生物制药设备之传热与换热器设备

传热速率1.传热速率Q

单位时间内通过传热面的热量，单位

或。

2.热通量q

单位时间内通过单位面积的热量。其单位为，或

为传热面积，单位

传热基本概念一、传热基本概念1.温度场和等温面

物质系统内各空间点上温度的集合称为温度场同一时刻具有相同温度的各点所组成的空间曲面称为等温面。（二）往复泵的特性2.定态传热和非定态传热

如果各空间点的温度不随时间改变，这种传热过程称为定态传热，这种温度场叫三维稳态温度场。

如果各空间点的温度随时间而改变，这种传热过程是非定态传热，这种温度场则称为三维非稳态温度场，又叫瞬态温度场。

3.温度梯度

两相邻等温面之间的温度差。温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，它的正方向是指向温度增加的方向。热传导热传导基本计算目录、热传导

通过物质分子、原子或电子的运动，热量从物体的高温部位向低温部位，或者，热量从高温物体向低温物体直接传递的过程称为热传导。1.傅立叶定律

在一质量均匀、理化性质稳定的固体内进行热传导时，传热速率与温度梯度以及垂直于热流方向的表面积成正比。

、热传导基本计算（二）往复泵的特性2.导热系数

热传导速率

等温表面的面积

温度梯度

导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量，它是表征物质导热性能的重要参数，导热系数越大，物质导热能力越强。基本计算1.平壁热传导传热速率的计算（1）单层平壁

b---单层平壁厚度，单位m

S---单层平壁传热面积，单位㎡

R--总传热面积为S的导热热阻,单位为。单层平壁热通量计算式为

（2）多层平壁传热速率计算式

层与层之间接触良好,接触的两表面温度相同，属于定态一维传热。

例题1：如所示，通过三层平壁热传导中，若测得各面的温度分别为550℃、400℃、350℃和250℃，试求各平壁层热阻之比，假定各层壁面间接触良好。

解：多层平壁的热传导过程中，各层热通量相等，即所以答：的比例为1:3:6。2.圆筒壁的热传导传热速率计算式（1）单层圆筒壁的传热速率计算

有一足够长的单层圆筒，其长度为L，圆筒内壁半径，外壁半径为，沿圆筒长度方向无热损失，热量从内壁向外壁进行径向一维定态传热，圆筒内无热源，圆筒壁的导热系数为常数。通过对热量在径向上传递过程的分析，可得出传热速率计算式为(2)多层圆筒壁的传热速率计算式在多层圆筒壁中，各层的传热速率相同，热通量不同。例题2

如图所示，在外径的蒸汽管道外包绝热层。绝热层的导热系数为。已知蒸汽管外壁160℃，要求绝热层外壁温度低于50℃，且每米管长的热损失不超过，试求绝热层最小厚度。解：已知管道长度L=1m,最大传热速率根据单层圆筒壁传热速率计算公式绝热层最小厚度为：答：绝热层最小厚度为25.6mm.对流传热对流传热基本计算目录流体与固体壁面间的传热过程称为对流传热。1.自然对流传热

因流体各部位温度不同，产生了密度差异，使流体发生相对运动，从而引发的热量传递过程。2.强制对流传热

使用泵、风机或其它外力推动流体流动而产生的热量传递过程对流传热1.牛顿冷却定律热流体对固体壁面对流传热速率表达式为称为局部对流传热系数，单位。

在实际换热过程中，局部对流系数沿管道长度变化而变化，通常采用平均对流传热系数代替。对流传热基本计算

在实际换热过程中，局部对流系数沿管道长度变化而变化，通常采用平均对流传热系数代替。流体被加热时：流体被冷却时：对流传热热阻冷、热流体的平均温度换热器冷、热壁面温度平均对流传热系数流体与壁面之间的平均温度差2、对流传热系数的获得方法

影响对流传热系数的因素较多，如流体的导热系数、比热容、粘度、密度、流动状态、换热器传热面的形状、位置和大小、排列方式等。通过实验测定出有关系数，建立起半经验公式。对流传热系数的一般关联式为：

其中称为鲁塞尔常数，称为普郎特常数，是表示物体传热性质的常数。是流体的定压比热容准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（给热准数）

Nu

表示对流传热系数的准数雷诺准数（流型准数）

Re

确定流动状态的准数普兰特准数（物性准数）

Pr

表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（升力准数）

Gr

表示自然对流影响的准数常用的特征数及物理意义3.常用对流传热系数计算式

强制性湍流无相变粘度小于2倍水粘度当流体被加热时被冷却时使用条件总传热过程及有关计算1.热负荷Q的计算单位时间内需要移出或输入的热量叫做热负荷。（1）无相变的热负荷（2）有相变的热负荷高温流体和低温流体的质量流量2.总传热系数的计算总热阻是两个对流传热热阻与间壁的热传导热阻之和。根据热阻的定义确定一个常数：

为总传热系数，单位为。如果以外表面积为基准，则总传热系数计算公式为

若换热器表面有污垢，对传热会产生附加热阻，称为污垢热阻，分别用和表示内壁和外壁热阻。总传热系数表达式为：3.总传热速率方程对于间壁传热，其总传热速率方程式为是传热平均温度差，单位是℃。4.传热平均温度差的计算方法（1）恒温传热平均温度差的计算方法恒温传热时的平均温度差不受流体流动方向的影响。（2）变温传热平均温度差的计算方法

对于间壁换热，冷、热流体相对流动方式有并流、逆流、错流、折流等多种形式。不同形式的流动，冷、热两流体平均温度差不尽相同。并流时计算方法高温流体低温流体进口出口温度差取值大的为，小的为，则当时逆流时计算方法高温流体低温流体进口出口温度差取值大的为，小的为，则当时例题3

在图4—9的逆流换热器中，冷流体是初温为20℃的水，热流体的比热容为，温度为85℃，密度为，流量为。冷流体出口温度为50℃，热流体的出口温度为25℃。冷热流体均无相变。已知该换热器列管直径为，冷水走管程。水侧和液体侧的对流传热系数分别为和，不考虑污垢热阻，试求换热器的传热面积。

解：根据题意，流体无相变，该换热器的热负荷为：

换热器位置进口出口高温流体85℃25℃低温流体20℃50℃温度差65℃25℃℃

℃

据题忽略壁的厚度，则：该换热器的总传热系数为其传热表面积S为答：该换热器的换热面积为。5.传热过程强化

引起换热器性能下降的因素较多，有设计制造产生的固有因素，也有使用与维护操作等人为因素。对于在使用中的换热器，可从两个方面去提高传热效率。

（1）增大传热平均温度差在工艺规定的条件范围内，可改变冷、热流体的相对运动来增大传热平均温度差。通常采用逆流流动可增大其数值。（2）提高总传热系数

换热器内外壁的污垢会使总传热系数严重下降。可采取净化循环水、增强湍流、清洗设备等措施进行维护，降低总热阻，提高传热效率。准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（给热准数）

Nu

表示对流传热系数的准数雷诺准数（流型准数）

Re

确定流动状态的准数普兰特准数（物性准数）

Pr

表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（升力准数）

Gr

表示自然对流影响的准数常用的特征数及物理意义2.常用对流传热系数计算式强制性湍流无相变粘度小于2倍水粘度当流体被加热时被冷却时使用条件板式换热器

板式换热器板式换热器有夹套式、平板式、螺旋板式和板翅式等几种类型1.夹套式换热器夹套式换热器由容器、夹套、流体分布器、汽液分离器等部件组成

夹套换热器传热面积固定，传热系数小。由于夹套内的污垢不易清洗，因此要求加热介质是不易结垢的气体或液体。为了提高传热速率，可在容器内安装搅拌器，促使容器内流体进行强制对流传热。2.板式换热器板式换热器由长方形金属薄板、垫片、支架组合构成

使用时将冷、热流体分别从两组通道输入，则冷、热流体交错地在板与板之间的空间中流动，形成间壁式换热。由于金属薄板上有大量的凹凸波纹，不仅加强了金属薄板的机械强度，而且还提高了流体的湍流程度，增加了传热面积，强化了传热效果，因此，板式换热器被广泛地应用于快速升温或快速降温的换热过程中。3.螺旋板式换热器

螺旋板式换热器由金属薄板、金属盖板、隔板、圆桶形容器等部件构成

将两块金属薄板按一定间距平行重叠，用金属薄片密封两侧，形成一个矩形容器，按轴心线卷制，再用焊接密封或用垫片密封两端面即成。不可拆式可拆式螺旋板换热器螺旋通道的两端面采用焊接密封，密封性好。螺旋通道的两端面采用垫片密封，利与清洗。

热流体和冷流体分别从不同的入口处进入各自的流道，在容器内呈逆流方式流动并进行热交换。螺旋板式换热器传热面积大，总传热系数高，不易堵塞，换热效果好，可充分利用低温热源进行换热。缺点是不耐高温高压，清洗和检修困难。螺旋板式换热器适用于混悬液和粘稠流体的热交换过程。4.板翅式换热器板翅式换热器由金属薄板、金属翅片、密封条、集流箱等部件构成。换热器金属翅片

板翅式换热器结构紧凑，质量小，单位体积传热面积大，总传热系数高，传热效果好。缺点是流道小易堵塞，清洗及维修困难。

板翅式换热器适合于低温或超低温条件下的换热过程。换热器的维护

引起换热器性能下降的因素较多，有设计制造产生的固有因素，也有使用与维护操作等人为因素。对于在使用中的换热器，可从两个方面去提高传热效率。

1.增大传热平均温度差在工艺规定的条件范围内，可改变冷、热流体的相对运动来增大传热平均温度差。通常采用逆流流动可增大其数值。2.提高总传热系数

换热器内外壁的污垢会使总传热系数严重下降。可采取净化循环水、增强湍流、清洗设备等措施进行维护，降低总热阻，提高传热效率。管式换热器一、管式换热器用金属管道制成的换热器叫管式换热器，有蛇管式和列管式两大类型（一）沉浸式蛇管换热器

在使用时常将蛇管沉浸在容器中，冷、热流体分别在管内外壁面流动，并发生热交换。由于蛇管换热器的总传热系数小，因此常与搅拌器配合使用，使管外流体处于湍流状态，以提高传热效率。蛇管换热器的优点是结构简单，便于制造和维修，造价低，耐高压。缺点是湍流程度低，管内易结垢，易堵塞，不便于清洗。性能和应用（二）列管式换热器列管式换热器又称管壳式换热器，是一种典型的间壁式换热器。1.固定管板式换热器

固定管板式换热器由圆筒形壳体、封头、管板、管程隔板、管道、挡板等部件构成。

固定管板式换热器适用于壳程中输送较为清洁且不易结垢或腐蚀性小的流体。本设备结构简单、造价低廉、应用较广