制药工程原理与设备 传热课件

1、第 四 章 传 热4.1 概 述 4.1.1 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）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。热流方向：高温 低温化工生产中所涉及的传热过程有以下两类：（1）强化传热过程：加热或冷却物料，要求传递速率越高越好。（2）削弱传热过程：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： （1）分析影响传热速率的因素。 （2）掌握控制传热速率的一般规律。 （3）根据生产要求选择适宜的换热器4.1.2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： 热传导、热对流和热辐射。 1热传导

2、热传导（导热）：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 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、分子碰撞传递热量。气体：分子的不规则运动而引起的。2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 传递热量的方式。热对流过程中往往伴有热传导。对流类型：强制对流：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)所引起； 自然对流：流体的运动是由于流体内部冷、热部分的 密度不同

3、而引起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热辐射热辐射：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。方向：高温 低温热辐射的电磁波波长范围0.38100m，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。实际上上述三种传热方式往往是同时出现的。4.1.3 间壁换热过程的剖析 1间壁式换热器 换热器：进行换热的设备。 间壁式换热器：冷、热两种流体用固体壁面隔开，冷、热流体在间壁两侧流动。 套管式换热器2传热速率与热流密度传热速率（热流量）Q：单位时间内通过传热面的热量。表示换热器传热的快慢。热流密度（热通量）q：是指单位时间内通过

4、单位传热面积的热量。单位传热面积的传热速率，单位为W/m2。 3. 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。 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。 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。4. 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。4.2 热 传 导 4.2.1 傅立叶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向的导热面积成正比。 Q传热速率，W； 导热系数，W/（mK） 或W/（m）； A导热面积，垂直于热流方向的

5、截面积，m2； 温度梯度，/m。 负号表示热流方向与温度梯度方向相反 4.2.2 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。 ：表征物质的导热能力的大小，是物质的物性参数， W/（mK）或W/（m）。 ，导热能力。=f(种类(固、液、气)、组成、结构、温度、压力）：实验测定。 金属非金属 液体 溶液 气体(1) 固体的 金属是最好的导热体。 纯金属 合金 t , 非金属： t , (2) 液体的 金属液体：t , 非金属液体：t , 。金属液体 非金属液体结论： Q正比于t，反比于热阻 R R=b/A b，R; ,R 例4-1 现有一平壁厚度为400mm，内壁温度为500

6、，外壁温度为100。试求：（1）通过平壁的导热热量，W/m2；（2）平壁内距内壁150mm处的温度。已知该温度范围内砖壁的平均导热系数=0.6W/（m）。 解 （1） （2） 2.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 厚度分别为b1、b2、b3，导热系数为1、2、3， 对于稳态热传导过程4.3 对 流 传 热 4.3.1 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 (1) 流体的种类和状态 液体、气体、蒸汽、是否有相变化。相变无相变 (2) 流体的物理性质 、Cp、等； (3) 流体的流动状态 层流和湍流 Re，湍动程度， t ，。(4)

7、流体对流的状况 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。 (5) 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 高粘度液体 适用范围：Re104，0.7Pr16700，管长与管径之比L/d60； 特性尺寸：管内径di； 定性温度：除粘度w取壁温外，； tm=（t1+t2）/2 当液体被加热时 当液体被冷却时 对于气体，不管是加热或冷却， 皆取1 4.3.4 流体有相变时的对流传热 蒸汽冷凝和液体沸腾 相变无相变1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度的壁面接触时，将冷凝 成液滴并释放出气化潜热。(1) 蒸汽冷

8、凝的两种方式膜状冷凝：冷凝液能够润湿壁面，在壁面上形成一层完整 的液膜。滴状冷凝：冷凝液不能够润湿壁面，在壁面上形成许多的小液滴。 膜状冷凝 小于 滴状冷凝工业冷凝器的设计都按膜状冷凝考虑。大容器饱和沸腾曲线AB段，自然对流区 ，t 较小时，传热以自然对流为主 。BC段，核状沸腾区 ，汽泡产生速度大，上升很快。CDE段，膜状沸腾区 ，当t增大到一定程度，汽泡产生速度大于脱离的速度，气体的导热系数比液体小的多，使传热困难，对流传热系数下降 。 工业一般控制在核状沸腾区 控制ttc核状沸腾也称为泡状沸腾传热类型/ W/(m2K)传热类型/ W/(m2K)空气自然对流525水蒸气冷凝50001500

9、0空气强制对流30300有机蒸汽冷凝5003000水自然对流2001000水沸腾150030000水强制对流10008000有机物沸腾50015000有机液体强制对流5001500值的大致范围 4.4传热计算（本章重点）4.4.1 热量衡算 热负荷:生产上要求流体温度变化而吸收或放出的热量。Q热负荷，W； qm ,h、qm,c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，kJ/（kgK） th1、th2热流体的进、出口温度，； tc1、tc2冷流体的进、出口温度，。4.4.2 传热平均温度差的计算 1.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间

10、壁的一侧是饱和水蒸汽冷凝，另一侧液体沸腾 tm=th-tc th-热流体的温度； tc -冷流体的温度。 2.变温传热 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(1)流动型式并流：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。 错流：换热的两种流体呈垂直方向流动。 折流：即有逆流又有并流(2)并流和逆流时的平均温度差tm（非常重要）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100,出口温度为160；某反应物在管内流动，进口温度为250，出口温度为180。分别计算并流与逆流时的平均温度

11、差。 解 并流： 250180 100160 150 20 逆流： 250180 160100 90 80逆流操作时，因t1/t2=90/802，可以用算术平均值， tm = (t1+t2)/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。 (3) 错流或折流时的平均温度差 tm=ttm逆 t =f(R，P) t恒小于1，故错流和折流时的平均温度差总小于逆流。管程:管内的流程,管程流体。壳程:管外的流程,壳程流体。 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 当传热面为平壁或薄壁管时，AoAiAmA当管壁热阻b/较

12、1/ao、1/ai小得多时，则b/可忽略，同时忽略污垢热阻，结论：K值必然趋近且小于ao、ai中较小的一个； 当aiao时，Kai。（非常重要）K值总是接近热阻大的一侧流体的a值（a小），总热阻由热阻较大一侧流体控制，如果要提高K，首先要提高a小。ai、ao相差不太大时，两者必须同时提高。例 某一套管换热器，内管为 钢管，外管为 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15，出口温度为30。有机物在环隙中流动，进口温度为100，出口温度为40，流量为 ，平均比热为 。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1200和500 ，忽略污垢热阻及管壁热阻。试求换热

13、器的传热面积。4.5 热辐射4.5.1 基本概念热辐射：物体由于热的原因而产生的电磁波在空间的传递。辐射传热：是物体间相互辐射和吸收能量的总结果。辐射传热的特点：以电磁波形式传播，不需要任何介质进行传递。判断：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。吸收率 反射率 透射率黑体：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 R=1。（镜体）透热体：能全部透过辐射能的物体 D=1。灰体：能以相同的吸收率A，吸收全部波长辐射能的物体。（工业上，多数物体都可近似视为灰体）4.5.2 物体的辐射能力和有关的定律 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，称为该物体在该温度下的辐射能力，以E表示，单位为W/m2。单色发射能力 E：W/m2指： 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能量。1 普朗克定律 2. 斯蒂芬-波尔兹曼定律例 某黑体初始温度为20，后升温至600，问其前后辐射能力的变化。黑体在20的辐射能力黑体在600的辐射能力 辐射能力变化 （温度变化600/20=30倍） 实际物体的辐射能力在同一温度下，实际物体的辐射能力E恒小于黑体的辐射能力Eb。实际物体的辐射能力E与同温度下黑体的辐射能力Eb之比，称为该物体的黑度，用表示。