中药制剂工艺--第07章传热PPT课件

1、1第一节概述(Introduction)第二节热传导(Thermal conduction)第四节传热计算 (Heater transfer calculations)第三节对流传热(Thermal convection)第五节换热器 (Heater exchanger)目 录(CONTENTS)2一、传热高温 低温由于温度差而引起的能量转移过程方向：推动力：温度差二、传热的应用三、传热的要求强化(enhance) 削弱(weaken)化学反应(chemical reaction) 分离(separation) 第一节 概述3四、传热方式1.热传导(Thermal conduction)仅借分

2、子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递 气体：分子不规则运动液体：原子、分子等在平衡位置的振动金属固体：自由电子的运动 机理42.热对流(Thermal convection)流体各部分之间发生相对位移而产生的热量传递 自然对流:温度差密度差相对位移强制对流:外力作用53.热辐射(Thermal radiation)因热而产生的电磁波在空间的能量传递过程 特点：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只有温度很高时才以热辐射形式传热Stefan-Boltzmann law 四次方定律62.套管换热器(Double-pipe exchanger)外传热面积： 内传热面积

3、： 平均传热面积： 基准传热面积:910113.列管式换热器(Tubular exchanger) 单程列管式换热器1、2、7、8-接管;3-管壳;4-管束;5-管板;6、10-封头;9-折流板基准面积管程流体 壳程流体 121314五、传热速率与热通量1.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q：(Heat transfer flux)单位面积的传热速率。W /m23.传热三要素：总传热系数总传热面积平均温差15第二节 热传导 Thermal conduction一、基本概念二、平壁的稳态热传导三、圆筒壁热传导16一、基本概念

4、1.温度场(temperature field)：非稳态:(steady-state)稳态：(unsteady-state)2.等温面(isothermal surface)等温面互不相交，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BACK173.温度梯度:(temperature gradient)若为稳态一维温度场：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 185、导热系数：4、傅立叶定律： (Fouriers law)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 192)影响因素物质种类温度金属

5、材料和液体： 非金属材料和气体： 201.单层平壁：二、平壁的稳态热传导近似稳态一维传热平均温度下导热系数BACK21导热热阻22例:平壁S=20m2,b=0.37m,t1=1650oC,t2=300oC,材料导热系数=0.815+0.00076t(t:oC，:W/(moC)。试求平壁Q、q和t分布。 解:23242.多层平壁稳态热传导：1)三层：252)n层平板：可以计算中间壁面的温度,如 热阻越大(保温性能越好)，温度差越大 26例：燃烧炉最内层耐火砖b1=150mm,中间层绝热砖b2=290mm,最外层普通砖b2=228mm。已知t1=1016oC,t4=34oC，求t2和t3。设各层接

6、触良好。 1=1.05W/(moC),2=0.15W/(moC),3=0.81W/(moC) 解:27材料，W/moCR，m2 oC/Wt，oC耐火砖1.050.142959.5绝热砖0.151.933805.1普通砖0.810.2815117.4281.单层圆筒：三、圆筒壁热传导BACK29令若302.多层圆筒：稳态时,各层Q相等,但q不等31推广到n层32例:蒸气管外径140mm,外壁温度390oC;保温层外表温度不大于40oC,=0.1+0.0002t(t:oC，:W/(moC)。要求Q/L450W/m,求保温层厚度和其内温度分布。 解：平均温度下：(1)33(2)(曲线)34第三节 对

7、流传热Thermal convection一、过程分析二、对流传热速率方程三、对流传热系数(Convection heat transfer coefficent)35层流内层区：1.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 一、过程分析BACK362.在AA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3.传热边界层：温度梯度存在的区域，厚度用t 表示t 372）热流体湍流主体温度T 过渡区、层流内层层流内层、过渡区1）冷、热流体分别沿间壁两侧平行流动时，传热方向与流动方向垂直。壁面温度tW冷流体主体温度t

8、3)热流体侧推力： 冷流体侧推动力： 说明：壁面温度TW热传导38二、对流传热速率方程令局部对流传热系数W/(m2oC)流体与壁面间的对流传热速率牛顿冷却定律 (Newtons law of cooling)不同基准面BACK39对整个换热面而言，如平均对流传热系数为a, 则平均对流传热系数总传热面积平均温差40三、对流传热系数(Convection heat transfer coefficent)1.对流传热系数的影响因素与流体有关对流情况：相变情况：流动状况：滞流底层薄BACK41流体物性：传热面形状、位置等体积膨胀系数422.对流传热系数的一般准数关联式努塞尔准数Nusselt num

9、ber雷诺准数 Reynolds number流动状况普兰特准数Prandtl number流体物性格拉斯霍夫准数Grashof number自然对流l-传热面的特征尺寸，管内径，外径或平板高度43无相变自然对流传热：无相变强制对流传热：44定性温度：用于确定物性三种方法膜温特征尺寸l适用范围准数关联式应用注意事项45典型状况下的对流传热系数463.流体无相变时的对流传热系数(1)管内强制对流层流湍流过渡区47圆管内强制湍流：低粘度流体：即：被加热：被冷却：特征尺寸定性温度48 的强化若t1，t2，T1，T2， 一定，适用：且若需乘49 若 不变, ,则 若 不变,则50高粘度流体：适用：液体

10、被加热,1.05液体被冷却,0.95气体时, 1.0特征尺寸的定性温度取壁温；定性温度51圆管内强制过渡流：圆管内强制层流：壁温； 适用：自然对流可忽略52弯管内强制对流：非圆管内强制对流：直管时弯曲半径传热流动或替代53传热流动54例：在101.3kPa、50oC下，Vh=90m3/h的空气进入套管换热器内管,t2=150oC,内管573.5mm,L=6m。求i。解：55又(湍流)56(2)管外强制对流：管外沿传热面平行流动：管内流动流通截面当量直径 替换为流体垂直流过管束：关联式中常数取值见下表57管排数直列错列Cnn10.60.1710.60.171当 123时，当 3时，C=1.320

11、.650.1570.60.22830.650.1570.60.29040.650.1570.60.29058适用：特征尺寸 特征流速为最狭处 (x1-do)及2(t-do)中的较小者 59在有折流板的换热器的管间流动圆缺型折流挡板60圆盘型折流挡板61传热当量直径凯恩法：适用： 外,特征尺寸： 特征流速62列管不同排布时的传热当量直径63(3)大空间自然对流传热：壁面形状GrPrCn水平圆管(d0.2m)11041.091/51041090.531/410910120.131/3垂直管或板(L1m)脱离表面的速度 不稳定的气膜 CD段 C点：临界点 DE段：稳态膜状沸腾 气膜稳定 不变70求算

12、及影响因素：一般取经验值,影响因素主要有:温度差：操作压强：宜控制在泡核区；压强液体物性：传热面：粗糙(有极限)71一、能量衡算第四节 传热计算Heat transfer calculation二、总传热速率方程三、总传热系数四、平均温度差721.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.衡算式：(1)焓差法 (2)比热、潜热法 若流体只有温度变化，无相的变化若流体只有相变化，而无温度变化 既有相变化，又有温度变化 一、能量衡算BACK733.热量衡算式的表示方法 焓差法 两流体均无相变，只有温度变化 热流体有相变，而冷流体无相变 热流体既有相变又有温变；冷流体只有温变

13、74解：75二、总传热速率方程1.总传热速率微分方程：局部总传热系数，W/(m2oC)不同基准面BACK762.总传热速率方程：平均总传热系数，W/(m2oC)不同基准面：77三、总传热系数冷热流体通过固体壁面的传热包括三个过程：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 稳态传热 BACK78间壁内侧流体热阻 间壁热阻 间壁外侧流体热阻 总热阻 (1) 若传热面为圆筒壁79(2) 若传热面很薄或者为平板壁时80(3)污垢热阻(4)当忽略管壁热阻及污垢热阻时内侧为控制热阻外侧为控制热阻81(5)K的确定经验值 实验测定82例:252.5mm,i=40W/(m2oC),o=15

14、00W/(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。解：(1)83(2)若忽略壁面及污垢热阻i提高一倍时(3)o提高一倍时84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值的各项进行分析，设法提高热阻大一侧的值，才能显著提高K值。 85四、平均温度差1.恒温传热：2.变温传热：1)逆流:BACK8687对数平均温度差 88讨论：式中为同一端处冷热流体的温度差

15、 (1)并流：公式亦适用若也适用于间壁一侧恒温，一侧变温的情况， 89逆流：并流：90公式也适用于牛顿冷却定律中T、t 计算91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)。 (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，水流量该用多少？假设K不变。(1)92该换热器不能满足需要(2)93(3)942)错流和折流时的 与冷热流体的温度变化有关 951)逆流优于并流；3.流向选择 最大 节省传热面积 传热量Q及K相同 Wh、Wc 减少

16、T2 ，Wh 962)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)错流和折流提高总传热系数K 974)讨论：同(P,R)下,壳程增加， ； 逆流的 最大确保 否则应增加壳程或多器串联。兼顾K值和流阻； 并流的 最小98第五节 换热器Heat exchanger一、换热器类型二、传热强化途径99（一）间壁式换热器(Interval-wall heat exchanger):1.夹套式:(jacket exchanger)用途: 反应过程的传热结构: 壁外设夹套优点: 结构简单缺点: S及K小一 、换热器类型1002.蛇管式：

17、(Coil exchanger)沉浸型：(immersed coil exchanger)用途: 器内,高压,腐蚀场合结构: 金属管绕制优点: 防腐,耐压,可内置 缺点: o及K小,难清洗101喷淋型：(spray heat exchanger)用途: 冷却管内热流体缺点: 喷淋不易均匀 结构: 将蛇管成排固定优点: 效果好,易检修1023.套管型：(double-pipe exchanger)103用途: S不大,压力高场合结构: 同心套管串接优点: S可调,耐压,K大缺点: S/L小, 易漏,难清洗1044.列管换热器(tubular exchanger)用途: 壳方清洁,压力不高优点:

18、成本低缺点: 壳程难洗,结构: 常备膨胀节限制1)固定管板式：(Fixed-tube-sheet exchanger)105用途: 管方清洁优点: 适高温高压缺点: 管程难洗,管板利用率低结构: 管子成U型2)U型管式：(U-bend exchanger)106用途: 较广泛优点: 热补偿好,易洗易修缺点: 成本高结构: 一管板自由3)浮头式：(floating head exchanger)1074)设计问题：流径的选择：管程腐蚀性;不清洁;易结垢;有毒;高压流体;需增大的流体。壳程热蒸汽;被冷却的流体;大黏度、小流量流体;大的流体。108流速的确定：流速流阻or管数管长程数传热介质的终温：

19、冷却水终温传热面积水量109列管规格和排列：规格：和管长和(管长/壳径)=46排列等边三角形：正方形直列：正方形错列：管板强度高,大,排管多介于中间易清洗,小管距焊接法：胀管法：且110111管程和壳程数：管程数流速流阻当,需多壳程。折流挡板：型式：圆缺型、圆盘型板距 ：外壳内径1121135.翅片管式换热器(finned-pipe exchanger)纵向翅片横向翅片1)高翅片螺旋槽纹管2)低翅片缩放管1143)高翅片管类型115优点：增大传热面积； 提高扰动程度,增大 。缺点：流阻大； 翅片连接处易产生高热阻。用途：内与外相差较大场合(空冷器) 高粘度流体的传热高翅片； 低翅片； 116结构图实物图1176.螺旋板式：(spiral exchanger)1)基本结构1182)工作原理