中药制剂工艺第07章传热

1、2021-10-15第七章第七章 传热传热Heat TransferHeat Transfer1中药制剂工艺设备与应用2&第一节概述第一节概述(Introduction)(Introduction)&第二节热传导第二节热传导(Thermal conduction)(Thermal conduction)&第四节传热计算第四节传热计算 (Heater transfer calculations)(Heater transfer calculations)&第三节对流传热第三节对流传热(Thermal convection)(Thermal convection)&第五节换热器第五节换热器 (He

2、ater exchanger)(Heater exchanger)目目 录录(CONTENTS)(CONTENTS)中药制剂工艺设备与应用3一、传热一、传热高温高温 低温低温由于温度差而引起的能量转移过程由于温度差而引起的能量转移过程方向：方向：推动力：推动力： 温度差温度差二、传热的应用二、传热的应用三、传热的要求三、传热的要求l强化强化(enhance) l削弱削弱(weaken)l化学反应化学反应(chemical reaction) l分离分离(separation) 第一节 概述中药制剂工艺设备与应用4四、传热方式四、传热方式1.1.热传导热传导(Thermal conduction

3、)仅借分子、原子和自由电仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而子等微观粒子的热运动而引起的热量传递引起的热量传递 气体：气体：分子不规则运动分子不规则运动液体：液体：原子、分子等在平衡位置的振动原子、分子等在平衡位置的振动金属固体：金属固体：自由电子的运动自由电子的运动 机理机理中药制剂工艺设备与应用52.2.热对流热对流(Thermal convection)流体流体各部分之间发生相对位各部分之间发生相对位移而产生的热量传递移而产生的热量传递 l自然对流自然对流: :温度差温度差密度差密度差相对位移相对位移l强制对流强制对流: :外力作用外力作用中药制剂工艺设备与应用63.热辐射热辐射

4、(Thermal radiation)因热而产生的电磁波在空间的能量传递过程 特点：特点：不需要介质，在真空中也可以传递不需要介质，在真空中也可以传递传热的同时发生能量转换传热的同时发生能量转换只有温度很高时才以热辐射形式传热只有温度很高时才以热辐射形式传热4)100T(E Stefan-Boltzmann law 四次方定律中药制剂工艺设备与应用7对流传热（给热）对流传热（给热）热量在热量在流体与固体流体与固体之间传之间传递的过程递的过程 热对流：热对流： 流体主体流体主体热传导：热传导： 滞留内层、固体器壁滞留内层、固体器壁中药制剂工艺设备与应用8四、典型传热设备四、典型传热设备1.间壁式

5、换热器中的传热过程间壁式换热器中的传热过程(Interval-wall heat exchanger)间壁QT11t2t对流对流传导ST1对流传热对流传热对流传热对流传热三个传热过程串联三个传热过程串联热流体热流体(加热剂加热剂,热载热体热载热体)传热壁面传热壁面 冷流体冷流体(冷却剂冷却剂,冷载热体冷载热体)中药制剂工艺设备与应用92.套管换热器套管换热器(Double-pipe exchanger)LdSoo外传热面积：外传热面积： 内传热面积：内传热面积： LdSii 平均传热面积：平均传热面积： LdSmm 基准传热面积基准传热面积:中药制剂工艺设备与应用10中药制剂工艺设备与应用11

6、中药制剂工艺设备与应用123.列管式换热器列管式换热器(Tubular exchanger) dLnS 12345678910单程列管式换热器单程列管式换热器1、2、7、8-接管接管;3-管壳管壳;4-管束管束;5-管板管板;6、10-封头封头;9-折流板折流板基准面积基准面积管程流体管程流体 壳程流体壳程流体 中药制剂工艺设备与应用13中药制剂工艺设备与应用14中药制剂工艺设备与应用15五、传热速率与热通量五、传热速率与热通量1.传热速率传热速率Q:(Heat transfer rate)单位时间内在整个传热面积上传递的热量。W 2.热通量热通量q：(Heat transfer flux)单

7、位面积的传热速率。W /m2dAdQq 3.传热三要素传热三要素：mtKSQ 总传热系数总传热系数总传热面积总传热面积平均温差平均温差中药制剂工艺设备与应用16第二节第二节 热传导热传导 Thermal conductionThermal conduction一、基本概念一、基本概念二、平壁的稳态热传导二、平壁的稳态热传导三、圆筒壁热传导三、圆筒壁热传导中药制剂工艺设备与应用17一、基本概念一、基本概念1.1.温度场温度场(temperature field)：),(zyxft 非稳态非稳态: :(steady-state)稳态：稳态：(unsteady-state),(zyxft 0,t2.

8、2.等温面等温面(isothermal surface)等温面互不相交，等温面互不相交，等温面上没有热量传递等温面上没有热量传递 各点温度分布的总和同一时刻温度场中相同温度各点所组成的面中药制剂工艺设备与应用183.3.温度梯度温度梯度: :(temperature gradient)ntnttn lim grad0若为稳态一维温度场：若为稳态一维温度场：xttdd grad 沿等温面法线方向的温度变化率t两等温面温差 n两面间垂直距离 中药制剂工艺设备与应用195 5、导热系数、导热系数：K)(mWC)(mW,)(ddo 或或ntSQ 4 4、傅立叶定律：、傅立叶定律： (Fouriers

9、law)ntSQ ddntSQ dd 热传导时,其传热速率与温度梯度及传热面积成正比 表示物质导热能力的大小1)物理意义物理意义 中药制剂工艺设备与应用202)影响因素影响因素 物质种类物质种类气气体体液液体体非非金金属属金金属属 C)(mW1010:o21金属C)(mW110:o2 非金属C)(mW010:o1液体C)(mW1010:o13气体 温度温度)1(Co0at 金属材料和液体： 非金属材料和气体： 0 a ,t0 a ,t中药制剂工艺设备与应用211.1.单层平壁：单层平壁：二、平壁的稳态热传导二、平壁的稳态热传导近似稳态一维传热近似稳态一维传热xtSQdd bttxSQt0dd2

10、1 bSQtt 21平均温度下导热系数中药制剂工艺设备与应用22SbttQ 21 RtbttSQq 21或或阻阻力力推推动动力力 导热导热热阻热阻WCoRWCmo2 RRt 中药制剂工艺设备与应用23例例:平壁平壁S=20m2,b=0.37m,t1=1650oC,t2=300oC,材料材料导热系数导热系数 =0.815+0.00076t(t:oC， :W/(m oC)。试。试求求平壁平壁Q、q和和t分布。分布。 解解: :C9752)(o21 tttmC)W/(m556. 197500076. 0815. 0o )(21ttSbQ W510135. 1)3001650(2037. 0556.

11、1 25/56772010135. 1mWSQq 中药制剂工艺设备与应用24)(1ttxq 又又xqxtt364916501 中药制剂工艺设备与应用252.2.多层平壁稳态热传导：多层平壁稳态热传导：321QQQQ1)1)三层：三层：SbttSbttSbttQ334322321121)()()(32141332211321RRRttSbSbSbtttQ阻阻力力推推动动力力 SbQt111SbQt222SbQt333中药制剂工艺设备与应用262)n2)n层平板：层平板： niiinSbttQ111 总热阻总热阻总推动力总推动力 Rt可以计算中间壁面的温度,如 Qt ,t 41求得求得已知已知 Q

12、R-tt112 QR-tt 223 热阻越大热阻越大(保温性能越好保温性能越好)，温度差越大，温度差越大 中药制剂工艺设备与应用27例：燃烧炉最内层耐火砖例：燃烧炉最内层耐火砖b b1 1=150mm,=150mm,中间层绝热砖中间层绝热砖b b2 2=290mm,=290mm,最外层普通砖最外层普通砖b b2 2=228mm=228mm。已知。已知t t1 1=1016=1016o oC C, ,t t4 4=34=34o oC C，求，求t t2 2和和t t3 3。设各层接触良好。设各层接触良好。 1 1=1.05W/(m=1.05W/(m o oC),C), 2 2=0.15W/(m=

13、0.15W/(m o oC),C), 3 3=0.81W/(m=0.81W/(m o oC) C) 33221141 bbbttSQq 2W/m5 .4162815. 0933. 11429. 0341016 C5 .595 .4161429. 0o1 tC1 .805o2 tC4 .117o3 tC5 .956o2 tC4 .151o3 t解解: :中药制剂工艺设备与应用28材料材料 ，W/moCR ，m2 oC/W t，oC耐火砖耐火砖1.050.142959.5绝热砖绝热砖0.151.933805.1普通砖普通砖0.810.2815117.4中药制剂工艺设备与应用291.1.单层圆筒：单

14、层圆筒：三、圆筒壁热传导三、圆筒壁热传导rtrLrtSQdd)2(dd 2121d2dttrrtLrrQ )(2ln2112ttLrrQ 1221ln)(2rrttLQ 中药制剂工艺设备与应用30)(2ln)()(12121221rrLrrrrttQ 1221ln)(2rrttLQm1212ln)(rrrrr 令令mLrrrttQ21)()(1221 m21)(SbttQ 2)(,221m12rrrrr 若若中药制剂工艺设备与应用312.2.多层圆筒：多层圆筒：稳态时稳态时, ,各层各层Q相等相等,但但q不等不等321QQQQ 23321221ln)(2ln)(2rrttLrrttLQ 344

15、3ln)(2rrttL 中药制剂工艺设备与应用32 n111n1ln1)(2iiiirrttLQ 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ 推广到推广到n n层层中药制剂工艺设备与应用33例例: :蒸气管外径蒸气管外径140mm,140mm,外壁温度外壁温度390390o oC;C;保温层外表温保温层外表温度不大于度不大于4040o oC,C, =0.1+0.0002=0.1+0.0002t t(t:(t:o oC C， :W/(m:W/(m o oC)C)。要求要求Q/ /L 450W/m,450W/m,求保温层厚度和其内温度分布。求保温层厚度和其内温度分布。 解：

16、解：C)W/(m143. 02403900002. 01 . 0o QttLrr)(2ln2112 平均温度下：平均温度下：(1)(1)1221ln)(2rrttLQ 中药制剂工艺设备与应用34m141. 02 rm071. 007. 0141. 012 rrb(2)(2)07. 0ln450)40390(143. 02ln2 r)()(2ln11LQttrr 450)390(143. 0207. 0lntr 942)(ln501 rt( (曲线曲线) )中药制剂工艺设备与应用35第三节第三节 对流传热对流传热Thermal convectionThermal convection一、过程分析

17、一、过程分析二、对流传热速率方程二、对流传热速率方程三、对流传热系数三、对流传热系数(Convection heat transfer coefficent)中药制剂工艺设备与应用36层流内层区：1.各层传热方式各层传热方式 湍流区：过渡区：热对流为主热传导为主热传导+热对流 传热壁热流体冷流体TTWtWt温度层流内层AAA - A截面上的温度分布一、过程分析一、过程分析中药制剂工艺设备与应用372.在在AA截面处的温度分布截面处的温度分布层流内层区：温差大，热阻大 湍流区：温度均匀，没有热阻， 过渡区: 有一定温差, 有一定热阻0R0,t较较小小较较小小 R,t 3.传热边界层传热边界层：温

18、度梯度存在的区域，厚度用t 表示大大 R,t传热壁热流体冷流体TTWtWt温度层流内层AAA - A截面上的温度分布t 传热壁热流体冷流体TTWtWt温度层流内层AAA - A截面上的温度分布中药制剂工艺设备与应用382）热流体湍流主体温度热流体湍流主体温度T 过渡区、层流内层过渡区、层流内层层流内层、过渡区层流内层、过渡区1）冷、热流体分别沿间壁两侧平行流动时，传热方向与）冷、热流体分别沿间壁两侧平行流动时，传热方向与流动方向流动方向垂直垂直。壁面温度壁面温度tW冷流体主体温度冷流体主体温度t3)热流体侧推力：热流体侧推力： 冷流体侧推动力：冷流体侧推动力： wTT ttw 说明：说明：壁面

19、温度壁面温度TW热传导热传导中药制剂工艺设备与应用39二、对流传热速率方程二、对流传热速率方程令令ta tdSQ dowoSTTQd)(diwiSttQd)(d 局部对流传热系数W/(m2oC)ttdSdxdtdSQdSttd流体与壁面间的对流传热速率流体与壁面间的对流传热速率牛顿冷却定律牛顿冷却定律 (Newtons law of cooling)不同基准面中药制剂工艺设备与应用40taSQ 对整个换热面而言，如平均对流传热系数为对整个换热面而言，如平均对流传热系数为a, 则则omwoSTTQ)(imwiSttQ)( 平平均均对对流流传传热热系系数数总总传传热热面面积积平平均均温温差差中药制

20、剂工艺设备与应用41三、对流传热系数三、对流传热系数(Convection heat transfer coefficent)1.1.对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素与流体有关与流体有关对流情况：对流情况：自然对流自然对流强制对流强制对流aa 气气液液 相变情况：相变情况：无无相相变变相相变变aa 流动状况：流动状况： Re滞流底层薄滞流底层薄 a中药制剂工艺设备与应用42流体物性：流体物性：pc传热面形状、位置等传热面形状、位置等)1 (21t 体积膨胀系数中药制剂工艺设备与应用43), u,(lcfp2.2.对流传热系数的一般准数关联式对流传热系数的一般准数关联式),(rreu

21、GPRfN lNu 努塞尔准数努塞尔准数Nusselt number luRe 雷诺准数雷诺准数 Reynolds number流动状况流动状况 pcPr 普兰特准数普兰特准数Prandtl number流体物性流体物性格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数Grashof number自然对流自然对流223 tglGr l- -传热面的特征尺寸，传热面的特征尺寸，管内径，外径或平板高度管内径，外径或平板高度中药制剂工艺设备与应用44F无相变自然对流传热：无相变自然对流传热：)(Pr,GrfNu F无相变强制对流传热：无相变强制对流传热：)(Re,PrfNu kaPrcReNu nGrPrcNu)( 中药

22、制剂工艺设备与应用45G定性温度：用于确定物性用于确定物性三种三种方法方法 2)(21ttt 定定平均平均定定)(wtt 2)(tttw 定定膜温膜温A特征尺寸lB适用范围pc,准数关联式应用注意事项准数关联式应用注意事项中药制剂工艺设备与应用46典型状况下的对流传热系数典型状况下的对流传热系数中药制剂工艺设备与应用473.3.流体无相变时的对流传热系数流体无相变时的对流传热系数(1)(1)管内强制对流管内强制对流 层流层流湍流湍流过渡区过渡区2300Re 10000Re 10000Re2300中药制剂工艺设备与应用48圆管内强制湍流：圆管内强制湍流：l低粘度流体：低粘度流体：nPrRe.Nu

23、8 . 00230 niiPrRed8 . 0023. 0 即：即：被加热：被加热：4 . 0 n被冷却：被冷却：3 . 0 nsPa 3102 l特征尺寸特征尺寸2)(21ttt定定性温度定性温度;idl 中药制剂工艺设备与应用49 的强化的强化 若若t1，t2，T1，T2， 一定，一定， pc niiPrRed8 . 0023. 0 8 . 0221112 ududdd8 . 0212 . 012 uudd8 . 0211221ReRe dd 适用：适用：,104 Re1207 . 0 Pr;60 idL且且,60 idL若若需乘需乘)(17 . 0Ldi 中药制剂工艺设备与应用50;)(

24、)(8 . 0218 . 02121VVuu 若若 不变不变, , ,则则21dd 8 . 0212 . 01221 uudd 若若 不变不变, ,则则idV8 . 1216 . 1122 . 012 dddddd中药制剂工艺设备与应用51l高粘度流体：高粘度流体：14. 03/18 . 0027. 0wPrReNu适用：适用：sPa 3102 14. 0w液体被加热液体被加热,1.05,1.05液体被冷却液体被冷却,0.95,0.95气体时气体时, 1.0, 1.0,104Re特征尺寸特征尺寸w 的定性温度取壁温；的定性温度取壁温；2)(21ttt定定性温度定性温度;idl ,16700Pr

25、7 . 0中药制剂工艺设备与应用52圆管内强制过渡流：圆管内强制过渡流：)102300(4 Re8 . 151061Ref f 湍湍流流过过渡渡流流 圆管内强制层流：圆管内强制层流：14. 03/13/13/186. 1 wiLdPrReNu w ：壁温；：壁温； 适用：适用：,2300 Re,67006 . 0 Pr。10 LdRePri4105 . 2 Gr自然对流可忽略自然对流可忽略中药制剂工艺设备与应用53弯管内强制对流：弯管内强制对流：非圆管内强制对流：非圆管内强制对流：)77. 11(Rdi 直管时直管时弯曲半径弯曲半径传热传热流动流动eded 或或替代替代 id中药制剂工艺设备与

26、应用54传热传热ed 传热周边传热周边流道截面积流道截面积 4edooiddD )(4422 流动流动ed润湿周边润湿周边流道截面积流道截面积 4edoioioidDdDdD )()(4422 中药制剂工艺设备与应用55例：在例：在101.3kPa、50oC下，下，Vh=90m3/h的空气进入的空气进入套管换热器内管套管换热器内管,t2=150oC,内管内管 57 3.5mm,L=6m。求求 i。解：解：C100215050o 定定tC)(mW1021. 37 . 0698. 0PrsPa1019. 2o25m/s74.1205. 014. 33600904422 isdVu 3kg/m094

27、. 1 中药制剂工艺设备与应用56445101018. 31019. 2094. 174.1205. 0 udRei12005. 06 idL又又 4 . 08 . 0023. 0PrRedii C)(mW85.50o2 ( (湍流湍流) )中药制剂工艺设备与应用57(2)(2)管外强制对流：管外强制对流：管外沿传热面平行流动：管外沿传热面平行流动：id管内流动管内流动流通截面流通截面当量直径当量直径 替换为替换为流体垂直流过管束：流体垂直流过管束：4 . 0PrRenCNu 关联式中常数取值见下表中药制剂工艺设备与应用58管排管排数数直列直列错列错列Cn n 10.60.1710.60.17

28、1当当 123时，时，当当 3时，时，C=1.320.650.1570.60.22830.650.1570.60.29040.650.1570.60.290 niiniiinnnAAAAAAAA11212211 odx1odxC11 . 01 odx1中药制剂工艺设备与应用59适用：适用：43107105 Re特征尺寸特征尺寸odl 最最窄窄处处uu 52 . 11 odx52 . 12 odx特征流速为最狭处特征流速为最狭处 (x1-do)及及2(t-do)中的较小者中的较小者 中药制剂工艺设备与应用60在有折流板的换热器的管间流动在有折流板的换热器的管间流动l 圆缺型折流挡圆缺型折流挡板板

29、中药制剂工艺设备与应用61l 圆盘型折流挡板圆盘型折流挡板中药制剂工艺设备与应用62传热当量直径凯恩法：凯恩法：适用：适用：6310102 Re 外外, ,w 2)(出出进进定定ttt 14. 03/155. 036. 0 wPrReNu 特征尺寸：特征尺寸： edl tdhDAo 1特征流速特征流速中药制剂工艺设备与应用63ooeddtd 2244ooeddtd 224234列管不同排布时的传热当量直径列管不同排布时的传热当量直径中药制剂工艺设备与应用64(3)(3)大空间自然对流传热：大空间自然对流传热： nGrCNuPr 壁面形状壁面形状Gr PrCn水平圆管水平圆管(d0.2m)110

30、41.091/51041090.531/410910120.131/3垂直管或板垂直管或板(L1m)脱离表面的速度 不稳定的气膜 Ct 25CD段 C点：临界点 DE段：稳态膜状沸腾 气膜稳定 不变中药制剂工艺设备与应用71B 求算及影响因素：求算及影响因素：一般取经验值,影响因素主要有: 温度差：温度差： 操作压强：操作压强：宜控制在泡核区；宜控制在泡核区；压强压强; a 液体物性：液体物性：, , , ; a 传热面：传热面： 粗糙粗糙(有极限有极限) ); a中药制剂工艺设备与应用72一、能量衡算一、能量衡算第四节第四节 传热计算传热计算Heat transfer calculation

31、二、总传热速率方程二、总传热速率方程三、总传热系数三、总传热系数四、平均温度差四、平均温度差中药制剂工艺设备与应用731.1.热负荷热负荷冷热流体在单位时间内所交换的热量,表征换热器的换热能力2.2.衡算式：衡算式：chQQ (1)焓差法焓差法 )H-(HWQh2h1hh )H-(HWQc1c2cc (2)比热、潜热法比热、潜热法 l 若流体只有温度变化，无相的变化l 若流体只有相变化，而无温度变化 l 既有相变化，又有温度变化 )TT(WcQ21WrQ )T-C(TWrQ21一、能量衡算一、能量衡算中药制剂工艺设备与应用743.热量衡算式的表示方法热量衡算式的表示方法 焓差法焓差法 )H-(

32、HW)H-(HWQc1c2ch2h1h 两流体均无相变，只有温度变化两流体均无相变，只有温度变化 )(W)(WQ12p21ttCTTCcchph 热流体有相变，而冷流体无相变热流体有相变，而冷流体无相变 )(WWQ12pttCrcch 热流体既有相变又有温变；冷流体只有温变热流体既有相变又有温变；冷流体只有温变 )(W)(WQ12p2ttCTTCrccshph 中药制剂工艺设备与应用75Wc=?t1=15T1=355KWh=2000kg/ht2=30T2=300K硝基苯解：解：)(W)(WQ12p21ttCTTCcchph K 3282300355T定性CkgkJ 591C ph /.查得Ck

33、gkJ 184C C22.523015tpc /.查得定性)()(W W12p21cttCTTCchph h/kg 279015)-(304.18300)-(35559. 12000 中药制剂工艺设备与应用76二、总传热速率方程二、总传热速率方程1.1.总传热速率微分方程：总传热速率微分方程：StKStTKQdd)(d 局部总传热系数，局部总传热系数，W/(mW/(m2 2 o oC)C)iiStTKQd)(d ooStTKQd)(d mmStTKQd)(d 不同基准面中药制剂工艺设备与应用772.2.总传热速率方程：总传热速率方程：mtKSQ 平均总传热系数，W/(m2oC)不同基准面：不同

34、基准面：mootSKQ miitSK mmmtSK oiioSSKK omommoddSSKK oidd 总热阻总热阻总推动力总推动力K1tSQm 中药制剂工艺设备与应用78三、总传热系数三、总传热系数冷热流体通过固体壁面的传热包括三个过程：冷热流体通过固体壁面的传热包括三个过程：热流体把热量传给管壁 通过管壁的热传导 管壁把热量传给冷流体 )(oo1mwTTSQ )t(bwm2mwTSQ mwii3 ) tt ( SQ 321QQQQ KS1tm稳态传热 00w1)T-(TSm mmSb )t(Tww iiS 1t)(tmwiimmSSbStT 11)(00 中药制剂工艺设备与应用79ioi

35、moooddddbK 111 iimSSbSKS 11100 间壁内侧流体热阻间壁内侧流体热阻 间壁热阻间壁热阻 间壁外侧流体热阻间壁外侧流体热阻 总热阻总热阻 (1) (1) 若传热面为圆筒壁若传热面为圆筒壁中药制剂工艺设备与应用80iiimiiiddddbK 11iimmmimddddbK 11(2) 若传热面很薄或者为平板壁时若传热面很薄或者为平板壁时imddd 0ibK 1110 中药制剂工艺设备与应用81(3)(3)污垢热阻污垢热阻ioiiosimosoooddddRddbRK 111 :sR(4)(4)当忽略管壁热阻及污垢热阻时当忽略管壁热阻及污垢热阻时iooK 111 ioioK

36、 11, 若若oooiK 11, 若若 内侧为控制热阻内侧为控制热阻外侧为控制热阻外侧为控制热阻中药制剂工艺设备与应用82(5)(5)K的确定的确定 经验值 实验测定m12pccmtS)t -(tCWtSQK中药制剂工艺设备与应用83例:252.5mm,i=40W/(m2oC),o=1500W/(m2oC)=45W/(m2oC),Rsi=510-4 m2oC/W,Rso=210-4 m2oC/W。(1)求Ko; (2)若忽略壁面及污垢热阻，将i提高一倍时的Ko；(3)若将o提高一倍时的Ko。ioiiosimosoooddddRddbRK 111 解：解：5 .2225450025. 01021

37、50014 202540120251054 CmW5 .30o2 oK(1)中药制剂工艺设备与应用84iiooddK0111 (2)若忽略壁面及污垢热阻0163. 002. 080025. 015001 i提高一倍时1280402 CmWi 123 .61 CmWKoiiooddK0111 0316. 002. 040025. 030001 (3)o提高一倍时12300015002 CmWo 126 .31 CmWKo中药制剂工艺设备与应用85结论结论: : 总传热系数小于任一侧流体的对流传热系数， 总接近于热阻较大即对流传热系数较小的流体侧的对流传热系数。欲提高K值，必须对影响K值的各项进行

38、分析，设法提高热阻大一侧的值，才能显著提高K值。 中药制剂工艺设备与应用86四、平均温度差四、平均温度差1.1.恒温传热：恒温传热：tTtm 2.2.变温传热：变温传热：1)1)逆流逆流: :tcWTcWQpccphhddd constcWTQphh dd constcWtQpcc dd中药制剂工艺设备与应用87kmQT kQmt ) () (kkQmmtTt QdQd12t-tt 斜斜率率QdKd12t-tStt dSQdK12t-ttt1 中药制剂工艺设备与应用88 SdSQdK0122t1tt-ttt1SQK 1212t-tttln1mtKSKSQ 1212ttlnt-t对数平均温度差对

39、数平均温度差 1212ttlnt-t mt中药制剂工艺设备与应用89讨论：讨论： 式中为同一端处冷热流体的温度差 1t 2t l (1)并流：公式亦适用 若2/12 tt221tttm 也适用于间壁一侧恒温，一侧变温的情况， 并并逆逆tt 中药制剂工艺设备与应用90CCToo7090 CCtoo2060 逆流：逆流：CCToo7090 并流：并流：CCtoo6020 CCtoo5030 CCtoo1070 Ctmo2 .393050ln3050 Ctmo8 .301070ln1070 4025030221 tttm4027010221 tttm中药制剂工艺设备与应用91 公式也适用于牛顿冷却定

40、律中T、t 计算热流体冷流体T1T21wT2wT2wt1wtmwoo) tt ( SQ m)( wiiTTSQ 11221122mln)()()(wwwwwTTTTTTTTTT 11221122mln)()()(ttttttttttwwwww 中药制剂工艺设备与应用92解：解：例:水冷却某有机液体的单程列管换热器,传热面积20m2。质量流量4000kg/h，要求从150降至60。已知水流量3000kg/h，进口温度25。K=120W/(m2oC)。 Ckg/kJ 69. 1Cph Ckg/kJ 18. 4Cpc (1)该换热器是否可行？(2)传热面积该多大才满足要求？(3)仍用该换热器，水流量

41、该用多少？假设K不变。(1)(1)(W)(WQ12p21ttCTTCcchph 1p212W)(WtCTTCtcchph C 5 .732518. 43000)60150(69. 14000中药制剂工艺设备与应用93该换热器不能满足需要该换热器不能满足需要kWTTChph169)60150(69. 136004000)(WQ21 需需要要53 6.57 25 73.5t 60 150 TC53355 .76ln355 .76ln1212 tttttm需需要要实实际际QkW 2 .1275320120tSKQmoo2moo6 .26531201000169tKQSm (2)(2)中药制剂工艺设备

42、与应用94(3)(3)mootSKQ 53 t-501 25 t t 60 150 T224 .7035150ln11535150ln351502222 tttttmCt 302)(W)(W12p21ttCTTCcchph 4 .70201201000169 oomSKQthkgc/29110W 中药制剂工艺设备与应用952)2)错流和折流时的错流和折流时的 mt逆逆mtmtt )(RPft 与冷热流体的温度变化有关与冷热流体的温度变化有关 1112tTttP 两两流流体体最最初初温温度度差差冷冷流流体体的的温温升升1221ttTTR 冷冷流流体体的的温温升升热热流流体体的的温温降降中药制剂工

43、艺设备与应用961)1)逆流优于并流；逆流优于并流；3.3.流向选择流向选择mt 最大 节省传热面积 mt KQS传热量Q及K相同 Wh、Wc 减少减少 )T-(TCQW21phch T2 ，Wh 中药制剂工艺设备与应用972)2)并流适用：并流适用：加热高粘度流体；有温度限制的操作:。热敏性物质：出口温度t2需要控制 过冷结晶：出口温度T2需要控制 3)3)错流和折流错流和折流提高总传热系数K 中药制剂工艺设备与应用984)4)讨论：讨论：1 t 同同(P,R)(P,R)下下, ,壳程增加，壳程增加， ； t 逆流的逆流的 最大最大mt 确保确保 , 8 . 0 t 否则应增加壳程或多器串联

44、。否则应增加壳程或多器串联。兼顾兼顾K K值和流阻；值和流阻； 并流的并流的 最小最小mt 中药制剂工艺设备与应用99第五节第五节 换热器换热器Heat exchangerHeat exchanger一、换热器类型一、换热器类型二、传热强化途径二、传热强化途径中药制剂工艺设备与应用100（一）（一）间壁式换热器间壁式换热器( (Interval-wall heat exchanger):1.1.夹套式夹套式: :(jacket exchanger)用途: 反应过程的传热结构: 壁外设夹套J优点: 结构简单L缺点: S及K小一一 、换热器类型、换热器类型中药制剂工艺设备与应用1012.2.蛇管式

45、：蛇管式：(Coil exchanger) 沉浸型：沉浸型：( immersed coil exchanger)用途: 器内,高压,腐蚀场合结构: 金属管绕制J优点: 防腐,耐压,可内置 L缺点: o及K小,难清洗中药制剂工艺设备与应用102 喷淋型：喷淋型：( spray heat exchanger)用途: 冷却管内热流体L缺点: 喷淋不易均匀 结构: 将蛇管成排固定J优点: 效果好,易检修中药制剂工艺设备与应用1033.3.套管型：套管型：(double-pipe exchanger)中药制剂工艺设备与应用104用途用途: S不大不大,压力高场合压力高场合结构结构: 同心套管串接同心套管

46、串接J优点优点: S可调可调,耐压耐压,K大大L缺点缺点: S/L小小, 易漏易漏,难清洗难清洗中药制剂工艺设备与应用1054.4.列管换热器列管换热器( (tubular exchanger)用途用途: 壳方清洁壳方清洁,压力不高压力不高J优点优点: 成本低成本低L缺点缺点: 壳程难洗壳程难洗,结构结构: 常备膨胀节常备膨胀节t 限制限制1)1)固定管板式：固定管板式：(Fixed-tube-sheet exchanger)中药制剂工艺设备与应用106用途用途: 管方清洁管方清洁J优点优点: 适高温高压适高温高压L缺点缺点: 管程难洗管程难洗,管板利用率低管板利用率低结构结构: 管子成管子成

47、U型型2)U2)U型管式：型管式：(U-bend exchanger)中药制剂工艺设备与应用107用途用途: 较广泛较广泛J优点优点: 热补偿好热补偿好,易洗易修易洗易修L缺点缺点: 成本高成本高结构结构: 一管板自由一管板自由3)3)浮头式：浮头式：(floating head exchanger)中药制剂工艺设备与应用1084)4)设计问题：设计问题：l 流径的选择：流径的选择：管程管程 腐蚀性腐蚀性; ;不清洁不清洁; ;易结垢易结垢; ;有毒有毒; ;高压流体高压流体; ;需增大需增大 的流体。的流体。壳程壳程 热蒸汽热蒸汽; ;被冷却的流体被冷却的流体;大黏度、小流量流体大黏度、小流

48、量流体; ; 大的大的流体。流体。中药制剂工艺设备与应用109l 流速的确定：流速的确定：流速流速流阻流阻 sR, oror K 管数管数 管长管长 程数程数 mt l 传热介质的终温：传热介质的终温：冷却水冷却水终温终温传热面积传热面积 水量水量 C105)(o12 tt中药制剂工艺设备与应用110l 列管规格和排列：列管规格和排列：规格：规格：mm5 . 225 和和mm219 管长管长、2mm、5 . 1和和36( (管长管长/ /壳径壳径)=4)=46 6 排列排列 等边三角形：等边三角形：正方形直列：正方形直列：正方形错列：正方形错列：管板强度高管板强度高, , 大大,排管多排管多介于中间介于中间易清洗易清洗, , 小小管距管距odt25. 1 焊接法：焊接法： odt)5 . 13 . 1( 胀管法：胀管法：且且mm6 odt中药制剂工艺设备与应用111中药制剂工艺设备与应用112l 管程和壳程数：管程和壳程数：管程数管程数 流速流速 流阻流阻 mt、2、1(、4)6当当8 . 0 t , ,需多壳程。需多壳程。l 折流挡板：折流挡板：型式：圆缺型、圆盘型型式：圆缺型、圆盘型板距板距 ：Dh)12 . 0( h外壳内径外