《传热及换热器》课件

传热及换热器本课程将探讨传热的基本概念和原理以及换热器的设计与应用从基础热力学,原理出发全面介绍各种传热方式并深入分析不同类型换热器的工作机理和性能,,特点作者c chao课程大纲热量传递的基本概念换热器类型探讨热量传递的基本理论和定律介绍常见的换热器种类如管壳式、,,包括导热、对流和辐射等板式、散热器等,并分析其传热特点传热分析方法典型传热问题讨论稳态和非稳态导热传热的数分析具体的传热过程,如对流、沸学模型和计算方法腾、凝结等,并掌握相关计算技能热量传递的基本概念热量传递机制导热特性对流传热机理热量可通过导热、对流和辐射三种基本方式不同材料的导热系数差异显著,决定了热量流体运动过程中携带热量的传递称为对流传在物体之间传递了解这些热量传递的基本在物体内部的传递速度选择合适的材料是热,它受到流体流速、流体性质和边界条件原理对于工程应用至关重要优化热传导的关键的影响对流传热在工程应用广泛导热定律傅里叶定律热导率12热量在温度梯度下由高温区域各种物质的导热能力不同,用热流向低温区域，热流密度与温导率k来表示热导率越高,导度梯度成正比这是导热传热热性能越好的基本规律一维稳态导热热阻概念34在一维稳态条件下,热流密度与热阻反映了物体对热量传递的温度梯度的比值就是材料的热阻碍作用,等于温差与热流之比导率导热传热方式导热Conduction通过物质微粒间的热量传递无需物质流动适用于固体及静止流体,对流Convection由于温度梯度引起的流体运动使热量在物质间传递适用于流体传热,辐射Radiation通过电磁波传热无需物质介质适用于真空环境和高温物体间的传热,传热过程中的边界条件恒定温度边界条件恒定热流率边界条件辐射边界条件对流边界条件这种边界条件假定物体表面温这种边界条件假定物体表面的这种边界条件考虑了表面与周这种边界条件描述了表面与周度保持恒定常用于描述与大热流率保持恒定常用于描述围环境之间的热辐射交换适围流体之间的对流换热过程型热源或冷源接触的物体表面由电加热等方式加热的物体表用于高温物体的传热分析在分析物体表面传热时经常使面用导热微分方程导热定律1根据傅里叶定律导热速率与温度梯度成正比这是导热微分方,程的基础边界条件2导热微分方程需要结合特定的边界条件如固体表面的温度或热,流密度建立微分方程3应用导热定律和边界条件就可建立描述导热过程的偏微分方程,稳态导热传热恒温边界条件1物体表面温度保持恒定不变绝热边界条件2物体表面无热流经过对流边界条件3物体表面与流体间的热量交换稳态导热传热指物体内部的温度分布和热流速度不随时间而改变的热传导过程这种状态下物体表面的边界条件扮演着关键作用包括恒,,温边界、绝热边界和对流边界等根据不同的边界条件可以建立相应的导热微分方程并求解温度分布,稳态一维平直板导热温度梯度1温度在板厚度方向上线性分布边界条件2板表面温度已知或热流密度已知导热方程3采用一维傅里叶导热定律在一维稳态导热条件下平直板内温度分布遵循线性规律温度梯度恒定可以通过热传导微分方程和边界条件计算出板内的温度分布这,,种一维平直板导热问题是导热理论中最基础和典型的模型之一稳态一维圆管导热定义对于一维圆管导热问题,热量沿圆管壁的径向方向进行传递该情况下,温度仅随径向距离发生变化,与角度和轴向位置无关热传导方程利用圆柱坐标系建立导热微分方程,可得到一维稳态圆管导热的热传导方程该方程可用于求解管壁温度分布边界条件该问题通常有已知内外壁温度或内外壁热流密度的边界条件这些边界条件可带入热传导方程求解温度分布稳态二维导热问题热流方向1在二维稳态导热中热量会沿两个方向传递,边界条件2需要同时考虑两个方向上的边界条件解法3采用分离变量法或变分法求解二维导热微分方程二维稳态导热问题描述热量在两个方向上同时传递的情况相比一维情况需要更加复杂的边界条件和求解方法包括分离变量法和变分法,,可求解出温度场分布稳态三维导热问题定义坐标系确定三维几何结构并建立适当的坐标系,通常使用直角坐标系列出边界条件根据实际问题情况,确定边界条件,如温度、热流速度等求解微分方程利用导热微分方程并带入边界条件,求解得到温度分布等计算热传输参数根据温度分布计算热流率、对流换热系数等相关参数非稳态导热传热温度随时间变化1热量在固体内部不再保持不变,而是随时间持续变化热传导方程复杂2需要考虑时间因素导热微分方程的复杂度大大增加,初始条件关键3需要确定合适的初始温度分布才能进行计算分析,非稳态导热传热过程中温度在固体内部随时间持续变化不再保持恒定这种温度变化过程需要更加复杂的导热微分方程来描述必须明确,,,初始温度分布条件非稳态导热分析在实际工程应用中很重要如热处理、热储等过程,无限半空间的非稳态导热温度分布1无限半空间内的温度分布随时间和空间位置而变化初始时刻温度场为已知，随后随时间逐渐趋于稳定温度梯度2温度梯度也会随时间和空间位置而不断变化表面温度梯度决定了瞬时传热速率图Heisler3利用图可以方便地计算无限半空间内的温度分布Heisler图包含了温度分布的无因次解Heisler半无限固体的非稳态导热初始条件1固体表面温度与周围环境不同传热机制2由内部向外扩散的热量温度分布3随时间和空间坐标变化解析解4基于傅里叶定律和边界条件求得半无限固体的非稳态导热过程是指固体表面温度与周围环境不同时内部的热量由表面向内部扩散的过程这种传热过程可以用导热微分方程描述,,并根据边界条件求得温度随时间和空间坐标的分布解析解层流边界层导热流动状态边界层流动呈层流状态流线平滑有序相邻层之间无明显紊乱,,传热特点传热过程受粘性力和温度梯度影响发生在边界层内,热流密度热流密度与温度梯度成正比且沿垂直于壁面方向呈线性分布,湍流边界层导热湍流边界层结构湍流边界层热传输湍流边界层传热模型湍流边界层由内层和外层组成内层紧贴固湍流边界层中存在复杂的湍流扩散过程能采用经验公式如朗肯公式等可以计算湍流,,,体表面外层由湍流区域构成不同区域具够有效增强热量从固体表面到流体的传热边界层的对流传热系数并分析不同因素对,,,有不同的速度分布和温度分布特征提高对流传热系数传热的影响自然对流导热温差驱动应用广泛分析方法影响因素自然对流传热是由于温度差异自然对流传热广泛应用于许多分析自然对流传热过程需要考自然对流传热过程受多因素影导致的密度差异引起的流动推领域,如电子设备散热、取暖虑流体流动和温度场的耦合关响,如几何形状、表面粗糙度、动的传热过程温度越高的流系统、建筑物通风等它无需系,建立恰当的控制方程和边流体物性等优化设计需要针体会上升,而温度较低的流体外部动力驱动,结构简单,能耗界条件根据流动特性可分为对具体情况进行分析和计算会下沉,从而产生流动并传递较低层流和湍流两种模式热量强制对流导热流体推动导热广泛应用领域强制对流利用流体的流动来增强强制对流广泛应用于工业制冷、传热速率通过流体与物体表面的电子设备冷却、航天航空等领域,,热交换实现更高效的导热提高导热效率影响因素分析实验与理论分析流体速度、性质、表面几何形状通过实验测量和理论推导,可以得等因素对强制对流导热过程有重出强制对流导热的数学模型和计要影响,需要全面考虑算方法沸腾传热液气界面快速汽化热量高效传递-沸腾过程中液体与热表面接触气泡产生和分离过程中可以有,,,液体分子吸收热量后迅速汽化效传递大量热量使沸腾传热效,,产生大量气泡率远高于常规导热和对流换热影响因素复杂广泛应用领域沸腾传热受液体性质、表面特性、沸腾传热广泛应用于电子冷却、压力等多种因素影响需要复杂蒸汽锅炉、燃料电池等领域是,,的实验和理论分析一种高效的相变传热方式凝结传热相变过程中的热量传递影响因素12当气体冷却凝结成液体时,会释凝结传热受到表面性质、流动放出潜热这种相变过程中的状态、温度差等多种因素的影热量传递是凝结传热的基础响,需要综合考虑典型应用设计要点34凝结传热广泛应用于冷凝器、在设计时需要注意表面润湿性、蒸发器等换热设备中在制冷、流动状态、温差分布等以提高,,发电等工业领域发挥重要作用传热性能辐射传热辐射原理辐射热量计算辐射传热是通过电磁波传递热量辐射热量可以通过斯蒂芬-波尔兹的过程物体表面温度越高，其曼定律计算,考虑物体的辐射率和释放的辐射热量也越多温度差辐射传热效率辐射应用辐射传热效率受到物体表面性质、辐射传热广泛应用于工业炉窑、温度差和介质传播特性的影响散热器、太阳能热水系统等,是重表面涂层可以提高辐射效率要的传热机制之一複合传热多种传热方式复杂的传热过程在换热器中的应用复合传热是指热量在固体、液体和气体之间复合传热涉及多个传热机制的耦合,需要综换热器是复合传热的典型应用场景,热量在通过多种传热方式同时进行的过程包括导合分析各种传热模式的相互影响计算过程换热器内部通过多种传热方式同时进行传递,,,热、对流和辐射等这种传热过程在工程实更加复杂需要采用复合传热理论进行分析和计算践中非常常见换热器类型管壳式换热器板式换热器散热器与散热片设计简单，结构紧凑，适应性强广泛应用结构紧凑、易维护、传热效率高适用于有广泛应用于制冷、供热系统中,提高传热效于工业过程、动力装置等领域限空间、频繁清洗的场合率结构设计灵活,易于制造换热器传热分析热量传递分析热交换效率评估利用热传导、热对流和热辐射等传热机制对换热器内部的热量传递过程进行全面分析和描述根据换热器的几何结构和工作参数,计算热交换效率,优化换热性能123传热界面研究针对换热器内部流体与固体壁面、流体与流体之间的热量交换界面进行深入探讨管壳式换热器管壳式换热器是最常见的一种传热设备它由外壳和内部管束组成两种流体在,内外两个流道中进行热量交换通常外壳内流动的是一种介质内管流动的是另,一种介质合理的设计能有效提高换热效率管壳式换热器结构简单、制造容易、维修方便适用于各种工况条件广泛应用于,,工业生产、制冷、石油化工等领域它可提供大换热面积且可以承受较高压力,,是换热设备的首选之一板式换热器板式换热器采用相互独立的多个换热板组装而成具有换热面积大、,传热效率高、结构紧凑、使用灵活等优点广泛应用于化工、食品、制药等行业中的热交换过程换热板通过压紧的螺栓和垫圈组成密封结构方便拆卸和清洗,散热器与散热片散热器是用于改善设备热量传递的装置散热片是散热器中的一种主要组件具,有大表面积用于吸收和散发热量这些元件在电子设备、汽车和工业机械中广泛应用确保设备在高温环境下持续稳定运行,散热器和散热片的设计需要考虑热传导、对流和辐射的综合效果以实现最佳的,热量散发合理的材料选择、结构设计和制造工艺是提高散热性能的关键总结全面掌握传热及换热器知识增强工程实践能力夯实专业基础本课程系统地介绍了热量传递的基本概念、通过学习换热器的类型和传热分析,我们掌本课程涉及热力学、流体力学等基础学科导热定律、传热方式以及各种传热问题的握了换热设备的设计与优化技能,能够应用知识,对于我们后续学习更高深的专业课程分析方法对于不同的传热情况,我们学习于实际的工程项目中这将有助于提高我打下了坚实的基础掌握这些基础知识对了如何应用数学模型进行计算和设计们的工程实践能力于我们的职业发展至关重要。