需要綜合考慮，選擇性價(jià)比最高的換熱器。操作條件工作壓力、溫度、腐蝕性等條件決定了換熱器的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)。換熱器的設(shè)計(jì)1熱負(fù)荷計(jì)算根據(jù)工藝要求確定換熱量，并根據(jù)流體物性確定傳熱系數(shù)。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇合適的換熱器類型，并根據(jù)工藝參數(shù)確定換熱器的尺寸、材料和結(jié)構(gòu)。3流體分布設(shè)計(jì)合理的流體分布系統(tǒng)，確保流體在換熱器內(nèi)部均勻分布，提高傳熱效率。4壓力降計(jì)算計(jì)算換熱器內(nèi)部的壓力