制药工程原理与设备传热

1、第第 四四 章章 传传 热热4.1 4.1 概概 述述 4.1.1 4.1.1 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：由于温度差而引起的热量传递过程。（热传递）传热：由于温度差而引起的热量传递过程。（热传递）在化工生产中作用：加热、冷却、保温在化工生产中作用：加热、冷却、保温推动力：温度差。温度差越大，传递的热量也越多。推动力：温度差。温度差越大，传递的热量也越多。热流方向：高温热流方向：高温 低温低温化工生产中所涉及的传热过程有以下两类：化工生产中所涉及的传热过程有以下两类：（1 1）强化传热过程：加热或冷却物料，要求传递速率越高越好。）强化传热过程：加热或冷却物料，要求

2、传递速率越高越好。（2 2）削弱传热过程削弱传热过程：设备及管道的保温，要求传递速率越低越好。：设备及管道的保温，要求传递速率越低越好。学习传热的目的：学习传热的目的： （1 1）分析影响传热速率的因素。）分析影响传热速率的因素。 （2 2）掌握控制传热速率的一般规律。）掌握控制传热速率的一般规律。 （3 3）根据生产要求选择适宜的换热器）根据生产要求选择适宜的换热器4.1.24.1.2传热的基本方式传热的基本方式 根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：根据传热机理不同，传热的基本方式有三种： 热传导、热对流和热辐射。热传导、热对流和热辐射。 1 1热传导热传导 热传导热传导（导热）：（导热

3、）：物体各部分之间不发生相对位移，依靠原子、物体各部分之间不发生相对位移，依靠原子、 分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引 起的热量传递。起的热量传递。热传导的条件：当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差。热传导的条件：当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差。 热能从物体的温度较高部分传到温度较低部分。热能从物体的温度较高部分传到温度较低部分。金属固体：依靠自由电子的运动。不良导体的固体和大部分液体：依靠原子、分子碰金属固体：依靠自由电子的运动。不良导体的固体和大部分液体：依靠原子、分子碰撞传递热量。气体：分子的不规则运动而引起的。撞传递

4、热量。气体：分子的不规则运动而引起的。2 2热对流热对流 热对流：由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的热对流：由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的 传递热量的方式。传递热量的方式。热对流过程中往往伴有热传导。热对流过程中往往伴有热传导。对流类型：强制对流对流类型：强制对流：流体的运动是由于受到外力的作用：流体的运动是由于受到外力的作用 ( (如风机、水泵或其它外界压力等如风机、水泵或其它外界压力等) )所引起；所引起； 自然对流：自然对流：流体的运动是由于流体内部冷、热部分的流体的运动是由于流体内部冷、热部分的 密度不同而引起密度不同而引起工程中通常将流体和固体壁面

5、之间的传热称为对流传热。工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热。 3 3热辐射热辐射热辐射：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。热辐射：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。辐射传热：物体间相互辐射和吸收能量的总结果。辐射传热：物体间相互辐射和吸收能量的总结果。方向：高温方向：高温 低温低温热辐射的电磁波波长范围热辐射的电磁波波长范围0.380.38100m100m，可见光和红外线范围。，可见光和红外线范围。特点：两物体不相接触，也不需任何介质。特点：两物体不相接触，也不需任何介质。实际上上述三种传热方式往往是同时出现的。实际上上述三种传热方式往往是同时出现的。4.1.3 4.1.

6、3 间壁换热过程的剖析间壁换热过程的剖析 1 1间壁式换热器间壁式换热器 换热器：进行换热的设备。换热器：进行换热的设备。 间壁式换热器：冷、热两种流体用固体间壁式换热器：冷、热两种流体用固体壁面隔开，冷、热流体在间壁两侧流动。壁面隔开，冷、热流体在间壁两侧流动。 套管式换热器套管式换热器2 2传热速率与热流密度传热速率与热流密度传热速率传热速率（热流量）（热流量）Q Q：单位时间内通过传热面的热量。单位时间内通过传热面的热量。表表示换热器传热的快慢。示换热器传热的快慢。热流密度热流密度（热通量）（热通量）q q：是指单位时间内通过单位传热面积是指单位时间内通过单位传热面积的热量。的热量。单位

7、传热面积的传热速率，单位为单位传热面积的传热速率，单位为W/mW/m2 2。 QqA热阻（阻力）传热温差传热速率 3. 3. 稳态传热与非稳态传热稳态传热与非稳态传热稳态传热：在传热过程中物系各点温度不随时间变化。稳态传热：在传热过程中物系各点温度不随时间变化。 连续的化工生产过程大都属于稳态传热。连续的化工生产过程大都属于稳态传热。非稳态传热：在传热过程中物系各点温度随时间变化。非稳态传热：在传热过程中物系各点温度随时间变化。 间歇操作传热过程和开、停车或改变操作参数时的传热过程属于非稳间歇操作传热过程和开、停车或改变操作参数时的传热过程属于非稳态传热。态传热。4. 4. 两流体通过间壁的换

8、热过程两流体通过间壁的换热过程 两流体通过间壁传热由对流、导热、对流三个过程串联组成。两流体通过间壁传热由对流、导热、对流三个过程串联组成。 (1)(1)热流体以对流方式将热量传递到热流体以对流方式将热量传递到 间壁的左侧间壁的左侧Q Q1 1 (2) (2)热量从间壁的左侧以热传导的方式热量从间壁的左侧以热传导的方式 传递到右侧传递到右侧Q Q2 2 (3) (3)以对流方式将热量从右侧壁面传递以对流方式将热量从右侧壁面传递 给冷流体给冷流体Q Q3 3稳态传热：稳态传热：Q Q1 1=Q=Q2 2=Q=Q3 35. 5. 传热速率方程式传热速率方程式 Q=KAtQ=KAtm m K K比例

9、系数，称为总传热系数，比例系数，称为总传热系数，W/W/（m m2 2KK）；）； QQ传热速率，传热速率，J/s(J/s(或或W)W)； AA传热面积，传热面积， m m2 2； ttm m两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，K(K(或或) )。4.2 热热 传传 导导 4.2.1 傅立叶定律傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律傅立叶定律是热传导的基本定律，它表示热传导的速率与温度梯度和垂直于热流方，它表示热传导的速率与温度梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。向的导热面积成正比。 Q Q传热速率，传热速率，W W； 导热系数，导热系数，W/W/（m mK K） 或或W/W/（m m）

10、；）； A A导热面积，垂直于热流方向的截面积，导热面积，垂直于热流方向的截面积，m m2 2； 温度梯度，温度梯度，/m/m。 负号表示热流方向与温度梯度方向相反负号表示热流方向与温度梯度方向相反 dtQAdx dtdx4.2.2 导热系数导热系数 物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。 ：表征物质的导热能力的大小，是物质的物性参数：表征物质的导热能力的大小，是物质的物性参数， W/W/（m mK K）或）或W/W/（m m）。）。 ，导热能力，导热能力。=f(=f(种类种类( (固、液、气固、液、气) )、组成、结构、温

11、度、压力）、组成、结构、温度、压力）：实验测定。：实验测定。 金属金属非非金属金属 液体液体 溶液溶液 气体气体(1) (1) 固体的固体的 金属是最好的导热体。金属是最好的导热体。 纯金属纯金属 合合金金 t t , , 非金属：非金属： t t , , (2) (2) 液体的液体的 金属液体：金属液体：t t , , 非金属液体：非金属液体：t t , , 。金属液体金属液体 非金属液体非金属液体 纯液体纯液体 溶液溶液 溶液的溶液的：经验公式，查手册。：经验公式，查手册。(4) (4) 气体的导热系数气体的导热系数 =f(T=f(T），）， t t , , 气体的导热系数很小，故对导热不

12、利，但对保温有利。气体的导热系数很小，故对导热不利，但对保温有利。4.2.3 4.2.3 平壁的稳态热传导平壁的稳态热传导1. 1. 单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导 1212tttttQAbbRA结论：结论： Q Q正比于正比于tt，反比于热阻，反比于热阻 R R R=b/A b R=b/A b，R; ,RR; ,R 例例4-1 4-1 现有一平壁厚度为现有一平壁厚度为400mm400mm，内壁温度为，内壁温度为500500，外壁温度为，外壁温度为100100。试求：（。试求：（1 1）通过平壁的导热热量，通过平壁的导热热量，W/mW/m2 2；（；（2 2）平壁内距内壁）平壁内距内

13、壁150mm150mm处的温度。已知该温度范围内砖处的温度。已知该温度范围内砖壁的平均导热系数壁的平均导热系数=0.6W/=0.6W/（m m）。）。 解解 （1 1） （2 2） 212500 100600/0.40.6ttQqW mbA16005000.153500.6qttb2.2.多层平壁的稳态热传导多层平壁的稳态热传导 三层平壁，层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等三层平壁，层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等 厚度分别为厚度分别为b b1 1、b b2 2、b b3 3，导热系数为，导热系数为1 1、2 2、3 3， 对于稳态热传导过程对于稳态热传导过程123QQQ

14、Q12111111tttQAbbA2222tQbA3333tQbA123312123tttQbbbAAA 12314123123tttttQRRRRRR 4.3 对 流 传 热 4.3.1 对流传热系数的经验关联式对流传热系数的经验关联式1. 影响对流传热系数的主要因素影响对流传热系数的主要因素 (1) 流体的种类和状态流体的种类和状态 液体、气体、蒸汽、是否有相变化。液体、气体、蒸汽、是否有相变化。相变相变无相变无相变 (2) 流体的物理性质流体的物理性质 、Cp、等；等； (3) 流体的流动状态流体的流动状态 层流和湍流层流和湍流 Re，湍动程度，湍动程度， t ，。(4) 流体对流的状况

15、流体对流的状况 强制对流：强制对流： Re， 自然对流：密度不同所产生的浮升力引起的流动。自然对流：密度不同所产生的浮升力引起的流动。 (5) 传热表面的形状、位置及大小传热表面的形状、位置及大小 管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置 4.3.2 流体无相变时对流传热系数的经验关联式流体无相变时对流传热系数的经验关联式 1 流体在流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 低粘度的流体低粘度的流体 Nu=0.023Re0.8Prn 当流体当流体被被加热时，式中加热时，式中n=0.4n

16、=0.4；流体；流体被被冷却时，冷却时，n=0.3n=0.3 适用范围：适用范围：ReRe10104 4，0.70.7PrPr160160，管长与管径之比，管长与管径之比L/d50L/d50，2 21010-3-3PaPas s； 特性尺寸：管内径特性尺寸：管内径d di i； 定性温度：定性温度： t tm m= =（t t1 1+t+t2 2）/2/2；0.80.023npcdud （非常重要）（非常重要） 高粘度液体高粘度液体 适用范围：适用范围：ReRe10104 4，0.70.7PrPr1670016700，管长与管径之比，管长与管径之比L/d60L/d60； 特性尺寸：管内径特性尺

17、寸：管内径d di i； 定性温度：除粘度定性温度：除粘度w w取壁温外，；取壁温外，； t tm m= =（t t1 1+t+t2 2）/2/2 当液体被加热时当液体被加热时 当液体被冷却时当液体被冷却时 对于气体，不管是加热或冷却，对于气体，不管是加热或冷却， 皆取皆取1 1 0.80.330.140.027RePr()wNu0.14()1.05w0.14()0.95w0.14()w4.3.4 4.3.4 流体有相变时的对流传热流体有相变时的对流传热 蒸汽冷凝和液体沸腾蒸汽冷凝和液体沸腾 相变相变无相变无相变1 1蒸汽冷凝时的对流传热蒸汽冷凝时的对流传热蒸汽冷凝传热：当饱和蒸汽与低于饱和温

18、度的壁面接触时，将冷凝蒸汽冷凝传热：当饱和蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将冷凝 成液滴并释放出气化潜热。成液滴并释放出气化潜热。(1) 蒸汽冷凝的两种方式蒸汽冷凝的两种方式膜状冷凝：膜状冷凝：冷凝液能够润湿壁面，在壁面上形成一层完整冷凝液能够润湿壁面，在壁面上形成一层完整 的液膜。的液膜。滴状冷凝滴状冷凝：冷凝液不能够润湿：冷凝液不能够润湿壁面，在壁面上形成许多的小液滴。壁面，在壁面上形成许多的小液滴。 膜状冷凝膜状冷凝 小于小于 滴状冷凝滴状冷凝工业冷凝器的设计都按膜状冷凝考虑。工业冷凝器的设计都按膜状冷凝考虑。 2. 2. 液体沸腾时的对流传热液体沸腾时的对流传热液体沸腾：液体沸腾：液体

19、加热时，在液体内部伴有由液相变成气相产生汽泡的过程。（主要液体加热时，在液体内部伴有由液相变成气相产生汽泡的过程。（主要分为：大容器沸腾和管内沸腾）分为：大容器沸腾和管内沸腾）大容器沸腾大容器沸腾: : 大容器沸腾是指加热面被沉浸在无强制对流的液体内部而引起的沸大容器沸腾是指加热面被沉浸在无强制对流的液体内部而引起的沸腾传热过程。腾传热过程。 沸腾产生的条件沸腾产生的条件 t t1 1t ts s 过热度指液体主体温度过热度指液体主体温度t t1 1与液体饱和温度之差与液体饱和温度之差t ts s 。即。即 过热度过热度:t=t:t=t1 1-t-ts s。 汽化核心汽化核心：产生汽泡的点，粗

20、糙不平的小坑和划痕：产生汽泡的点，粗糙不平的小坑和划痕大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线AB段，自然对流区段，自然对流区 ，t 较小时，传热以自然对较小时，传热以自然对流为主流为主 。BCBC段，核状沸腾区段，核状沸腾区 ，汽泡产生速度大，汽泡产生速度大，上升很上升很快。快。CDECDE段，膜状沸腾区段，膜状沸腾区 ，当，当tt增大到一定程度，增大到一定程度，汽泡产生速度大于脱离的速度，气体的导热系数汽泡产生速度大于脱离的速度，气体的导热系数比液体小的多，使传热困难，对流传热系数比液体小的多，使传热困难，对流传热系数下下降降 。 工业一般控制在工业一般控制在核状沸腾区核状沸腾区 控制控制tt

21、c核状沸腾也称为泡状沸腾核状沸腾也称为泡状沸腾传热类型传热类型/ W/(m2K) 传热类型传热类型/ W/(m2K)空气自然对流空气自然对流525水蒸气冷凝水蒸气冷凝500015000空气强制对流空气强制对流30300有机蒸汽冷凝有机蒸汽冷凝5003000水自然对流水自然对流2001000水沸腾水沸腾150030000水强制对流水强制对流10008000有机物沸腾有机物沸腾50015000有机液体强制对有机液体强制对流流5001500值的大致范围值的大致范围 4.4传热计算传热计算（本章重点）（本章重点）4.4.1 热量衡算热量衡算 热负荷热负荷:生产上要求流体温度生产上要求流体温度变化而吸收

22、或放出的热量。变化而吸收或放出的热量。Q热负荷，热负荷，W； qm ,h、qm,c热、冷流体的质量流量，热、冷流体的质量流量，kg/s； cp,h、cp,c热、冷流体的平均定压比热，热、冷流体的平均定压比热，kJ/（kgK） th1、th2热流体的进、出口温度，热流体的进、出口温度，； tc1、tc2冷流体的进、出口温度，冷流体的进、出口温度，。,12,21m hp hhhm cp cccQqcttqctt4.4.2 4.4.2 传热平均温度差的计算传热平均温度差的计算 1.1.恒温传热恒温传热 恒温传热恒温传热: :热交换时，冷热流体在壁面两侧温度不变化热交换时，冷热流体在壁面两侧温度不变化

23、间壁的一侧是饱和水蒸汽冷凝，另一侧液体沸腾间壁的一侧是饱和水蒸汽冷凝，另一侧液体沸腾 ttm m=t=th h-t-tc c th-热流体的温度热流体的温度； tc -冷流体的温度冷流体的温度。 2.2.变温传热变温传热 流体变温流体变温thtc1tc2th1tcth2(a ) (b) 一侧流体变温时的温差变化一侧流体恒温另一侧流体变温一侧流体恒温另一侧流体变温(1)(1)流动型式流动型式并流：换热的两种流体以相同的方向流动。并流：换热的两种流体以相同的方向流动。 逆流：换热的两种流体在以相对的方向流动。逆流：换热的两种流体在以相对的方向流动。 错流：换热的两种流体呈垂直方向流动。错流：换热的

24、两种流体呈垂直方向流动。 折流：即有逆流又有并流折流：即有逆流又有并流(2)(2)并流和逆流时的平均温度差并流和逆流时的平均温度差ttm m1212lnmttttt （非常重要）（非常重要）tm：对数平均温度差，进、出口处两种流体温度差的对数平均值。对数平均温度差，进、出口处两种流体温度差的对数平均值。 当当t1/t22： 算术平均值算术平均值 tm = (t1+t2)/2当一侧变温另一侧流体恒温：并流或逆流的平均温度差相等；当一侧变温另一侧流体恒温：并流或逆流的平均温度差相等；当两侧流体变温传热：并流和逆流时的平均温度差则不同。当两侧流体变温传热：并流和逆流时的平均温度差则不同。常取两端温度

25、差中大者作为常取两端温度差中大者作为t1，小者作为，小者作为t2，以使式中分子与分母都是正数。，以使式中分子与分母都是正数。 例例 现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为100,100,出口温度为出口温度为160160；某反应物在管内流动，进口温度为；某反应物在管内流动，进口温度为250250，出口温度为，出口温度为180180。分别计算并流与。分别计算并流与逆流时的平均温度差。逆流时的平均温度差。 解解 并流：并流： 250180 250180 100160 100160 150 20 150 20 逆流：逆流： 2501

26、80250180 160100 160100 90 80 90 80逆流操作时，因逆流操作时，因tt1 1/t/t2 2=90/802=90/802，可以用算术平均值，可以用算术平均值， ttm m = (t = (t1 1+t+t2 2)/2=(90+80)/2=85 )/2=(90+80)/2=85 当两种流体的进、出口温度皆已确定时，逆流时的平均温度差比并流时大。当两种流体的进、出口温度皆已确定时，逆流时的平均温度差比并流时大。 1502065150ln201212lnmttttt 908084.790ln801212lnmttttt (3) 错流或折流时的平均温度差错流或折流时的平均温

27、度差 ttm m=ttttm m逆逆 t t =f(R=f(R，P)P) tt恒小于恒小于1 1，故错流和折流时的平均温度差总小于逆流。，故错流和折流时的平均温度差总小于逆流。管程管程: :管内的流程管内的流程, ,管程流体。管程流体。壳程壳程: :管外的流程管外的流程, ,壳程流体。壳程流体。12212111hhcccchcttttRPtttt 4.4.34.4.3总传热系数总传热系数 K 获取方法：获取方法： 选取经验值选取经验值 实验测定实验测定K K值；值； Q A tQ A tm mKK 计算。计算。 1 1总传热系数的计算总传热系数的计算 两流体通过管壁的传热包括以下过程：两流体通

28、过管壁的传热包括以下过程： 热流体以对流传热的方式将热量传给管壁一侧；热流体以对流传热的方式将热量传给管壁一侧； 通过管壁的热传导；通过管壁的热传导； 由管壁另一侧以对流传热的方式将热量传给冷流体。由管壁另一侧以对流传热的方式将热量传给冷流体。 污垢热阻：污垢积存，对传热形成附加的热阻，污垢热阻：污垢积存，对传热形成附加的热阻，Rs,i、Rs,o 平壁与薄壁管平壁与薄壁管 当传热面为平壁或薄壁管时，当传热面为平壁或薄壁管时，AoAiAmA当管壁热阻当管壁热阻b/较较1/ao、1/ai小得多时，则小得多时，则b/可忽略，同时忽略污垢热阻，可忽略，同时忽略污垢热阻，结论：结论：K值必然趋近且小于值

29、必然趋近且小于ao、ai中较小的一个；中较小的一个； 当当aiao时，时，Kai。,111s os ioibRRKaa111oiKaaiisiimsddRddddbRK0,000,00111（非常重要）（非常重要）K值总是接近热阻大的一侧流体的值总是接近热阻大的一侧流体的a值（值（a小小），总热阻由热阻较大一侧流体控制，），总热阻由热阻较大一侧流体控制，如果要提高如果要提高K，首先要提高，首先要提高a小小。ai、ao相差不太大时，两者必须同时提高。相差不太大时，两者必须同时提高。例例 某一套管换热器，内管为某一套管换热器，内管为 钢管，外管钢管，外管为为 的钢管。用冷却水冷却某有机物，冷却水在

30、管内流动，进口温度为的钢管。用冷却水冷却某有机物，冷却水在管内流动，进口温度为1515，出口温度为，出口温度为3030。有机物在环隙中流动，进口温度为。有机物在环隙中流动，进口温度为100100，出口温度为，出口温度为4040，流量，流量为为 ，平均比热为，平均比热为 。两流体逆流流动，若已知的水侧和有。两流体逆流流动，若已知的水侧和有机物侧的对流传热系数分别为机物侧的对流传热系数分别为12001200和和500 500 ，忽略污垢热阻及管壁热阻。试求换热器的传热面积。，忽略污垢热阻及管壁热阻。试求换热器的传热面积。mm5 . 225mm5 . 238hkg /40001.9/()kJkg K

31、2/()WmK2/()WmK4.5 4.5 热辐射热辐射4.5.1 4.5.1 基本概念基本概念热辐射热辐射：物体由于热的原因而产生的电磁波在空间物体由于热的原因而产生的电磁波在空间的传递。的传递。辐射传热辐射传热：是物体间相互辐射和吸收能量的总结果是物体间相互辐射和吸收能量的总结果。辐射传热辐射传热的特点：的特点：以电磁波形式传播，不需要任何以电磁波形式传播，不需要任何介质进行传递。介质进行传递。判断判断：热辐射可穿越真空，但对流、热传导不能。热辐射可穿越真空，但对流、热传导不能。辐射传热的规律：服从光的反射、折射定律。辐射传热的规律：服从光的反射、折射定律。吸收率吸收率 反射率反射率 透射

32、率透射率QQAAQQRRQQDDDRAQQQQ因为：1DRA所以：黑体黑体：能全部吸收辐射能的物体能全部吸收辐射能的物体 A=1。 白体：能全部反射辐射能的物体白体：能全部反射辐射能的物体 R=1。（镜体）。（镜体）透热体：能全部透过辐射能的物体透热体：能全部透过辐射能的物体 D=1。灰体灰体：能以相同的吸收率能以相同的吸收率A，吸收全部波长辐射能的，吸收全部波长辐射能的物体。（物体。（工业上，多数物体都可近似视为灰体）工业上，多数物体都可近似视为灰体）4.5.2 物体的辐射能力物体的辐射能力和有关的和有关的定律定律 辐射能力：物体在一定温度下，单位面积、单位时辐射能力：物体在一定温度下，单位面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，称为该物体在该间内所发射的全部波长的总能量，称为该物体在该温度下的辐射能力，以温度下的辐射能力，以E E表示，单位为表示，单位为W/mW/m2 2。单色发射能力单色发射能力 E：W/m2指指： 一定温度下，单位时间，单位面积上，一定温度下，单位时间，单位面积上，物体发射的某一波长的总