化工原理第四章第四节讲稿

第四章

传热一、能量衡算二、总传热速率微分方程三、总传热系数四、平均温度差五、传热面积的计算六、传热单元数法七、壁温的计算八、保温层的临界直径第四节

传热计算2023/7/5传热计算设计计算

校核计算

根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。依据：总传热速率方程和热量恒算2023/7/5一、热量衡算

热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：

——换热器的热量衡算式应用：计算换热器的传热量若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时

2023/7/5若换热器中热流体有相变化，例如饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下离开。若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器2023/7/5二、总传热速率方程

通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出：——总传热速率微分方程or传热基本方程

K——局部总传热系数，（w/m2℃）物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。2023/7/5当取△t和k为整个换热器的平均值时，对于整个换热器，传热基本方程式可写成：或K——换热器的平均传热系数，w/m2·K

——总传热热阻

注意：其中K必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。2023/7/5传热基本方程可分别表示为：式中：

Ki、Ko、Km——分别为管内表面积、外表面积和内外侧的平均表面积的传热系数，w/m2·KSi、So、Sm——换热器管内表面积、外表面积和内外侧的平均面积，m2。注：工程上大多以外表面积为计算基准，Ko不再加下标“o”2023/7/5三、总传热系数1、总传热系数K的来源生产实际的经验数据实验测定分析计算2、传热系数K的计算

流体通过管壁的传热包括：1)热流体在流动过程中把热量传递给管壁的对流传热2023/7/52)通过管壁的热传导3)管壁与流动中的冷流体的对流传热间壁换热器总传热速率为：2023/7/5利用串联热阻叠加原则：若以外表面为基准2023/7/5——基于外表面积总传热系数计算公式同理：2023/7/53、污垢热阻在计算传热系数K值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用Rsi和Rs0表示，根据串联热阻叠加原则，2023/7/5当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，若则总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的α。两侧的α相差不大时，则必须同时提高两侧的α，才能提高K值。污垢热阻为控制因素时，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。2023/7/5例：有一列管换热器，由φ25×2.5的钢管组成。CO2在管内流动，冷却水在管外流动。已知管外的α1=2500W/m2·K，管内的α2=50W/m2·K。（1）试求传热系数K；（2）若α1增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大的百分率；（3）若增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增大的百分率。2023/7/5解：（1）求以外表面积为基准时的传热系数取钢管的导热系数λ=45W/m·K，冷却水测的污垢热阻Rs1=0.58×10-3

m2·K/WCO2侧污垢热阻Rs2=0.5×10-3

m2·K/W则：2023/7/5(2)α1增大一倍，即α1=5000W/m2·K时的传热系数K’2023/7/5K值增加的百分率（3）α2增大一倍，即α2=100W/m2·K时的传热系数K值增加的百分率2023/7/5四、传热的平均温度差

恒温差传热：变温差传热：

传热温度差不随位置而变的传热

传热温度差随位置而改变的传热

传热流动形式

并流：逆流：错流：折流：两流体平行而同向的流动两流体平行而反向的流动两流体垂直交叉的流动一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流2023/7/51、逆流和并流时的传热温差

假定：（1）换热器在稳定情况下操作；（2）流体的比热容均为常量，且传热系数k沿换热面而不变；（3）换热器无热损失以逆流为例，推导平均温差2023/7/5微元面积dS的传热情况两流体的温差为△t

通过微元面dS的传热量为：将（c）、(d)代入(e)式2023/7/5用分别表示换热器两端的温差，并对(f)积分得2023/7/5联立(b)和(f)得：积分：即：2023/7/5将（g）式代入——对数平均温度差

2023/7/5若两流体并流流动，同样可得到相同的结果。注意：在应用对数平均温度差计算式时，通常将换热器两端温度差△t中数值大的写成△t2，小的写成△t1

当时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100℃冷却至40℃，冷却水进口温度15℃，出口温度30℃，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。2023/7/5解：

逆流时：

热流体：冷流体：7025并流时：

热流体：冷流体：85102023/7/5可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。2、错流和折流时的平均温度差错流和折流的平均温度差，常采用安德伍德和鲍曼提出的图算法。先按逆流时计算对数平均温度差△tm逆，在乘以考虑流动型式的温度修正系数φ△t，得到实际平均温度差△tm。2023/7/5——错流和折流时的平均温度差其中计算P,R的值后,可查图得到φ△t的值

2023/7/5例：通过一单壳程双管程的列管式换热器，用冷却水冷却热流体。两流体进出口温度与上例相同，问此时的传热平均温差为多少?又为了节约用水，将水的出口温度提高到35℃，平均温差又为多少?

解：逆流时

2023/7/5又冷却水终温提到350C，逆流时：

2023/7/5查图得：3．不同流动型式的比较

(1)在进、出口温度相同的条件下,逆流的平均温度差最大,并流的平均温度差最小,其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。因此，就提高传热推动力而言，逆流优于并流及其他形式流动。当换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。

2023/7/5(2)逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。

所以，换热器应当尽量采用逆流流动，尽可能避免并流流动。

在某些生产工艺有特殊要求时，如要求冷流体被加热时不得超过某一温度或热流体冷却时不得低于某一温度，应采用并流操作。

当换热器有一侧流体发生相变而保持温度不变时，就无所谓并流和逆流了，不论何种流动型式，只要进出口温度相同，平均温度就相等。

2023/7/5(3)采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数，其代价是平均温度差相应减小，温度修正系数φ△t是用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，一般在设计时最好使φ△t＞0.9，至少不能使φ△t<0.8。否则应另选其他流动型式，以提高

φ△t。2023/7/5

五、传热面积的计算1、传热系数K为常数

其中：

2、传热系数K为变数

2023/7/5积分

：

不能用解析法求解时，可采用数值积分、图解积分或分段计算的方法。

将每段中的物性、传热系数Kj视为常量，分段计算传热温差△tmj和相应的热流量Qj及传热面积Sj，

或总传热面积

：

2023/7/5六、传热单元数法1、传热效率ε

WCp：流体的热容量流率

2023/7/5当热流体的热容量流率较小时

若冷流体的热容量流率较小

2023/7/52、传热单元数NTU

1）传热单元数的定义

对于冷流体

积分

(NTU)c：基于冷流体的传热单元数

2023/7/5当K与Cpc为常数，且T-t可用平均温度差代替时

同理,基于流体的传热单元数

当K与Cph为常数时

2023/7/52）传热单元数的含义：（1）对于已知的换热器利用处理的物料而言，它表示该换热器的换热能力的大小。

K与A大，表示换热器的能力大，可完成更高的换热要求（2）对已知流体的换热器而言，它表示换热要求的高低与换热的难易程度。换热要求高，即流体进出口的温差大；传热的推动力小，换热所需的单元数大。2023/7/53）传热单元数的物理意义将改写成2023/7/5基于WCp值小的流体的传热单元长度,可视为(Wcp)min的流体温度变化与传热温差相等时的换热器的管长。

传热系数K愈大，即热阻愈小，传热单元长度愈小。换热时所需要的传热面积也愈小。换热器的长度（对于一定的管径）等于传热单元数和传热单元长度的乘积。一个传热单元可视为换热器的一段

2023/7/53、传热效率与传热单元数的关系

将（2）代入（1），并整理得并流时2023/7/5若冷流体为最小值流体,并令Cmin=Wccpc,Cmax=Whcph，

(NTU)min=KS/Cmin2023/7/52023/7/5将(4)代入(3)得

逆流时传热效率和传热单元数的关系为：

2023/7/5

当两流体之一有相变化时，(WCp)max趋于无穷大

当两流体的WCp相等时

并流时：逆流时：2023/7/5七、壁温的计算

已知：管内、外流体的平均温度T、t，忽略管壁热阻求：壁温tW方法：试差法步骤：假设tW求管内、外的αi、α0核算tW2023/7/5

例：在列管换热器中，两流体进行换热。若已知管内、外流体的平均温度分别为170℃和135℃；管内、外流体的对流传热系数分别为12000W/(m2·℃)及1100W/(m2·℃)。管内、外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005(m2·℃)/W。试估算管壁平均温度。假设管壁热传导热阻可忽略。解：2023/7/5℃结果表明：管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度即接近于α值大的那个流体的温度。2023/7/5八、保温层的临界直径

设：保温层内表面温度为t1，周围环境温度为tf，保温层的内外径分别为d1和d2，保温层外表面对环境的对流传热系数为α。

稳定传热时，管道的热损失为：2023/7/5热损失Q为最大值时的保温层直径

——保温层的临界直径

保温层的外径小于临界直径，即d2<dc,dQ/d(d2)为正值，增加保温层的厚度反而使热损失增加。

2023/7/5谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH安全注射与职业防护PART01一、安全注射二、职业防护主要内容安全注射阻断院感注射传播让注射更安全！《健康报》

别让输液成为一个经济问题有数据显示，是世界最大的“注射大国”。2009年我国平均每人输液8瓶，远远高于国际上人均2.5—3.3瓶的平均水平。我国抗生素人均消费量是全球平均量的10倍。因此我国被称为：

“输液大国、抗生素大国和药品滥用大国”。2016年国家十五部委重拳出击

遏制细菌耐药《阻断院感注射传播，让注射更安全（2016-2018年）》专项工作指导方案量化指标医疗卫生机构安全注射环境、设施条件、器具配置等合格率100%医务人员安全注射培训覆盖率100%规范使用一次性无菌注射器实施注射100%（硬膜外麻醉、腰麻除外）医疗卫生机构对注射后医疗废物正确处理率100%医疗卫生机构内部安全注射质控覆盖率100%医务人员安全注射知识知晓率≧95%医务人员安全注射操作依从性≧90%医务人员注射相关锐器伤发生率较基线下降≧20%相关内容基本概念安全注射现况不安全注射的危害如何实现安全注射意外针刺伤的处理

基本概念

注射

注射是指采用注射器、钢针、留置针、导管等医疗器械将液体或气体注入体内，达到诊断、治疗等目的的过程和方法。包括肌内注射、皮内注射、皮下注射、静脉输液或注射、牙科注射及使用以上医疗器械实施的采血和各类穿刺性操作。

基本概念

符合三个方面的要求：对接受注射者无危害；对实施者无危害；注射后的废弃物不对环境和他人造成危害。不安全注射发生率东欧：15%中东：15%亚州：50%印度：50%中国：50%对我国某地3066个免疫接种点的调查表明:一人一针一管的接种点为33.5％一人一针的接种点为62.1％一人一针也做不到的接种点......

目前情况

不安全注射

没有遵循上述要求的注射常见不安全注射-对接受注射者不必要的注射注射器具重复使用注射器或针头污染或重复使用手卫生欠佳注射药品污染不当的注射技术或注射部位医用纱布或其他物品中潜藏的锐器常见不安全注射-对接受注射者减少不必要的注射是防止注射相关感染的最好方法据调查，从医疗的角度来说，有些国家高达70％的注射不是必须的应优先考虑那些同样能达到有效治疗的其他方法口服纳肛不安全注射-对实施注射者采血技术欠佳双手转移血液不安全的血液运输手卫生欠佳废弃锐器未分类放置不必要的注射双手针头复帽重复使用锐器锐器盒不能伸手可及患者体位不当不安全注射-对他人不必要的注射带来过多医疗废物医疗废物处置不当废弃锐器置于锐器盒外与医用纱布混放放在不安全的处置地点—如走廊中容易拌倒废物处理者未着防护用品（靴子，手套等）重复使用注射器或针头最佳注射操作注射器材和药物注射器材药物注射准备注射管理锐器伤的预防废物管理常规安全操作手卫生手套其他一次性个人防护装备备皮和消毒清理手术器械医疗废物二次分拣2023/7/5Dr.HUBijie712023/7/511/05/0971锐器盒摆放位置不合适，放在地上或治疗车下层头皮针入锐器盒时极易散落在盒外，医废收集人员或护士在整理过程中容易发生损伤不正确使用利器盒绝大部分医务人员对安全注射的概念的理解普遍仅局限于“三查七对”，因此安全注射的依从率也非常低。安全注射现况滥用注射导致感染在口服给药有效的情况下而注射给药临床表现、诊断不支持而使用注射治疗

由于滥用注射，导致感染的发生几率明显增加。安全注射现况注射风险外部输入风险：注射器具、药品、材料等产品质量；非正确使用信息，非正规或正规培训传递错误信息，非合理用药及操作习惯等。内部衍生风险：注射的“过度”与“滥用”、非正确的注射、未达标的消毒灭菌、被相对忽略的职业暴露、不被关注的医疗废物管理。

安全注射现况

当前院感注射途径传播的高风险因素使用同一溶媒注射器的重复使用操作台面杂乱，注射器易污染注射后医疗废物管理欠规范---注射器手工分离与二次分捡

对患者的危害-------传播感染

是传播血源性感染的主要途径之一，也是不安全注射的最主要危害。注射是医院感染传播的主要途径之一！不安全注射的危害导致多种细菌感染，如脓肿、败血症、心内膜炎及破伤风等。败血症破伤风心内膜炎脓肿不安全注射

不安全注射的危害

对医务人员的影响

针刺伤：每年临床约有80.6%-88.9%的医务人员受到不同频率的针刺伤！原因：防护意识薄弱、经验不足、操作不规范、防护知识缺乏。

不安全注射的危害

对社会的危害

拿捡来的注射器当“玩具”

不安全注射的危害

如何实现安全注射三防：人防、技防、器防四减少：减少非必须的注射操作减少非规范的注射操作减少注射操作中的职业暴露减少注射相关医疗废物

如何实现安全注射

重视环境的准备警惕锐器伤正确物品管理严格无菌操作熟悉操作规程执行手卫生安全注射

如何实现安全注射

进行注射操作前半小时应停止清扫地面等工作。避免不必要的人员活动。严禁在非清洁区域进行注射准备等工作。应在指定的不会被血液和体液污染的干净区域里，进行注射准备。当进行注射准备时，必须遵循以下三步骤：1.保持注射准备区整洁、不杂乱，这样可以很容易清洁所有表面2.开始注射前，无论准备区表面是否有血液或体液污染，都应清洁消毒。3.准备好注射所需的所有器材：-无菌一次性使用的针头和注射器-无菌水或特定稀释液等配制药液-酒精棉签或药棉-锐器盒重视环境的准备手卫生之前先做脑卫生！观念的改变非常重要！安全注射，“手”当其冲！认真执行手卫生工作人员注射前必须洗手、戴口罩，保持衣帽整洁；注射后应洗手。操作前的准备注射前需确保注射器和药物处于有效期内且外包装完整。操作前的准备给药操作指导单剂量药瓶——只要有可能，对每位患者都使用单剂量药瓶，以减少患者间的交叉污染多剂量小瓶——如果别无选择，才使用多剂量药瓶-在对每个患者护理时，每次只打开一个药瓶-如果可能，一个患者一个多剂量药瓶，并在药瓶上写上患者姓名，分开存储在治疗室或药房中-不要将多剂量药瓶放在开放病房中，在那里药品可能被不经意的喷雾或飞溅物污染药物准备给药操作指导丢弃多剂量药瓶：-如果已失去无菌状态-如果已超过有效日期或时间（即使药瓶含有抗菌防腐剂）-如果打开后没有适当保存-如果不含防腐剂，打开超过24小时，或制造商建议的使用时间后-如果发现未注明有效日期、储存不当，或药品在不经意间被污染或已知道被污染（无论是否过期）药物准备给药操作指导具有跳起打开装置的安瓿瓶——只要有可能，就使用具有跳起打开装置的安瓿瓶，而不是需要金属锉刀才能打开的安瓿瓶如果是需要金属锉刀才能打开的安瓿瓶，在打开安瓿瓶时，需使用干净的保护垫（如一个小纱布垫）保护手指药物准备准备好注射所需的所有器材：-无菌一次性使用的针头和注射器-无菌水或特定稀释液等配制药液-酒精棉签或药棉-锐器盒注射准备对药瓶隔膜的操作步骤在刺入药瓶前用蘸有70%乙醇棉签或棉球擦拭药瓶隔膜（隔层），并在插入器材前使其晾干每次插入多剂量药瓶都要使用一个无菌注射器和针头不要把针头留在多剂量药瓶上注射器和针头一旦从多剂量药瓶中吸出药品并拔出，应尽快进行注射注射准备贴标签多剂量药瓶配制后，应在药瓶上贴上标签：-配制日期和时间药物的种类和剂量-配制浓度-失效日期和时间-配制者签名对于不需要配制的多剂量药品，贴上标签：-开启日期和时间-开启者名字和签名注射准备皮肤消毒剂在有效期内使用。严格落实皮肤消毒的操作流程（以注射点作为中心，自内向外，直径5cm以上）。一人一针一管一用，禁止重复使用。熟悉操作规程，严格无菌操作使用同一溶媒配置不同药液时，必须每次更换使用未启封的一次性使用无菌注射器和针头抽取溶媒。必须多剂量用药时，必须做到一人一针一次使用。熟悉操作规程，严格无菌操作熟悉操作规程，严格无菌操作红圈标注地方绝对不能碰触！××熟悉操作规程，严格无菌操作皮肤消毒后不应再用未消毒的手指触摸穿刺点！皮肤消毒后应完全待干后再进行注射！熟悉操作规程，严格无菌操作现配现用药液抽出的药液、开启的静脉输入用无菌液体须注明开启日期和时间，放置时间超过2小时后不得使用；启封抽吸的各种溶媒超过24小时不得使用。药品保存应遵循厂家的建议，不得保存在与患者密切接触的区域，疑有污染或保存不当时应立即停止使用，并进行妥善处置。

熟悉操作规程，严格无菌操作

2小时内：——输注类药品；

24小时内：

——溶媒启封抽吸后；

——灭菌物品启封后（棉球、纱布等）提倡使用小包装。每周更换2次：

——非一次性使用的碘酒、酒精等，容器应灭菌。

7天内：——启封后一次性小包装的瓶装碘酒、酒精.药品保存：——应遵循厂家的建议（温度、避光）——不得保存在与患者密切接触的区域。——疑有污染禁用。应注明开启时间物品管理

禁止双手回套针帽禁止用手传递利器禁止用手分离注射器针头禁止手持锐器随意走动禁止随意丢弃锐器，随时入锐器盒禁止用手直接抓取医疗废物

操作时保证充足光线、空间宽敞

操作时从容不迫

操作时尽可能采用有安全保护装置的锐器六禁止三操作警惕锐器伤耐用，防穿透，防渗漏。大小合适，锐器可以完整放入。可能产生锐器的地方均配，不需二次分捡。放置的位置醒目且方便使用，治疗车要放在上层的侧面。一次性使用、禁止徒手打开、清空或清洗重复使用。禁止放入其他杂物。到达3/4时及时封闭。在转运过程中确保密闭，避免内容物外漏。

规范使用锐器盒

二、医务人员职业暴露体液血液分泌物排泄物其他04年7月23日，广州某医院在一次急诊抢救意外伤中,9名医务人员均直接接触了出血较多的重伤员。当时病人血肉模糊，鲜血喷到了当班急诊医生的身上、脸上和眼睛里，另一名医生在为病人清创缝合时被扎破手指，麻醉科医生带着受伤的手指为病人进行麻醉。当时参与抢救的多数医务人员的白大衣、口罩都被病人的鲜血染湿了。3天后这位病人被检测出是艾滋病人，HIV抗体反应强阳性。半年后有2名医务人员血液检出艾滋病毒抗体阳性，造成一起艾滋病职业暴露的悲剧。“艾滋惊魂”事件

锐器伤案例山东某院妇产科主任因全身发黄、乏力等去查体，结果是大三阳且转氨酶高达1300多，诊断暴发性肝炎。事后回忆，发病前曾为一大三阳病人手术时，被针刺伤过，当时未在意，没做任何处理！某院一检验科医生给一丙肝患者进行血气分析，不慎被沾有病人血液的针头刺伤，第三个月出现肝炎症状，感染丙肝病毒。

医务人员职业暴露分类①感染性职业暴露（主要指血源性病原体引起的暴露）②放射性职业暴露③化学性（如消毒剂、某些化学药品）职业暴露④其他职业暴露

中国医务人员特别需要防范的一大类感染性疾病

——血源性感染！医务人员的职业风险感染HIV：全球每年至少

1000名医务人员感染HCV、HBV等：触目惊心血源性传播病原体种类：细菌、病毒、真菌等30多种血源传播最多：HIV、HBV、HCV比人们通常想象的要多的多。医务人员面临传播危险最大的血源性传播疾病1、HBV-感染率为6%～30%2、HCV-感染率为3%，医务人员职业暴露风险为1.8%职业暴露的危险性HIV职业暴露感染的危险性发生HIV锐器伤后，感染HIV的平均危险为0.3%黏膜暴露后感染HIV的平均危险为0.09%血液或体液溅到完整皮肤上基本没有危险惧怕常见职业暴露的方式针刺58.4%皮损22.7%黏膜污染11.2%割伤7.7%注：锐器伤是发生职业暴露最主要的途径。职业暴露的人群NaSH2008年