《化工原理教學課件》傳熱計算

《化工原理教學課件》傳熱計算歡迎學習化工原理中的傳熱計算課程。本課程將深入探討傳熱原理、計算方法及其在化工領域的應用。傳熱計算的重要性設備設計合理的傳熱計算是確保換熱設備高效運行的關鍵。能源節(jié)約優(yōu)化傳熱過程可以顯著降低能源消耗，提高生產效率。安全生產準確的傳熱計算有助于預防設備過熱和相關安全隱患。熱傳導基礎知識定義熱傳導是分子間能量傳遞的過程，不涉及宏觀物質運動。傅里葉定律描述了熱流密度與溫度梯度的關系，是熱傳導的基本定律。熱傳導中的邊界條件第一類邊界條件固體表面溫度已知，常用于恒溫熱源或冷源。第二類邊界條件固體表面熱流密度已知，適用于電加熱等情況。第三類邊界條件固體表面與流體間的對流換熱，最常見的邊界條件。一維定常熱傳導解析解平壁最簡單的一維熱傳導模型，溫度分布呈線性。圓筒壁徑向熱傳導，溫度分布呈對數(shù)關系。球壁徑向熱傳導，溫度分布與半徑成反比。復雜幾何形狀的熱傳導1形狀因子法簡化復雜幾何為等效熱阻。2數(shù)值解法有限差分或有限元方法。3實驗測定對于極其復雜的形狀。二維熱傳導問題網格劃分將二維區(qū)域劃分為小單元，建立差分方程。數(shù)值求解利用迭代法或矩陣法求解溫度分布。結果分析繪制等溫線圖，分析熱流分布。非定常熱傳導問題1集總參數(shù)法適用于比奧數(shù)較小的情況，假設物體內部溫度均勻。2圖解法利用海斯勒圖或舒曼圖快速估算溫度變化。3數(shù)值解法對于復雜幾何或邊界條件，采用有限差分等方法。對流換熱基礎定義流體運動引起的熱量傳遞，包括自然對流和強制對流。牛頓冷卻定律描述了對流換熱速率與溫差的關系，引入對流換熱系數(shù)。不同類型對流換熱管內流動層流和湍流換熱特性差異大，常用于管式換熱器。管外流動包括平板、圓管外流等，應用于空氣冷卻器等設備。沸騰與凝結相變過程中的強化換熱，廣泛應用于蒸發(fā)器和冷凝器。對流換熱相關無量綱參數(shù)雷諾數(shù)表征流動狀態(tài)，影響換熱系數(shù)。努塞爾數(shù)表征對流換熱強度，是求解換熱系數(shù)的關鍵。普朗特數(shù)流體物性參數(shù)，反映動量擴散與熱擴散的相對強度。換熱設備設計基礎1換熱負荷計算確定需要傳遞的熱量。2換熱面積估算基于總傳熱系數(shù)和對數(shù)平均溫差。3結構設計選擇合適的換熱器類型和材料。4性能評估計算壓降、效率等指標。管殼式換熱器計算熱平衡方程確定換熱量和流體出口溫度。對數(shù)平均溫差考慮溫差沿程變化的影響?？倐鳠嵯禂?shù)綜合考慮管內外對流和管壁導熱阻力。換熱面積基于上述參數(shù)計算所需換熱面積。板式換熱器計算特點板式換熱器結構緊湊，換熱效率高，但壓降較大。計算方法基本原理與管殼式相似，但需考慮板間流道的特殊結構。管內單相流沸騰換熱1核態(tài)沸騰低過熱度區(qū)域，氣泡在加熱表面形成并脫離。2過渡沸騰氣泡合并形成蒸汽膜，換熱系數(shù)急劇下降。3膜態(tài)沸騰加熱表面被蒸汽膜覆蓋，主要通過輻射傳熱。管內單相流冷凝換熱膜狀冷凝冷凝液以連續(xù)液膜形式流動，常見于垂直表面。滴狀冷凝冷凝液以液滴形式存在，換熱效果好但難以維持。影響因素表面傾角、蒸汽速度、不凝氣體含量等。相變換熱問題1潛熱相變過程中釋放或吸收的熱量。2換熱系數(shù)相變過程中換熱系數(shù)顯著增大。3流動特性氣液兩相流動復雜，影響換熱效果。4壓力影響壓力變化導致相變溫度改變。輻射換熱原理定義物體以電磁波形式向周圍傳播能量的過程。特點不需介質，在真空中傳播最快，與溫度的四次方成正比。黑體輻射定律普朗克定律描述黑體在不同波長下的輻射強度分布。斯特凡-玻爾茲曼定律黑體輻射總能量與絕對溫度四次方成正比。維恩位移定律描述最大輻射強度對應的波長與溫度的關系。實際物體的輻射性質吸收率物體吸收入射輻射能量的比例。反射率物體反射入射輻射能量的比例。透過率物體透過入射輻射能量的比例。多個物體間的輻射換熱輻射形狀因子描述兩個表面之間的幾何關系。輻射網絡法將輻射換熱簡化為電路網絡進行分析。蒙特卡洛法利用統(tǒng)計方法模擬復雜幾何中的輻射換熱。輻射與對流換熱的耦合自然對流與輻射高溫物體周圍空氣流動與輻射同時存在。強制對流與輻射高速氣流中的物體同時受到對流和輻射影響。綜合換熱系數(shù)考慮輻射和對流的共同作用，給出等效換熱系數(shù)。換熱設備實際應用問題1結垢降低換熱效率，增加壓降，需定期清洗。2振動流體引起的振動可能導致設備損壞，需采取減振措施。3腐蝕化學腐蝕和電化學腐蝕會縮短設備壽命，需選用合適材料。相變沸騰/凝結換熱裝置設計1工藝參數(shù)確定溫度、壓力、流量等。2換熱面積計算考慮相變潛熱和顯熱。3結構優(yōu)化促進液膜破碎或氣泡脫離。4安全性評估防止干燒或液擊。串并聯(lián)換熱器設計串聯(lián)布置流體依次通過多個換熱器，可獲得較大溫度變化。并聯(lián)布置流體同時通過多個換熱器，可處理大流量。化工生產中的換熱計算實例一1問題描述某精餾塔再沸器的設計計算。2已知條件塔底液體流量、組成、進出口溫度，蒸汽壓力等。3計算步驟確定換熱量、選擇換熱器類型、計算換熱面積、校核壓降。化工生產中的換熱計算實例二問題描述反應器夾套冷卻系統(tǒng)設計。已知條件反應熱、反應物料性質、冷卻水參數(shù)。計算重點夾套換熱系數(shù)、冷卻水流量、溫度控制策略。安全考慮緊急冷卻措施、防止過熱或失控。傳熱計算中的不確定性分析參數(shù)不確定性物性數(shù)據(jù)、工況波動等引入的誤差。模型不確定性簡化假設導致的計算偏差。敏感性分析評估各參數(shù)對計算結果的影響程度。傳熱計算的局限性和注意事項適用范圍注意計算公式的適用條件和范圍。尺度效應實驗室數(shù)據(jù)擴大到工業(yè)規(guī)