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1、制药工程专业化工原理教案,1,第四章 传 热,制药工程专业化工原理教案,2,传热过程在化工生产中的应用,传热的三种基本方式,传热基本方程,热负荷的计算,稳定传热和不稳定传热,第一节 概述,制药工程专业化工原理教案,3,一、 传热过程在化工中的应用,传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的 存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的 前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。但是进行传热的 目的不外乎是以下三种： 1.加热或冷却 2.换热 3.保温,制药工程专业化工原理教案,4,1）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达

2、到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。,1、传热过程的应用,制药工程专业化工原理教案,5,2）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，需要按一定的速率向设备输入或输出热量。 3）在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。 4）对于废热也需合理的利用与回收。,制药工程专业化工原理教案,6,传热学应用实例,自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍,b 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？,c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？,(1) 日常生活中的例子：,a 人

3、体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？,制药工程专业化工原理教案,7,集成电路芯片,航空航天,（1）高温叶片气膜冷却； （2）火箭推力室的再生冷却与发汗冷却； （3）卫星与空间站热控制； （4）空间飞行器重返大气层冷却； （5）超高音速飞行器冷却； （6）核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机,制药工程专业化工原理教案,8,制药工程专业化工原理教案,9,Space Shuttle Discovery,美国发现号航天飞机升空,制药工程专业化工原理教案,10,载人飞船 (Manned Spacec

4、raft),对接（Docking),A,B,va,交会（Rendezvous),制药工程专业化工原理教案,11,和平号空间站,制药工程专业化工原理教案,12,制药工程专业化工原理教案,13,生物医学：肿瘤高温热疗； 生物芯片； 组织与器官的冷冻保存 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵 新 能 源：太阳能； 燃料电池,制药工程专业化工原理教案,14,2、化工生产中传热过程的两种情况,1）强化传热：各种换热设备中的传热。,2）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失,制药工程专业化工原理教案,15,制药工程专业化工原理教案,16,热源和

5、冷源,1、热源 1）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高 。 2）饱和水蒸气： 优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系，调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。 缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。,制药工程专业化工原理教案,17,3）烟道气 烟道气的温度可达700以上，可以将物料加热到比较高的温度 。 缺点：传热速度慢，温度不易控制。 4）高温载热体： 优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。 2、冷源 一般采用水、空气和冷冻盐水等作为冷源。,制药工程专业化工原理教案,18,

6、二、 传热的三种基本方式,一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量 就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的机理不同，热传递有三种基本方式： 热传导，热对流和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本方式。,制药工程专业化工原理教案,19,热量传递的三种基本方式,制药工程专业化工原理教案,20,（一） 热传导（导热）,一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，直到个部分的温度相等为止，这种传热方式就称为热传导。,物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机理因物质种类不同而异，具体为： 固体金属：自由电子运动在晶格之间； 液

7、体和非金属固体：个别分子的动量传递； 气体：分子的不规则运动。,制药工程专业化工原理教案,21,（二） 对流传热,热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的方式，即存在气体或液体中，在固体中 不存在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的相对位移。据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。,热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对流。,制药工程专业化工原理教案,22,（三）热辐射,热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何

8、传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式。,制药工程专业化工原理教案,23,制药工程专业化工原理教案,24,三、传热基本方程,当两种流体间需要进行换热而又不允许直接混合时，需在间壁式换热器中进行换热。如在间壁式换热器中，热流体通过管壁将热量传给冷流体热传递的快慢用传热速率来表示。 传热速率：是指单位时间内通过传热面传递的能量单位是/，。,制药工程专业化工原理教案,25,换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温差tm成正比;,传热速率方程或【传热基本方程】， ：传热速率, tm：两流体的平均温度差,K ：比例系数，总传热系数 ，因次 W/(m2K)。 热通量q: q=Q/A,制药工程

9、专业化工原理教案,26,套管式换热器 1内管 2外管,制药工程专业化工原理教案,27,单程列管式换热器 1 外壳 2管束 3、4接管 5封头 6管板 7挡板,制药工程专业化工原理教案,28,双程列管式换热器 1壳体 2管束 3挡板 4隔板,制药工程专业化工原理教案,29,不同的换热器的传热面积计算：,而流通截面积,式中m为管程数。,制药工程专业化工原理教案,30,四、 热负荷的计算,生产中常把单位时间内的流体 所放出或吸收的热量称为热负荷。如果无外功输入，位能，动能可忽略，不考虑热损失，并传热良好时，由能量守恒定律得，单位时间热流体放出的热量应等于冷流体所吸收的热量。,吸=放,制药工程专业化工

10、原理教案,31,五稳定传热和不稳定传热,稳定传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变 特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。,不稳定传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。 特点：传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。 化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传热。,制药工程专业化工原理教案,32,温度场（temperature field）:某一瞬时，空间（或物体内所有各点的温度分布） 可以用下式表示： t=f(x, y, z,) 对于稳定温度场： t=f(x, y, z),第二节

11、热传导,一、傅立叶定律,1、基本概念,制药工程专业化工原理教案,33,等温面：温度场中温度相同的点相连接而构成的面。 温度不同的等温面彼此不会相交。 等温线：不同等温面与同一平面相交的的交线（用一平面切割等温面得到的曲线）,制药工程专业化工原理教案,34,温度梯度：热量沿等温面无热量传递；沿与等温面相交的任何方向温度都发生变化，热量都可以发生传递。 温度随距离的变化以沿等温面垂直的方向为最大，两等温面的温度差t与其间的垂直之n比在n趋于零时的极限称为温度梯度，即：,温度梯度,制药工程专业化工原理教案,35,温度梯度是向量，其方向垂至于等温面，并以温度增加的方向为正。,制药工程专业化工原理教案,

12、36,付立叶定律(Fouriers law)：单位时间热传导的方式传递的热量与垂直于热流的截面积成正比，与温度梯度成正比。负号表示导热方向与温度梯度方向相反。,Q导热速率，W dt/dx温度梯度，/m A导热面积，m2 导热系数,亦称：热导率, W/（m ）或：W/（m K） q热流密度，W/m2,制药工程专业化工原理教案,37,二、热导率（导热系数）,（1）固体的导热系数,大多数固体的导热系数与温度大致呈线性关系。 =0（1+t） 温度系数,制药工程专业化工原理教案,38,（2）液体的导热系数,液态金属：液态金属导热系数比一般液体高 液态金属导热系数随温度升高而降低。 其他液体：水的导热系数

13、最大，除水和甘油外，随温度升高略有减少，纯液体比其它液体的要大。,制药工程专业化工原理教案,39,（3）气体的导热系数 气体的导热系数随温度升高而增大，随压强增大而增加。,图4-5 各种气体的导热系数 1水蒸气；2氧；3CO2； 4空气；5氮；6氩,制药工程专业化工原理教案,40,三、平壁稳定热传导,平壁内的温度只沿垂直于壁面的x方向变化，而且温度分布不随时间而变化；平壁材料均匀，导热系数可视为常数（或取平均值）。对于此种稳定的一维平壁热传导，导热速率Q和传热面积A都为常量，式4-3可简化为,（一）单层平壁热传导,如图所示，设有一宽度和高度均很大的平壁，壁边缘处的热损失可以忽略；,制药工程专业

14、化工原理教案,41,当x=0时，t=t1；x=b时，t=t2；且t1t2。将式（4-5）积分后，可得：,或：,b平壁厚度，m； t温度差，导热推动力，； R导热热阻，/W。 当导热系数为常量时，平壁内温度分布为直线；当导热系数随温度变化时，平壁内温度分布为曲线。,试推导平壁内部温度分布方程？,制药工程专业化工原理教案,42,上式可归纳为自然界中传递过程的普遍关系式：,制药工程专业化工原理教案,43,单层平壁导热速率的工作方程式,温度差称为传热推动力，R称为导热热阻。导热系数是物质的物理性质之一。其值的大小反映物质导热能力的强弱，其值越大，导热能力越强。工程上通常根据导热系数的数值来选择合适的导

15、热材料，例如，需要提高导热速率的场合选用导热系数大的材料，反之，需要减小导热速率的场合选用导热系数小的材料。,制药工程专业化工原理教案,44,【例4-1】 某平壁厚度b=0.37m，内表面温度t1=1650，外表面温度t2=300，平壁材料导热系数=0.815+0.00076t，W/（m）。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。,制药工程专业化工原理教案,45,解： （1）导热系数按常量计算 平壁的平均温度,平壁材料的平均导热系数,W/（m）,导热热通量为：,W/m2,W/m2,制药工程专业化工原理教案,46,设壁厚x处的温度为t，则由式4-

16、6可得,故：,上式即为平壁的温度分布关系式，表示平壁距离x和等温表面的温度呈直线关系。,制药工程专业化工原理教案,47,W/m2,（2）导热系数按变量计算，由式4-5得,qdx=（0.815+0.0076t）dt,得 ：,（a）,或：,积分：,制药工程专业化工原理教案,48,当b=x时，t2=t，代入式（a），可得,整理上式得,解得,上式即为当随t呈线性变化时单层平壁的温度分布关系式，此时温度分布为曲线。 计算结果表明，将导热系数按常量或变量计算时，所得的导热通量是相同的，而温度分布则不同，前者为直线，后者为曲线。,制药工程专业化工原理教案,49,金属 1-400 W/(m2K) 建筑材料 0

17、.1-1 W/(m2K) 绝热材料 0.01-0.1 W/(m2K) 液体 0.1-0.6 W/(m2K) 气体 0.005-0.05 W/(m2K),各种物质导热系数的大致范围如下：,制药工程专业化工原理教案,50,以三层平壁为例，如图4-7所示。各层的壁厚分别为b1、b2和b3，导热系数分别为1、2和3。假设层与层之间接触良好，即相接触的两表面温度相同。各表面温度分别为t1、t2、t3和t4，且t1t2t3t4。,（二）多层平壁的热传导,在稳定导热时，通过各层的导热速率必相等，即Q=Q1=Q2=Q3。,制药工程专业化工原理教案,51,由上式可得,（4-8）,（4-9）,（4-10）,（4-

18、11）,可见，各层的温差与热阻成正比。,制药工程专业化工原理教案,52,式（4-8）、（4-9）、（4-10）由合比定律，并整理得：,式4-12即为三层平壁的热传导速率方程式。 对n层平壁，热传导速率方程式为,可见，多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温度差，总热阻为各层热阻之和。,（4-12）,（4-7）,制药工程专业化工原理教案,53,工业上经常遇到多层圆筒壁的导热，如下图所示，在蒸汽管道外包裹绝热层；在换热管的内、外侧表面上生成垢层，从而构成多层圆筒壁。,四、圆筒壁稳定热传导,制药工程专业化工原理教案,54,(一)单层圆筒壁的热传导,在r处，取厚dr，长l 的等温薄圆筒壁 A=

19、2rl,制药工程专业化工原理教案,55,Fouriers law,制药工程专业化工原理教案,56,r1,t1,r,制药工程专业化工原理教案,57,由：,温度梯度,制药工程专业化工原理教案,58,热流密度：,随r变化,导热速率：,与r无关,制药工程专业化工原理教案,59,由：,制药工程专业化工原理教案,60,A2=2r2L A1=2r1L,制药工程专业化工原理教案,61,r1,t1,r,当A2/A12 Am=(A2+A1)/2,制药工程专业化工原理教案,62,(二)多层圆筒壁导热,三层：,制药工程专业化工原理教案,63,单位圆筒壁的导热速度计算式为：,也可写成以平均面积为基准的计算式：,制药工程

20、专业化工原理教案,64,n层：,制药工程专业化工原理教案,65,【例4-1】一套管换热器的内管为252.5mm的钢管，钢的导热系数为45 W/(mK)，该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢层的导热系数分别为1.0 W/(mK)和0.5 W/(mK)，已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160和120，试求此换热器单位管长的传热量。,W/m,代入数据得,解：换热器的热流密度,制药工程专业化工原理教案,66,第三节 对流传热,一、对流传热过程分析,二、牛顿冷却定律,三、对流传热系数及其影响因素,四、对流传热系数的因次分析,制药工程专业化工原理教案

21、,67,1.定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。,1. 对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点： a、导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b、必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动； c、壁面处会形成速度梯度很大的边界层,制药工程专业化工原理教案,68,由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。,对流换热的分类,制药工程专业化工原理教案,69,制药工程专业化工原理教案,70,1、层流底层：靠近壁面的流体，由于流体粘度作用，形成一薄层作层流流动膜 ，称为层流底层，热量传递主要是

22、靠分子扩散运动以层流的方式进行，热阻主要集中在层流底层中，造成较大的温度降。 2、过渡区：在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，该区的流体由于漩涡运动，而造成流体质点产生相对运动，热量传递除了以传导方式外，还有对流方式存在，故温度梯度逐渐变小。 3、湍流主体：流体质点的剧烈碰撞与混合，热量传递以对流方式为主，可以认为无热阻，温度梯度为零，各处的温度相等。,制药工程专业化工原理教案,71,假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为t有效膜中，在有效膜之外无热阻存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进行。该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。

23、由此假定，此时的温度分布情况如下式所示：。 建立膜模型：,t总有效膜厚度； e湍流区虚拟膜厚度； 层流底层膜厚度。,制药工程专业化工原理教案,72,使用傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内：,牛顿冷却定律,对流传热系数(膜系数)，W/(m2)；,变量,制药工程专业化工原理教案,73,牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律，假设Qt。,对流传热一个非常复杂的物理过程，实际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了当中复杂问题简单化表示。,制药工程专业化工原理教案,74,二、影响对流传热

24、系数的因素,对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程，因此它必然与下列因素有关。,当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响较大的物性有：，cp。 的影响：，； 的影响：，Re，； cp的影响：cpcp单位体积流体的热容量大，则较大；,的影响: ，Re，,1.流体的物性,制药工程专业化工原理教案,75,自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u较小，也较小。 强制对流：在外力作用下引起的流动运动，一般u较大，故较大。,2.引起流动的原因,制药工程专业化工原理教案,76,层流

25、：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。 湍流：质点充分混合且层流底层变薄，较大。,但Re动力消耗大。,3.流动型态,制药工程专业化工原理教案,77,不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。 （1）形状：比如管、板、管束等； （2）大小：比如管径和管长等； （3）位置：比如管子得排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。 对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。,4.传热面的形状、大小和位置,制药工程专业化工原理教案,78,主要有蒸汽冷凝和液体

26、沸腾。发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（r远大于cp）。一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不相同，复杂。,5.是否发生相变,制药工程专业化工原理教案,79,三、对流传热的特征数关系式,由于对流传热本身是一个非常复杂的物理问题，现在用牛顿冷却定律把复杂简单表示，把复杂问题转到计算对流传热系数上面。所以，对流传热系数大小的确定成为了一个复杂问题，其影响因素非常多。目前还不能对对流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过实验得到其经验关联式。,制药工程专业化工原理教案,80,在对流传热问题中，对于几何相似的设备，可将给热系数的影响因素表示为 u流体速度，反映流体流动

27、状况影响 , k, Cp流体密度、粘度、导热系数和比热，反映物性影响 l传热表面的特征尺寸，反映传热面几何因素的影响。,gt表示流体由于温差t而产生的浮升力， 称为流体的膨胀系数，因次为1/。,制药工程专业化工原理教案,81,用因次分析得到准数,雷诺数 Re,努塞尔数 Nu,制药工程专业化工原理教案,82,普兰特数 Pr,格拉斯霍夫数 Gr,制药工程专业化工原理教案,83,对于几何相似的设备，运用因次分析法，写成准数式,努塞尔准数 ； 待求准数，包括待求的给热系数,雷诺准数 ； 反映对流强度对传热的影响,制药工程专业化工原理教案,84,普兰特准数 ； 反映流体物性的影响,格拉斯霍夫准数 ；反映

28、自然对流的影响,借助实验研究方法求取以上各类别中的具体准数关联式。,制药工程专业化工原理教案,85,（1）对于低粘度流体：,式中n值与热流方向有关， 当流体被加热时，n=0.4， 当流体被冷却时，n=0.3。 应用范围：Re10000；0.7Pr120； 。 定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。 特征尺寸：取为管内径d1。,四、流体无相变时的对流传热系数,（一）流体在管内作强制对流,1、圆形直管强制湍流的给热系数,熟记！,制药工程专业化工原理教案,86,n取不同的数值，这是为了反映热流方向对给热系数的影响。,对于气体 由于Pr1，即Pr0.4Pr0.3 ，气体被加热的给热系数小于被冷却给

29、热系数。这是由于气体粘度随温度升高而增大，气体被加热时的边界层较厚的缘故。,对于液体 由于Pr1，所以Pr0.4Pr0.3，即液体被加热的给热系数大于被冷却的给热系数。这是因为：当液体被加热时，管壁处滞流底层的温度高于液体主体的平均温度，由于液体粘度随温度升高而降低，故贴壁处液体粘度较小，使滞流底层的实际厚度比用液体主体温度计算的厚度要薄，给热系数较大。,制药工程专业化工原理教案,87,液体被加热 1.05，液体被冷却 0.95。,（2）高粘度液体：,应用范围：Re10000；0.7Pr16700；l/d160,定性温度：w取壁温作定性温度，其余各物性取液体平均温度作定性温度。,特征尺寸：取为

30、管内径。,制药工程专业化工原理教案,88,流体流过短管时，入口扰动较大，增大了传热，不容忽视，给热系数应乘以一个大于1的修正系数：,d为管内径，l为管长。,(3)短管（l/d60）,制药工程专业化工原理教案,89,流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强 化传热，给热系数应乘以一个大于1的修正系数：,d为管内径，R为弯曲半径。,（4）弯管,制药工程专业化工原理教案,90,2、流体在圆形管内过渡流,在Re=230010000的过渡区，作为粗略计算，可按湍流传热的公式计算值，然后乘以修正系数f：,制药工程专业化工原理教案,91,应用范围：Re2300；Pr0.6。,定性温度：w取壁温，其余取

31、进、出口温度的算术平均值。 特征尺寸：管内径d1。,3、流体在圆形管内强制滞流,制药工程专业化工原理教案,92,4、流体在非圆形管中流动,当量直径法：,制药工程专业化工原理教案,93,【例4-4】套管换热器外管内径60mm，内管规格384.0 mm，用水将2500kg/h的某液体有机物从100冷却至40，水走管内，有机物走环隙，逆流流动，操作温度下，有机物密度860kg/m3, 粘度2.810-3Ns/m2，比热2.26kJ/(公斤)，导热系数0.452W/(m ), 水的进、出口温度分别为15和45，热损失忽略不计。试求： (1) 水对管内壁的给热系数； (2) 有机溶液对管外壁的给热系数；

32、 (3) 若将水流量增加20%，其他条件不变，重求水对管内壁的给热系数。,制药工程专业化工原理教案,94,解： 水的定性温度： ，查得 2=995.7kg/m3, 2=0.0008Ns/m2, 2=0.618W/(mK) Cp2=4.174kJ/(公斤K) 根据热量衡算式求得水流量 kg/s 管内流速： m/s,制药工程专业化工原理教案,95,水侧给热系数： W/(m2K） 套管环隙当量直径de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm, 环隙流速 m/s (过渡流),制药工程专业化工原理教案,96,根据过渡流给热系数的计算方法，有 W/(m2K) 故得溶液侧给热系数： W/(m2K)

33、水流量增加后的给热系数 W/(m2K),制药工程专业化工原理教案,97,换热器壳程都是横掠管束流动，换热管排列分为直列和错列两种，流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的。 错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动阻力较大，清洗不如直列容易。 影响管束传热的因素除Re, Pr数外，还有管子排列方式，管间距和管排数，给热系数,（二）流体在管外作强制对流,1、流体在管束外横掠流动,其中，C、为与管子排列有关的几何参数 ，实验测定。,制药工程专业化工原理教案,98,应用范围： 特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道

34、处的流速。 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。,制药工程专业化工原理教案,99,各排的给热系数不同，应按下式求其平均值。,制药工程专业化工原理教案,100,制药工程专业化工原理教案,101,1-2型换热器,增加管程,制药工程专业化工原理教案,102,折流挡板,制药工程专业化工原理教案,103,列管式换热器，各排的管数不同。装有折流挡板，先是横掠管束，在绕过折流挡板时，则变为顺着管子的方向流动。由于流速和流向的不断变化，Re100即达到湍流。 换热器内装有圆缺型挡板时，壳程给热系数：,(1)Re=310412104时 (2)Re=21031106时,2 流体在换热器壳程的传热,制药工程专业

35、化工原理教案,104,制药工程专业化工原理教案,105,定性温度除w取壁温外，其余均取流体平均温度。 特征尺寸要用当量直径，根据管子的排列方式。 直列时 错列时,流速u按管间最大流通截面积A计算 D换热器外壳内径，m； l两折流挡板间距，m。,制药工程专业化工原理教案,106,（三）自然对流传热系数,所谓大空间自然对流，如：无搅拌时釜内液体的加热；传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热,具体形式见课本P147,制药工程专业化工原理教案,107,五、流体有相变化时的对流传热系数,（一）蒸汽泠凝的对流传热,蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽

36、具有一定的压力，饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系。蒸汽在饱和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供冷流体加热。,制药工程专业化工原理教案,108,1、 蒸汽冷凝的方式 （1） 膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小。,（2） 滴状冷凝： 凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚下，在下滚过程中，一方面会合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁

37、重新暴露在蒸汽中。没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的510倍甚至更高。,制药工程专业化工原理教案,109,制药工程专业化工原理教案,110,实现滴状冷凝的方法：一是在壁面上涂一层油类物质，二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改性处理，能在实验室条件下实现连续的滴状冷凝，但在工业换热器上应用，尚待时日。,制药工程专业化工原理教案,111,特征尺寸：l取垂直管或板的高度。 定性温度：r取ts下的值，其余物性取液膜平均温度下的值。 k、凝液的导热系数，密度和粘度； r冷凝潜热，kJ/公斤； t蒸汽饱和温度ts与壁面tw之差，。,2、蒸汽在水平管外膜状冷凝的传热系数,蒸汽

38、在垂直管外或垂直板侧的冷凝 当Re1800时，膜内为滞流,若Re1800，膜层为湍流,制药工程专业化工原理教案,112,垂直管外和板侧膜层雷诺数自学 W凝液质量流量，公斤/s； b浸润周边长度，m； M冷凝负荷，M=W/b； A膜层流通截面积，m2； de液膜当量直径，m。,牛顿冷却定律改写成,制药工程专业化工原理教案,113,式中 称为无因次冷凝给热系数。以h*表示，则 同理，式(7.4-22)亦可整理为,制药工程专业化工原理教案,114,a、蒸汽流速和流向： 若蒸汽与液膜流向相同，则会加速液膜的流动，使液膜减薄，传热加快。 b、不凝性气体：蒸汽中含有不凝性气体时，即使含量极微，也会对冷凝传

39、热产生十分有害的影响。不凝气会在液膜外侧聚积而形成一层气膜，冷凝器操作中及时排除不凝性气体至关重要。 c、过热蒸汽： 过热蒸汽使蒸汽的给热系数提高不大，所以在一定情况下不考虑过热的影响，仍按饱和蒸汽进行计算。,4、 影响冷凝传热的其它因素,制药工程专业化工原理教案,115,d、传热面的形状与布置： 只要有利于降低液膜厚度，就可强化传热。,制药工程专业化工原理教案,116,（二） 沸腾时的对流传热系数,在液体的对流传热过程中，在液相内部有液体不断汽化的过程，称为沸腾传热过程。,沸腾方法： 大容积沸腾； 管内沸腾,1、沸腾曲线,汽化中心,“粗糙壁面”具有的气化核心对沸腾很重要,自然对流：t 较小5

40、，与q 都比较低；,泡核沸腾或核状沸腾：,t 525，与q 都急剧增大；,t 25，不稳定， 与q 急剧下降,膜状沸腾：,临界点,制药工程专业化工原理教案,118,工业上的沸腾装置多维持在核状沸腾状态,2、沸腾对流传热系数的计算(不作要求),大容积饱和核状沸腾,(1),各参数见相关文献,(2),制药工程专业化工原理教案,119,3、影响沸腾传热的因素,(1)温度差的影响 应尽量在核状沸腾阶段进行操作。,(2)操作压力的影响 p，强化对流传热过程。,(3)液体物性的影响,(4)加热面的影响,壁面粗糙的，有利,表面张力小，有利,制药工程专业化工原理教案,120,图示出了垂直管内液体沸腾过程中出现的

41、流动型态和传热类型，液体进入管内至开始产生汽泡的这一段为单相液体的无相变加热过程，液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处于过冷状态，称为过冷沸腾。继续加热而至饱和温度时，即进入泡状沸腾区，形成泡状流和块状流(汽泡汇合成块)，随着蒸汽含量的进一步增加，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，称为环状流。环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失，称为蒸干。对湿蒸汽继续加热，最后进入干蒸汽的单相传热区。,管内沸腾传热（补充）,制药工程专业化工原理教案,121,制药工程专业化工原理教案,122,对流传热系数关联式小结,制药工程专业化工原理教案,123,在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三个方面

42、的问题。,应用范围： 只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。 定性温度： 取流体进，出口温度的算术平均值作为定性温度 高粘度流体用壁温作粘度定性温度；冷凝传热取凝 液主体温度和壁温的算术平均值作为定性温度。 特征尺寸 ：一般选取对传 热起决定作用的几何因素作为特征 尺寸，管内流动取管内径作为特征尺寸；管外的流 动取管外径作为 特征尺寸，等等。,管内对流传热还与流体的入口效应有关，在流动边界层与传热边界层尚未充分发展的所谓“进口段”，给热系数还要受到速度分布和温度分布的影响，进口段的给热系数高于充分发展后的给热系数值。,入口效应,对流传热系数关联式,制药工程专业化工原理教案,124,一、热量恒

43、算,第四节传热过程的计算,目的：确定热负荷,原理： Q = Q吸=Q放,Q=qm1(H1-H2)=qm2(h1-h2)（4 - 35）,Q 热负荷 qm1, qm2热、冷流体质量流量 H1-H2，h1-h2热、冷流体进出口比焓,制药工程专业化工原理教案,125,1、换热器内两流体均无相变化的时候，流体的比热容cp视为随温度不变（或取平均值）时，式（4 - 35）可表示为：,2、流体有相变化，式（4 - 35）可表示为：,制药工程专业化工原理教案,126,二、传热平均温差,参与热交换的两种流体或其中之一有温度变化，热流体放出热量温度沿程降低，冷流体获得热量温度流程升高，冷热流体的温度差沿换热器表

44、面各点是不同的。,当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时，必须使用整个传热面积上的平均温差。,平均温差还与参与换热的两流体的流动方式有关，流体的流动方式不同，平均传热温差不同。,制药工程专业化工原理教案,127,逆流,并流,在本章中，下标“1”表示进口；下标“2”表示出口。,制药工程专业化工原理教案,128,并流,假定： 在传热过程中，热损失忽略不计； 两流体的比热为常数，不随温度而变； 总传热系数K为常数，不沿传热表面变化。,1、逆流或并流时的平均温差,逆流,制药工程专业化工原理教案,129,【例】在套管换热器中用20的冷却水将某溶液从100冷却至60，溶液流量为1500kg/h，溶液

45、比热为3.5kJ/(kg)，已测得水出口温度为40，试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。若已知并流和逆流时总传热系数K=1000W/(m2)，求：并流操作和逆流操作所需的传热面积。,制药工程专业化工原理教案,130,解：逆流和并流的平均温差分别是：,传热负荷为：,制药工程专业化工原理教案,131,逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是：,制药工程专业化工原理教案,132,采用逆流传热的另一优点是节约载热体的用量，以物料的加热为例，加热剂的用量,当T1、T2、t1和 t2不变时，逆流传热的平均温差大于并流传热的平均温差，逆流操作所需的传热面积小于并流操作的传热面积。,制药工程专业化工原理教

46、案,133,并流时T2恒大于t2，但逆流时T2有可能低于t2，逆流时热流体的出口温度有可能低于并流逆流时热流体的用量有可能比并流时为少。一般都采用逆流操作。,但是并流也有它的特点，例如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度，或被冷却的流体不得低于某一温度，采用并流较易控制。,参与换热的两流体中只有一个流体变温的情况，例如在冷凝器中用饱和蒸汽将某冷流体加热，或在蒸发器中利用热流体的显热使某液体沸腾，并流与逆流的对数平均温差相等。,制药工程专业化工原理教案,134,制药工程专业化工原理教案,135,参与换热的两种流体的温度都恒定不变，例如在蒸发器中用饱和蒸汽加热液体使之蒸发汽化。换热器间壁一侧为饱

47、和水蒸汽冷凝，冷凝温度T恒定不变，间壁另一侧液体沸腾汽化，其沸腾温度保持在沸点t不变，则换热器的传热温差 亦为定值。,制药工程专业化工原理教案,136,两种流体在列管式换热器中流动并非是简单的并流和逆流，而是比较复杂的多程流动，既有折流又有错流。,错流是指两流体在间壁两侧彼此的流动方向垂直；,一种流体作折流流动，另一种流体不折流，或仅沿一个方向流动。,若两种流体都作折流流动或既有错流又有折流，称为复杂折流。,复杂折流,错流,简单折流,2、错流和折流时的平均温差,制药工程专业化工原理教案,137,称为温差修正系数，表示为P和R两参数的函数,式中,上式表示的温差修正曲线绘于图4-25(a)、(b)

48、 和 (c)中。,错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流求算，然后再根据流动型式加以修正,制药工程专业化工原理教案,138,温差修正系数1，即tmtm，逆，换热器设计时值不应小于0.8，否则不经济。增大的一个方法就是改用多壳程。,制药工程专业化工原理教案,139,总传热系数K综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数1/K称为传热过程的总热阻。,冷、热两流体的温度分别为T和t，给热系数分别为2和1，管壁热侧表面和冷侧表面的温度分别为Tw和tw, 间壁两侧面积分别为A1和A2，流体通过间壁的热交换经过“对流传导对流”三个串联步骤。,三、总传热系数,制药工程专业化工原理教案,1

49、41,冷热两流体通过间壁进行热交换的总热阻等于两个对流热阻与一个导热热阻之和，这和串联电路的欧姆定律是类似。,以“1”侧为基准的总传热系数（即：A=A2）,对于圆管：,A=dl,故有：,QUESTION: K2怎样求？,制药工程专业化工原理教案,142,当间壁为平壁，或管壁很薄或管径较大时，各面积相等或近似相等,制药工程专业化工原理教案,143,若导热热阻很小，则,若 ，则 ， ，,若 ，则 ， ，,管内流体对流传热控制。,管外流体对流传热控制。,总传热系数总是更接近数值较小的给热系数，欲提高K值，关 键是提高较小的给热系数。,制药工程专业化工原理教案,144,【例】某空气加热器，蒸汽在管间冷

50、凝，加热管内流动的 空气，已知空气侧给热系数150W/m2K ，蒸汽冷凝给 热系数25000W/m2K，（管壁热阻不计）为强化传热，现 （1）将蒸汽给热系数提高1倍，求总传热系数； （2）将空气给热系数提高1倍，求总传热系数。,解：,计算表明： 提高大给热系数， 总传热系数基本 不变； 提高小给热系数 1倍，总传热系数 提高近1倍。,制药工程专业化工原理教案,145,获取K的其他途径：, 查取K值 在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据，, 实验测定 通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算K值：,实验

51、测定可以获得较为可靠的K值。由计算方法得到的K值往往与查取的和实测的K值相差较大，这主要是由于计算给热系数的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确等原,制药工程专业化工原理教案,146,因所致，因此，使用计算的K值时应慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的K值。,列管换热器总传热系数K的经验数据,制药工程专业化工原理教案,147,污垢热阻,换热器在运行一段时间后，流体介质中可沉积物会在换热表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层。垢层的生成对传热产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。,垢层导热系数以及厚度不易估计，工程计算时常根据经验选择污垢热阻Rd ；其倒数称为污

52、垢系数=/ Rd。,由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计，工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值。如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rd1和Rd2，则总传热系数的计算式为：,制药工程专业化工原理教案,148,如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rd1和Rd2，则总传热系数的计算式为：,熟记！,污垢热阻的大致数值,制药工程专业化工原理教案,150,【例】在双管程列管式换热器中用0.3MPa (表压)的饱和蒸汽将流量为2000kg/h的某溶液从20加热至80，溶液走管程，蒸汽走壳程，冷凝水于饱和温度下排出，换热器内装有46根 252.5mm的管子，已知溶液的比热CP=2.8kJ/(kgK)， 密度=85

53、0kg/m3，总传热系数K=1000W/(m2K) , 传热温差近似取为蒸汽的饱和温度与溶液的平均温度之差，溶液的平均温度取为进、出口温度的算术平均值。忽略换热器的热损失，试确定： 溶液在管内的流速； 蒸汽的消耗量； 换热管的长度。,制药工程专业化工原理教案,151,解： 溶液的体积流量：,管程流通截面积：,管内平均流速：, 查得表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝潜热r=2140kJ/kg, 蒸汽消耗量,制药工程专业化工原理教案,152, 表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝温度ts=142.9, 传热温差：,根据传热速率方程,换热管长度：,2020/8/2,153,列管式换热器选用计算中有关问题,

54、不清洁和易结垢的流体管内。 腐蚀性的宜走管程，以免壳体同时腐蚀。 压力高（低温或高温）的宜走管程，以免壳体受压。 饱和蒸汽宜走壳程；被冷却的流体走壳程，便于散热。 膜系数小的流体宜走管程多管程以增加流速。 粘度大的液体宜走管间挡板增大湍动程度。 主要矛盾：压强、腐蚀性及清洁要求,、流体通道的选择,2020/8/2,154,【思考题】 设计一单程列管换热器，用一热流体加热一易生垢的有机液体。热流体初温150，终温50。有机液体初温15，要求加热到40，已知有机液75分解，下列哪个方案更合理？ 逆流，冷流体走管程 逆流，冷流体走管间 并流，冷流体走管程 并流，冷流体走管间,2020/8/2,155

55、,思考题2 用列管换热器进行以下各种热交换时，哪种流体走管内，哪种流体走管间，为什么？ 用水冷凝氧化氮气体，气体中有少量酸冷凝出来 （氧化氮气体走管内） 用水将酒精蒸汽冷凝 （酒精蒸汽走管间） 用水冷却高压气体 （高压气体走管内） 用-20的冷却蒸镏盐水冷却某种溶液 （冷却盐水走管程）,制药工程专业化工原理教案,156,系列标准规定采用252.5mm,192mm两种规格的管子。钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6米四种规格，其中以3米和6米最为普遍。换热管的排列方式有等边三角形和正方形两种，等边三角形排列比正方形排列更为紧凑, 但正方形排列的管束清洗方便。,换热管规格及

56、排列,抓住主要矛盾进行选择，例如，首先从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求。,2020/8/2,157,换热器中流体流速的增加，可使对流传热系数增加，有利于减少污垢在管子表面沉积的可能性，即降低污垢热阻，使总传热系数增大。然而流速的增加又使流体流动阻力增大，动力消耗增大。因此，适宜的流体流速需通过技术经济核算来确定。充分利用系统动力设备的允许压降来提高流速是换热器设计的一个重要原则。在选择流体流速时，除了经济核算以外，还应考虑换热器结构上的要求。 下表给出工业上的常用流速范围。除此之外，还可按照液体的粘度选择流速，按材料选择容许流速以及按照液体的易燃、易爆

57、程度选择安全允许流速。,、流速选择,制药工程专业化工原理教案,158,传热过程的强化占有十分重要的地位，设计和开发高效换热设备, 可以达到节能降耗的经济目的。 相反，许多场合需要力求削弱传热，隔热保温技术在高温和低温工程中对提高经济效益关系重大，已经发展成为传热学的一个重要分支。,传热强化,不难看出，提高方程式右边任何一项，均可达到提高换热器传热能力的目的，但究竟哪一个环节是传热的控制步骤，则需要具体问题作具体分析，只有针对传热过程的薄弱环节采取强化措施，才能收到预期的效果。,四、强化传热的途径,制药工程专业化工原理教案,159,物料的温度是由工艺条件给定的，不能任意变动； 加热剂(或冷却剂)

58、的进口温度往往也是不能改动的； 冷却水的初温决定于环境气候，出口温度虽可通过增大水流量而降低，但流动阻力迅速增加，操作费用升高；,A 增加传热温差,在生产上常常采用增大温差的方法来强化传热：,但在大多数情况下：,用饱和蒸气作加热介质，通过增加蒸汽压力来提高蒸汽温度； 在水冷器中降低水温以增大温差； 冷热两流体进出口温度固定不变，逆流操作增加传热温差。,由热力学第二定律，传热温差越大，有效能损失越大，于是，非但不能增大温差，有时还要减小温差，以降低有效能损失。,由总传热系数关系式,提高K值，应分清矛盾的主次，重点放在薄弱环节上。 对于金属壁面，导热一般不构成主要热阻，垢层热阻随使用时间的延长而变大，往往成为控制传热速率的主要因素，防止结垢和除垢是保证换热器正常工作的重要措施。,当污垢也不构成影响传热的主要因素时，则为对流传热热阻控制，若两个存在数量级的差别时，传热的薄弱环节处在较小一方，应设法增加小的数值，若两个 数值相近，应同时予以提高。,B 提高传热系数,制药工程专业化工原理教案,161,对流传热，强化传热的方法是：减薄滞流底层的厚度，增强边界层的湍动程度。采取的手段是：,管程流速可以通过增加管程数来提高，壳程流速可以通过增加折流挡板数来提高。由于u0.8，随着流速的增加