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热传递与换热器技术

课程目标与学习要求理解热传递的基本概念和规律，掌握传热计算方法，并能运用这些知识解决实际问题。

课程大纲概述1热传递的基本概念2传热的三种基本方式3换热器类型及特点4换热器设计方法5换热器性能计算6换热强化技术概述7换热器结垢问题8换热器选型原则9换热器运行维护10工程实例分析11

热传递的基本概念热量热量是能量的一种形式，表示在热传递过程中转移的能量。温度温度是物体冷热程度的量度，反映了物体内部粒子的平均动能。热传递

传热的三种基本方式导热是指热量通过物体内部粒子间的相互作用而传递的方式。对流是指热量通过流体运动而传递的方式。

导热现象及其物理本质1分子热运动物质内部的分子处于不停的热运动状态。2能量传递高温物体分子动能较大，通过碰撞将能量传递给低温物体分子。3温度梯度热量传递需要存在温度差，即温度梯度。

傅里叶导热定律傅里叶导热定律描述了导热速率与温度梯度之间的关系。其数学表达式为：q=-λ(dT/dx)，其中q为导热速率，λ为导热系数，dT/dx为温度梯度。

热传导系数及其影响因素热传导系数是物质的特性参数，反映了物质导热能力的强弱。热传导系数受物质种类、温度、压力等因素影响。

一维稳态导热的基本方程一维稳态导热是指热量沿一个方向传递，且热量传递速率不随时间变化。其基本方程为：d^2T/dx^2=0，其中T为温度，x为坐标。

平壁导热计算1建立模型将平壁简化为一个导热方向一致的均匀体。2确定边界条件确定两侧壁面的温度或热流量。3求解方程根据边界条件，利用傅里叶定律求解温度分布和热流量。

圆筒壁导热计算圆筒壁导热与平壁导热类似，但需要考虑径向温度变化。利用圆柱坐标系建立数学模型，并求解温度分布和热流量。圆筒壁导热计算常用于管道、容器等圆形结构的热量传递分析。

多层复合壁导热层间温度多层复合壁中，每层壁面温度不同。1热阻叠加每层壁面的热阻串联叠加，影响总热阻。2热流量相等所有层面的热流量相等，但温度分布不均匀。3

临界绝热厚度临界绝热厚度是指在一定条件下，能够使导热热损失最小的绝热层厚度。对于圆形管道，临界绝热厚度可根据材料的热传导系数和周围环境温度计算。

导热的数值解法当导热问题不能用解析方法求解时，可以采用数值解法，例如有限差分法、有限元法等。这些方法将求解域离散化，利用数值计算方法求解温度分布和热流量。

对流换热的物理机制1流体运动流体运动是热量传递的主要驱动力。2边界层流体与壁面之间形成的薄层，受粘性和热量交换的影响。3热量传递流体边界层内的热量传递方式为导热和对流。

边界层理论基础边界层理论是理解对流换热的重要基础。它将流体运动分为粘性边界层和非粘性流体区域。边界层内流体受粘性力的影响，速度梯度和温度梯度较大，导致热量传递速率较高。

对流换热的控制方程对流换热的控制方程是描述流体运动和热量传递的数学模型，包括连续性方程、动量方程和能量方程。这些方程通常是偏微分方程，需要采用数值方法求解。

对流换热的相似准则对流换热的相似准则是用来判断不同流体或不同几何形状下的对流换热情况是否相似的标准。常用的相似准则包括努塞尔数、雷诺数、普朗特数等。

强制对流换热基础强制对流是指流体运动由外力驱动，如风机、水泵等。强制对流换热广泛应用于各种工业设备，例如冷却器、加热器、反应器等。

层流与湍流的特征层流流体流动平稳有序，流体层之间相互滑动，没有明显的混合。湍流流体流动混乱无序，流体层之间剧烈混合，传热效率更高。

管内层流换热管内层流换热是指流体在管道内以层流状态流动时的热量传递过程。层流状态下，热量传递主要依靠导热，传热效率相对较低。

管内湍流换热管内湍流换热是指流体在管道内以湍流状态流动时的热量传递过程。湍流状态下，流体层之间剧烈混合，热量传递效率更高。

外掠平板换热外掠平板换热是指流体流过平板表面时的热量传递过程。外掠平板换热的传热效率受流体速度、平板长度、平板表面性质等因素影响。

外掠圆管换热外掠圆管换热是指流体流过圆管表面时的热量传递过程。外掠圆管换热的传热效率受流体速度、圆管直径、圆管表面性质等因素影响。

自然对流换热原理自然对流是指流体运动由温度差引起的密度差驱动。例如，热空气比冷空气密度小，热空气会向上流动，而冷空气会向下流动，形成自然对流。

垂直平板自然对流垂直平板自然对流是指流体流过垂直平板表面时的热量传递过程，受平板温度、环境温度、流体性质等因素影响。

水平管自然对流水平管自然对流是指流体流过水平管道表面时的热量传递过程，受管道温度、环境温度、流体性质等因素影响。

相变换热基础相变换热是指热量传递过程中伴随着物质的相变。例如，水沸腾时，液态水变成气态水蒸气，伴随着相变过程。

沸腾换热机理沸腾换热是指液态物质在加热表面上汽化的过程。沸腾换热过程中，热量传递速率较高，因为气泡的形成和移动会增强流体