制药工程专业《化工原理》教案第四章传热制药工程专业

1、制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业1第四章第四章 传传 热热制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业2 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用 传热的三种基本方式传热的三种基本方式 传热基本方程传热基本方程 热负荷的计算热负荷的计算 稳定传热和不稳定传热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第四章传热制药工程专业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递过程，通常来说有温度差的 存在就有热的传递存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的，也就是

2、说温差的存在是实现传热的 前提条件或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。但是进行传热的与传热有关。但是进行传热的 目的不外乎是以下目的不外乎是以下三种：三种：1.加热或冷却加热或冷却2.换热换热3.保温保温制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业41）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要进行，为了使物料达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

3、需要吸收的热量。出放出的热量或补充需要吸收的热量。1 1、传热过程的应用、传热过程的应用制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业52）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，）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。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）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。它们和外界传热。4）对于废热也需合理的利用与回收。）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第四章传热制药工程专业6传热学应用实例传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差自

4、然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍传热很普遍b b 夏夏天人在同样温度（如：天人在同样温度（如：2525度）的空气和度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？水中的感觉不一样。为什么？c c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？利于保温。如何解释其道理？(1) 日日常生活中的例子：常生活中的例子：a a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持天和冬天都保持2020度，那么在冬天与夏天、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？人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？

5、制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业720世纪世纪70年代年代20世纪世纪90年代年代10w/cm2100w/cm2集成电路芯片集成电路芯片航空航天航空航天（1 1）高温叶片气膜冷却；）高温叶片气膜冷却；（2 2）火箭推力室的再生冷却与发）火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；汗冷却；（3 3）卫星与空间站热控制；）卫星与空间站热控制；（4 4）空间飞行器重返大气层冷却）空间飞行器重返大气层冷却；（5 5）超高音速飞行器冷却；）超高音速飞行器冷却；（6 6）核热火箭、电火箭；微型火）核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机高空无人飞机

6、制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业8制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业9制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业10va制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业11和平号空间站和平号空间站制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业12制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业13生物医学：肿瘤高温热疗；生物医学：肿瘤高温热疗； 生物芯片；生物芯片； 组织与器官的冷冻保组织与器官的冷冻保存存军军 事：飞机、坦克；激光武器事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存；弹药贮存制制 冷：跨临界二氧化碳汽车空冷：跨临界二氧化碳汽车空调调/ /热泵；热泵； 高温水源热泵

7、高温水源热泵新新 能能 源：太阳能；源：太阳能； 燃料电池燃料电池制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业142 2、化工生产中传热过程的两种情况、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。）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）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失失 制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业15制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业16热源和冷源热源和冷源 1、热源、热源 1）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且）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

8、。但费用比较高便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高 。2）饱和水蒸气：）饱和水蒸气： 优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对优点：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温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。热速率快。 缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。强的限制。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业173）烟道气）烟道气 烟道气的温度可达烟道气的温度可达700以上，可以将物料加热以上，可以

9、将物料加热到比较高的温度到比较高的温度 。 缺点：传热速度慢，温度不易控制。缺点：传热速度慢，温度不易控制。4）高温载热体：）高温载热体： 优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。2、冷源、冷源 一般采用水、空气和冷冻盐水等作为冷源。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第四章传热制药工程专业18二、 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，热量生热量传递，当没有外功加入时，热量 就总是就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热会自

10、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：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。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第四章传热制药工程专业19热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业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

11、热方式就称为热传导。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：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；固体金属：自由电子运动在晶格之间； 液体和非金属固体：个别分子的动量传递；液体和非金属固体：个别分子的动量传递； 气体：分子的不规则运动。气体：分子的不规则运动。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业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的热量交换，热

12、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，在固体中式，即存在气体或液体中，在固体中 不存在这种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。据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。对流。热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有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间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对流。对流。制药工程专业化工原理教案第四章传

13、热制药工程专业22（三）热辐射热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。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，而不借助任一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式何传递介质。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第四章传热制药工程专业23制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业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

14、流体热传递的器中，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。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传热速率：是指单位时间内通过传热面传递的能量单位是单位是/，。，。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业25换热器的传热速率换热器的传热速率Q与传热面积与传热面积A和冷热两种流体和冷热两种流体的平均温差的平均温差tm成正比成正比;传热速率方程或传热速率方程或【传热基本方程传热基本方程】，：传热速率：传热速率, tm：两流体的平均温度差两流体的平均温度差,K：比例系数，总传热系数：比例系数，总传热系数 ，因次因次 W/(m2K)。热通量热通量q:

15、q=Q/A阻力推动力KAttKAQmm/1制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业26 套管式换热套管式换热器器1内管内管 2外管外管制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业27单程列管式换热器单程列管式换热器1 外壳外壳 2管束管束 3、4接管接管 5封头封头 6管板管板 7挡板挡板 制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业28双程列管式换热器双程列管式换热器1壳体壳体 2管束管束 3挡板挡板 4隔板隔板 制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业29214fndAm不同的换热器的传热面积计算：不同的换热器的传热面积计算：而流通截面积而流通截面积式中式中m为管程数。为管

16、程数。 2Anld制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业30四、 热负荷的计算生产中常把单位时间内的流体生产中常把单位时间内的流体 所放出或吸收的热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恒定律得，单位时间热流体放出的热量应等于应等于冷流体所吸收的热量冷流体所吸收的热量。吸吸=放放制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业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稳定传热：在传热体系中

17、各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变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，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。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。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续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。传热。化工过程中连续生产是主要的，因而我们主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。要讨论稳定传热

18、。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业32温度场（温度场（temperature field）:某一瞬时，空间某一瞬时，空间（或物体内所有各点的温度分布）（或物体内所有各点的温度分布）可以用下式表示：可以用下式表示：t=f(x, y, z,)对于稳定温度场：对于稳定温度场： t=f(x, y, z)第二节热传导 一、傅立叶定律1 1、基本概念、基本概念制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业33等温面：温度场中温度相同的点相连接而构等温面：温度场中温度相同的点相连接而构成的面。成的面。温度不同的等温面彼此不会相交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

19、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）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第四章传热制药工程专业34温度梯度：热量沿等温面无热量传递；沿与等温温度梯度：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，热量都可面相交的任何方向温度都发生变化，热量都可以发生传递。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，温度随距离的变化以沿等温面垂直的方向为最大，两等温面的温度差两等温面的温度差t与其间的垂直之与其间的垂直之n比在比在n趋于零时的极限称为温度梯度，即：趋于零时的极限称为温度梯度，即：ntntn0lim温度梯度温

20、度梯度制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业35温度梯度是向量，其方向垂至于等温面，并以温度梯度是向量，其方向垂至于等温面，并以温度增加的方向为正。温度增加的方向为正。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业36dxdtAQdxdtqTTT+dTT1T2dxx付立叶定律付立叶定律(Fouriers law)：单位时间热传导的方式传：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。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

21、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第四章传热制药工程专业37二、热导率（导热系数）dxdtAQ（1）固体的导热系）固体的导热系数数大多数固体的导热系数与温度大致呈线性大多数固体的导热系数与温度大致呈线性关系。关系。 =0（1+t） 温度系数温度系数制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业38（2）液体的导热系数）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：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液态金属导热系数随温度升高而降低。降低。其他液体：水的导热系数最大，除水和甘油其

22、他液体：水的导热系数最大，除水和甘油外，外，随温度升高略有减少，纯液体随温度升高略有减少，纯液体比其它比其它液体的要大。液体的要大。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业39（3）气体的导热系数）气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而增大，随压强气体的导热系数随温度升高而增大，随压强增大而增加增大而增加。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第四章传热制药工程专业40三、平壁稳定热传导平壁内的温度只沿垂直于壁面的平壁内的温度只沿垂直于壁面的x方向变化，而方向变化，而且温度分布不随时间而变化；平壁材料均匀，且温度分布不随时间而变

23、化；平壁材料均匀，导热系数导热系数可视为常数（或取平均值）。对于此可视为常数（或取平均值）。对于此种稳定的一维平壁热传导，导热速率种稳定的一维平壁热传导，导热速率Q和传热和传热面积面积A都为常量，式都为常量，式4-3可简化为可简化为（一）单层平壁热（一）单层平壁热传导传导如图所示，设有一宽如图所示，设有一宽度和高度均很大的平度和高度均很大的平壁，壁边缘处的热损壁，壁边缘处的热损失可以忽略；失可以忽略；dxdtAQ制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业41当当x=0时，时，t=t1；x=b时，时，t=t2；且；且t1t2。将式（。将式（4-5）积分后，可得：积分后，可得：21ttAbQd

24、xdtAQRtAbttQ21或：或：b平壁厚度，平壁厚度，m；t温度差，导热推动力，温度差，导热推动力，；R导热热阻，导热热阻，/W。当导热系数当导热系数为常量时，平壁内温度分布为直线；当导热系数为常量时，平壁内温度分布为直线；当导热系数随随温度变化时，平壁内温度分布为曲线。温度变化时，平壁内温度分布为曲线。试推导平壁内部试推导平壁内部温度分布方程？温度分布方程？制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业42上式可归纳为上式可归纳为自然界中传递过程的普遍关系式自然界中传递过程的普遍关系式：过过程程的的阻阻力力过过程程的的推推动动力力过过程程传传递递速速率率 制药工程专业化工原理教案第四章传

25、热制药工程专业43单层平壁导热速率的工作单层平壁导热速率的工作方程式方程式 温度差称为传热推动力，温度差称为传热推动力，R称为导热热阻。称为导热热阻。导热系数导热系数是物质的物理性质之一。其值的大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热材料，例如，需要提高值来选择合适的导热材料，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之，需要减小导热速率的场合选用导

26、热系数小的材料。小的材料。RtAbttQ 21制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业44【例例4-1】 某平壁厚度某平壁厚度b=0.37m，内表面温度，内表面温度t1=1650，外表面温度，外表面温度t2=300，平壁材料，平壁材料导热系数导热系数=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）和变量计算，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。和导热热通量。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业45解：（1）导热系数按常量计算）导热系数按常量计算 平壁的平均温度平

27、壁的平均温度97523001650221tttm平壁材料的平均导热系数平壁材料的平均导热系数556. 197500076. 0815. 0mW/（m）导热热通量为：导热热通量为：W/m2W/m25677300165037. 0556. 121ttbq制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业46ttxq1xxqxtt36491650556. 1567716501设壁厚设壁厚x处的温度为处的温度为t，则由式，则由式4-6可得可得故故：上式即为平壁的温度分布关系式，上式即为平壁的温度分布关系式，表示平壁距离表示平壁距离x和等温表面的温度呈和等温表面的温度呈直线关系。直线关系。制药工程专业化工原

28、理教案第四章传热制药工程专业47W/m2 xtt.xttaxtqdd007608150dddd0btttt.xq021d0007608150d212212200076. 0815. 0ttttqb（2）导热系数按变量计算，由式）导热系数按变量计算，由式4-5得得 qdx=（0.815+0.0076t）dt得得 ： （a）或：或：积分：积分：5677300165037. 0200076. 0300165037. 0815. 022q制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业48当当b=x时，时，t2=t，代入式（，代入式（a），可得），可得221650200076. 01650815. 05

29、677ttx01650200076. 01650815. 0567700076. 0200076. 0815. 0222xttxt761049. 11041. 71072整理上式得整理上式得解得解得 上式即为当上式即为当随随t呈线性变化时单层平壁的温度分布关系式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。，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。为曲线。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药

30、工程专业49金属金属 1-400 W/(m2K)建筑材料建筑材料 0.1-1 W/(m2K)绝热材料绝热材料 0.01-0.1 W/(m2K)液体液体 0.1-0.6 W/(m2K)气体气体 0.005-0.05 W/(m2K)各种物质导热系数的大致范围如下：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第四章传热制药工程专业50以三层平壁为例，如图以三层平壁为例，如图4-7所示。各层的壁厚分别为所示。各层的壁厚分别为b1、b2和和b3，导热系数分别为，导热系数分别为1、2和和3。假设层与层之间接触。假设层与层之间接触良好，即相接触的两表面温度相同。各表面温度分别为良好，即相接触的两

31、表面温度相同。各表面温度分别为t1、t2、t3和和t4，且，且t1t2t3t4。（二）多层平壁的热传导（二）多层平壁的热传导在稳定导热时，通过各层的导热在稳定导热时，通过各层的导热速率必相等，即速率必相等，即Q=Q1=Q2=Q3。343323221211bttAbttAbttAQ制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业51AbQttt11211AbQttt22322AbQttt33433由上式可得由上式可得（4-8）（4-9）（4-10） （4-11）可见，各层的温差与热阻成正比。可见，各层的温差与热阻成正比。321332211321:RRRAbAbAbttt343323221211bt

32、tAbttAbttAQ制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业52式（式（4-8）、（）、（4-9）、（）、（4-10）由合比定律，并整理得）由合比定律，并整理得：AbAbAbttAbAbAbtttQ33221141332211321总热阻总热阻总推动力总推动力 RtAbttQniiin111 式式4-12即为三层平壁的热传导速率方程式。即为三层平壁的热传导速率方程式。对对n层平壁，热传导速率方程式为层平壁，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，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。即总温度差，总热阻为各层热阻之和。

33、（4-12）（4-7）制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业53工业上经常遇到多层圆筒壁工业上经常遇到多层圆筒壁的导热，如下图所示，在蒸的导热，如下图所示，在蒸汽管道外包裹绝热层；在换汽管道外包裹绝热层；在换热管的内、外侧表面上生成热管的内、外侧表面上生成垢层，从而构成多层圆筒壁垢层，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第四章传热制药工程专业54(一一)单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导在在r处，取厚处，取厚dr，长，长l 的等温薄圆筒壁的等温薄圆筒壁 A=2 rlr1r2lt2t1rt1lr1r2t2drr制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业5

34、5drdtrldrdtAQ)2(dtlrdrQ2Fouriers law制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业5621122lnttlrrQr1t1r21212ttrrdtlrdrQ制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业57RtrrlttttrrlQ12212112ln21ln221122lnttlrrQdrdtrldrdtAQ)2(由：由：rrrttdrdt1ln1221温度梯度温度梯度RtAbttQ21制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业5812212112lnln22rrrttttrrrllrQAQq热流密度：热流密度：随随r变化变化导热速率：导热速率：与与r无

35、关无关RtrrlttttrrlQ12212112ln21ln2制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业5912212112ln21ln2rrlttttrrlQ由：由：1212211222ln)()()(2lrlrrrttrrl12122112ln)()()(AArrttAA)(21ttAbm制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业601212ln)(AAAAAmA2=2 r2LA1=2 r1L制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业61r1t1r 当当A2/A1 2Am=(A2+A1)/2制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业62 (二二)多层圆筒壁导热多层圆筒壁导热

36、三层：三层：QQQQ321344332332212211ln2ln2ln2rrttlrrttlrrttlQ34323212141ln1ln1ln12rrrrrrttlQ）（制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业6334323212141ln1ln1ln12rrrrrrttlQq）（单位圆筒壁的导热速度计算式为：单位圆筒壁的导热速度计算式为：333432223221121mmmAbttAbttAbttQ33322211141mmmAbAbAbttQ也可写成以平均面积为基准的计算式：也可写成以平均面积为基准的计算式：制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业64n层：层： ninnnn

37、innrrlnttlQ111112制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业65【例【例4-1】一套管换热器的内管为】一套管换热器的内管为252.5mm的钢管，钢的的钢管，钢的导热系数为导热系数为45 W/(mK)，该换热器在使用一段时间以后，在换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热管的内外表面上分别生成了1mm和和0.5mm厚的污垢，垢层的厚的污垢，垢层的导热系数分别为导热系数分别为1.0 W/(mK)和和0.5 W/(mK)，已知两垢层与流已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为体接触一侧的温度分别为160和和120，试求此换热器单位管，试求此换热器单位管长的传热量

38、。长的传热量。2160 120950120125127lnlnln1.01845200.525qW/m代入数据得代入数据得解：换热器的热流密度解：换热器的热流密度343232121411112ddlnddlnddlnttlQq ）（制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业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第四章传热制药工程专业671.1.定义：定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的分之间，由于发生相对的宏观运动宏观运动而把热量而把热

39、量由一处传递到另一处的现象。由一处传递到另一处的现象。1. 1. 对流换热：对流换热：当流体流过一个物体表面时的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，具有如量传递过程，他与单纯的对流不同，具有如下下特点：特点： a、导热与热对流同时存在导热与热对流同时存在的复杂热传递过程的复杂热传递过程 b、必须有、必须有直接接触直接接触（流体与壁面）和（流体与壁面）和宏观运宏观运动动； c、壁面处会形成速度梯度很大的、壁面处会形成速度梯度很大的边界层边界层 制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业68由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。由于对流传热的多样性，有必要将

40、问题分类加以研究。对流换热的分类对流换热的分类制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业69制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业701 1、层流底层：、层流底层：靠近壁面的流体，由于流体粘度作用靠近壁面的流体，由于流体粘度作用，形成一薄层作层流流动膜，形成一薄层作层流流动膜 ，称为层流底层，热量传，称为层流底层，热量传递主要是靠分子扩散运动以层流的方式进行，热阻主递主要是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。要集中在层流底层中，造成较大的温度降。2 2、过渡区：、过渡区：在层流底层与湍流主体之间存在着一个在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡

41、区，该区的流体由于漩涡运动，而造成流体质点过渡区，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。流方式存在，故温度梯度逐渐变小。3 3、湍流主体：、湍流主体：流体质点的剧烈碰撞与混合，热量传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。，各处的温度相等。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业71假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为

42、在厚度为t有效膜中，在有效膜之外无热阻有效膜中，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。由此假定，此时的温度分式传热的虚拟膜。由此假定，此时的温度分布情况如下式所示：。布情况如下式所示：。建立膜模型：建立膜模型：tetet总有效膜厚度；总有效膜厚度；e湍流区虚拟膜厚度；湍流区虚拟膜厚度；层流底层膜厚度。层流底层膜厚度。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业72tAAt

43、Qtt使用傅立叶定律表示传热速率在虚使用傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内：拟膜内：AttA1牛顿冷却定牛顿冷却定律律 对流传热系数对流传热系数(膜系数膜系数)，W/(m2)；变量变量制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业73牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只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，假设是一种推论，是一个实验定律，假设Q t。热阻推动力RtAttttAQww1)(QAt一定时，和对流传热一个非常复杂的物理过程，实际上由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于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律只是给出

44、了计算传热速率简单的数学表达式，并未简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化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了结到了 当中当中复杂问题简单化表示。复杂问题简单化表示。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业74二、影响对流传热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）查当流体种类确定后，根

45、据温度、压力（气体）查对应的物性，影响对应的物性，影响 较大的物性有：较大的物性有： ， ， ，cp。 的影响：的影响：，； 的影响：的影响：，Re ，；cp的影响：的影响：cpcp单位体积流体的热容量大，则单位体积流体的热容量大，则 较大；较大； 的影响的影响: ，Re， 1.1.流体的物性流体的物性制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业75自然对流：由于流体内部存在温差引起密自然对流：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，一般上升和下降运动，一般u较小，较小， 也较小。也较小。强制对流：在外力作用下引起的流

46、动运动强制对流：在外力作用下引起的流动运动，一般，一般u较大，故较大，故 较大。较大。自强2.2.引起流动的原因引起流动的原因制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业76,Re层湍层流：热流主要依靠热传导的方式传热。层流：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。得多，所以热阻大。湍流：质点充分混合且层流底层变薄，湍流：质点充分混合且层流底层变薄， 较较大。大。但但Re 动力消耗大。动力消耗大。 3.3.流动型态流动型态制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业77不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边不同

47、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，使界层分离，产生旋涡，增加湍动，使 增大。增大。（1）形状：比如管、板、管束等；）形状：比如管、板、管束等；（2）大小：比如管径和管长等；）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）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）；管或板是垂直放正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。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系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小来表示其大小。4.4.传热面的形状、大小和位置

48、传热面的形状、大小和位置制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业78主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（热（r远大于远大于cp）。一般情况下，有相变化时）。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。对流传热系数较大，机理各不相同，复杂。无相变相变5.5.是否发生相变是否发生相变制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业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

49、复杂简单表示，把复，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，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。得到其经验关联式。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业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响因素表示为u流

50、体速度，反映流体流动状况影响流体速度，反映流体流动状况影响, 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。传热表面的特征尺寸，反映传热面几何因素的影响。 gt表示流体由于温差表示流体由于温差t而产生的浮升力，而产生的浮升力，称为流体的膨胀系数，因次为称为流体的膨胀系数，因次为1/。 )tg,C,k, l ,u(fp 制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业81用因次分析得到准数用因次分析得到准数雷诺数雷诺数 Re ldu努塞尔数努塞尔数 Nu制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业

51、82 pC223tLg 普兰特数普兰特数 Pr格拉斯霍夫数格拉斯霍夫数 Gr制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业83对于几何相似的设备，运用因次分析法，写成准数式对于几何相似的设备，运用因次分析法，写成准数式Nuf Re,Pr,Nuf Pr Gr努塞尔准数努塞尔准数 ； 待求准数，包括待求的给热系数待求准数，包括待求的给热系数 lNu雷诺准数雷诺准数 ； 反映对流强度对传反映对流强度对传热的影响热的影响 luRe。取取管管子子内内径径特特性性尺尺寸寸dl制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业84普兰特准数普兰特准数 ； 反映流体物性反映流体物性的影响的影响 格拉斯霍夫准数格拉

52、斯霍夫准数 ；反映自；反映自然对流的影响然对流的影响 223tglGr借助实验研究方法求取以上各类别中的具体借助实验研究方法求取以上各类别中的具体准数关联式。准数关联式。 pCPr制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业85（1 1）对于低粘度流体：）对于低粘度流体：0.80.023nNuRePr式中式中n值与热流方向有关，值与热流方向有关，当流体被加热时，当流体被加热时，n=0.4，当流体被冷却时，当流体被冷却时，n=0.3。应用范围：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。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

53、特征尺寸：取为管内径d1。 160ld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（一）流体在管内作强制对流1 1、圆形直管强制湍流的给热系数、圆形直管强制湍流的给热系数熟记！熟记！制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业86n取不同的数值，这是为了反映热流方向对给热系数的影响。取不同的数值，这是为了反映热流方向对给热系数的影响。对于气体对于气体由于由于Pr1，即即Pr0.4Pr0.3 ，气体被加热的给热系数小于被冷气体被加热的给热系数小于被冷却给热系数。这是由于气体粘度随温度升高而增大，气体被却给热系数。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。加热

54、时的边界层较厚的缘故。 对于液体对于液体由于由于Pr1，所以所以Pr0.4Pr0.3，即液体被加热的给热系数大于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。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第四章传热制药工程专业87

55、液体被加热液体被加热 1.05，液体被冷却，液体被冷却 0.95。0.140.80.330.027wNuRePr14. 0w14. 0w（2 2）高粘度液体：）高粘度液体：应用范围：应用范围：Re10000；0.7Pr16700；l/d160定性温度：定性温度：w取壁温作定性温度，其余各物性取液体平均温取壁温作定性温度，其余各物性取液体平均温度作定性温度。度作定性温度。特征尺寸：取为管内径。特征尺寸：取为管内径。制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业88 流体流过短管时，入口扰动较大，增大了传热，不容忽流体流过短管时，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视，给热系

56、数应乘以一个大于1的修正系数：的修正系数：7 . 01ldld为管内径，为管内径，l为管长。为管长。 (3)短管短管（l/d 525，与与q 都急剧增大；都急剧增大； t 25，不稳定，不稳定， 与与q 急剧下降急剧下降膜状沸腾：膜状沸腾：临界点临界点自然对流自然对流 泡状沸腾泡状沸腾膜状沸腾膜状沸腾制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业118工业上的沸腾装置多维持在核工业上的沸腾装置多维持在核状沸腾状态状沸腾状态 2 2、沸腾对流传热系数的计算、沸腾对流传热系数的计算( (不作要求不作要求) )大容积饱和核状大容积饱和核状沸腾沸腾33. 0vlwerpgrqCsrptc (1) 各参

57、数见相关各参数见相关文献文献(2) 7 . 0125. 06 . 041025. 3paeKGpNu制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业1193 3、影响沸腾传热的因素、影响沸腾传热的因素(1)温度差的影响温度差的影响 应尽量在核状沸腾阶段进行应尽量在核状沸腾阶段进行操作。操作。(2)操作压力的影响操作压力的影响 p，强化对流传热过程，强化对流传热过程。(3)液体物性的液体物性的影响影响 (4)加热面的加热面的影响影响 壁面粗糙的，壁面粗糙的，有利有利 表面张力小，表面张力小，有利有利 制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业120图示出了垂直管内液体沸腾过程中出现的流图示出了

58、垂直管内液体沸腾过程中出现的流动型态和传热类型，液体进入管内至开始产动型态和传热类型，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。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腾区，形成泡状流和块状流(汽泡汇合成块汽泡汇合成块)，随着蒸汽含量的进一步增加，大汽块进一步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。

59、环合并，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，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。干蒸汽的单相传热区。 管内沸腾传热（补充）管内沸腾传热（补充）制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业121制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专业122对流传热系数关联式小结对流传热系数关联式小结 有相变有相变无相变 自然对流自然对流管束外管束外水平圆管外水平圆管外外壁外壁湍流湍流层流层流管内管内沸腾传热沸腾传热冷凝传热冷凝传热制药工程专业化工原理教案第四章传热制药工程专

60、业123在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三个方面的问题。个方面的问题。 应用范围：应用范围： 只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。定性温度：定性温度： 取流体进，出口温度的算术平均值作为定性温度取流体进，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。液主体温度和壁温的算术平均值作为定性温度。特征尺寸特征尺寸 ：一般选取对传：一般选取对传 热起决定作用的几何因素作为特征热起决定作用的几何因素作