大学精品课件：3 传热.ppt

1、第七章 传热 Heat Transfer,讲授人：史益强,制药工程原理与设备第七章 传热,第一节 概述,热量传递:由于物体内部或物体之间存在着温度差而引起的能量转移过程。只要有温度差存在，热量就会自发地由高温处向低温处传递。 过程控制在一定的温度下进行，常需要向系统输入或输出热量。 如蒸馏、蒸发、干燥和结晶过程。,制药工程原理与设备第七章 传热,两类传热问题: 1.强化传热:要求热量传递的速率越快越好。如换热设备中的传热。,第一节 概述,2.削弱传热:要求热量传递的速率越慢越好，以减少过程的能耗。如高温设备的保温、低温管道的绝热等。,制药工程原理与设备第七章 传热,一、传热方式,1.热传导co

2、nduction (导热),2.热对流convection,自然对流,强制对流,3.热辐射radiation,:热能辐射能热能,第一节 概述,外力的作用,密度差异,微观粒子热运动,工程上热对流：流体与固体壁面间的传热。,制药工程原理与设备第七章 传热,二、典型传热设备,间壁式换热器中的传热 过程不允许两流体直接接触。 三步传热过程 串联 载体 热流体-加热剂-热载热体 冷流体-冷却剂-冷载热体 传热面 换热器 管式和板式,第一节 概述,制药工程原理与设备第七章 传热,二、典型传热设备,传热面积：,Si So Sm,di do dm,第一节 概述,套管式换热器,内管,外管,制药工程原理与设备第七

3、章 传热,单程列管式换热器,列管式换热器,管程和壳程,流体流动路径,第一节 概述,封头,折流板,管板,管束,管壳,制药工程原理与设备第七章 传热,第一节 概述,制药工程原理与设备第七章 传热,双程列管式换热器,第一节 概述,隔板,制药工程原理与设备第七章 传热,制药工程原理与设备第七章 传热,第一节 概述,传热面积：,Si So Sm,di do dm,第一节 概述,管程：流体流经管束的路程管程流体。 壳程：流体流经管间环隙的路程壳程流体。,制药工程原理与设备第七章 传热,三、换热器的主要性能指标,1.传热速率rate of heat transfer Q,单位时间内传递的热量，W,2.热通量

4、heat flux q,单位传热面积上的传热速率,Q一定时，q S,第一节 概述,W/m2,制药工程原理与设备第七章 传热,第一节 概述,四、稳态传热和非稳态传热 稳态传热时，系统中各点的温度均不随时间而变化。 非稳态传热时，传热系统中各点的温度不仅随位置而变化，而且随时间而变化。,连续生产过程的传热 稳态传热； 间歇生产过程传热 非稳态传热。,制药工程原理与设备第七章 传热,第二节 热传导 conduction,1.温度场temperature field ：系统内任一点的温度是该点位置和时间的函数。,非稳态：,稳态：,(1)温度场 各点温度分布的总和,一、基本概念和傅立叶定律,一维温度场：

5、,一维稳态温度场:,等温面,互不相交,制药工程原理与设备第七章 传热,(2)温度梯度temperature gradient,2.傅立叶定律,一维稳态温度场：,热传导基本定律,一维稳态温度场：,第二节 热传导 conduction,制药工程原理与设备第七章 传热,3.导热系数,第二节 热传导 conduction,thermal conductivity,导热系数反映物质导热能力大小的参数，它是物性数据之一。 导热系数的数值与物质的类型、结构、组成及状态(温度、压力和相态)有关。,制药工程原理与设备第七章 传热,第二节 热传导 conduction,导热系数与温度呈线性关系: 金属材料和液体

6、非金属材料和气体, 0,温度系数, 0,气体的导热系数随温度的升高而增大 。 气体的导热系数很小，对保温有利 。 tL, g ; 金属 L g,水、甘油,制药工程原理与设备第七章 传热,物质热导率的大致范围,制药工程原理与设备第七章 传热,第二节 热传导 conduction,二、平壁的稳态热传导 1.单层平壁的稳态热传导,四点假设： (1) 导热系数不随温度而变。 (2) 壁两侧的温度保持恒定。 (3) 等温面是垂直于x轴的平面。 (4) 平壁面积很大，厚度很薄。,一维稳态传热,制药工程原理与设备第七章 传热,一维稳态导热方程推导,第二节 热传导 conduction,导热系数取算术平均值,

7、制药工程原理与设备第七章 传热,第二节 热传导 conduction,2.多层平壁的稳态热传导 稳态热传导时，通过各层的导热速率必相等。,制药工程原理与设备第七章 传热,第二节 热传导 conduction,三层平壁稳态热传导时的传热速率方程,热阻大的保温层，分配于该层的温差也大。,制药工程原理与设备第七章 传热,导热 热阻,第二节 热传导 conduction,制药工程原理与设备第七章 传热,第二节 热传导 conduction,三、圆筒壁的稳态热传导 圆筒壁的传热面积和温度均随半径而变，传热面积不是常量。 1.单层圆筒壁的稳态热传导,制药工程原理与设备第七章 传热,第二节 热传导 cond

8、uction,制药工程原理与设备第七章 传热,第二节 热传导 conduction,对数平均,制药工程原理与设备第七章 传热,第二节 热传导 conduction,n层圆筒壁,三层圆筒壁稳态热传导时的传热速率方程,通过各层的传热速率均相等，热通量随半径而变。,制药工程原理与设备第七章 传热,例 在外径为108mm的蒸气管道外包扎保温材料，以减少热损失。已知蒸气管的外壁温度为390oC；保温层的厚度为60mm，导热系数为0.15Wm-1oC-1，外表面温度为40oC。试计算：(1) 每米管长的热损失；(2) 保温层中的温度分布。假设蒸气管外壁与保温层之间接触良好。,第二节 热传导 conduct

9、ion,制药工程原理与设备第七章 传热,解：此题实际上是双层圆筒壁的稳态热传导问题。已知：r2=0.054m，r3= r2+0.06=0.114 m，2=0.15Wm-1oC-1，t2=390 oC，t3=40oC。 (1) 计算每米管长的热损失 Wm-1,第二节 热传导 conduction,制药工程原理与设备第七章 传热,(2) 保温层中的温度分布 设保温层中半径为r处的温度为t，则 t=-468.2lnr-976.4,第二节 热传导 conduction,制药工程原理与设备第七章 传热,第三节 对流传热 convection,一、对流传热分析 对流传热：流体与固体壁面间的传热，是依靠流体

10、质点的移动与混合来完成。,层流流动 湍流流动层流内层,热传导,温度差较大,湍流主体中,温度差极小,对流,传热热阻主要集中于层流内层内。,制药工程原理与设备第七章 传热,主要热阻,层流内层,间壁,湍流主体,湍流主体,第三节 对流传热 convection,制药工程原理与设备第七章 传热,第三节 对流传热 convection,二、对流传热速率方程 牛顿冷却定律,对流传热系数,对流传热系数总与传热面积和温度差相对应。,制药工程原理与设备第七章 传热,第三节 对流传热 convection,三、对流传热系数convective heat-transfer coefficient,(一)对流传热系数

11、的影响因素 流体的物性、状态、流动状况以及传热面的结构。 1.流体的种类,2.流体的物性,3.流体的相变情况,4.流体的流动状态 Re,5.对流情况 u,制药工程原理与设备第七章 传热,第三节 对流传热 convection,6.传热面的结构 传热面的形状(管、板、环隙、管束等)、位置(管子排列方式、垂直放置或水平放置)及流道尺寸(管径、管长等)。,对流传热系数值的范围： 气体对流传热系数 g =5200 W/m2oC 液体对流传热系数 l =5015000 蒸汽冷凝对流传热系数 =50015000 液体沸腾对流传热系数 =250025000,制药工程原理与设备第七章 传热,对流传热,无相变,

12、强制对流,自然对流,有相变,蒸汽冷凝,液体沸腾,第三节 对流传热 convection,制药工程原理与设备第七章 传热,(二)对流传热系数的一般准数关联式,第三节 对流传热 convection,努塞尔特准数，Nu,雷诺准数，Re,普兰特准数，流体物性准数； 1 格拉斯霍夫准数，自然对流影响准数,制药工程原理与设备第七章 传热,第三节 对流传热 convection,对于无相变的强制对流传热 对于无相变的自然对流传热,准数关联式使用注意： 定性温度 确定物性参数的温度 特征尺寸 适用范围,制药工程原理与设备第七章 传热,(三)流体无相变时的对流传热系数 1. 流体在管内作强制对流 在传热计算中

13、，规定Re10000为湍流，而2300Re10000则为过渡流。 1)流体在圆形直管内作强制湍流,第三节 对流传热 convection, 210-3Pas, 210-3Pas,n=,0.3 c,0.4 h,制药工程原理与设备第七章 传热,第三节 对流传热 convection,液体被加热 =1.05 液体被冷却 =0.95 气体传热 =1.0,定性温度: 除粘度W取壁温外，其余取流体进、出口温度的算术平均值。,2)流体在圆形直管内作强制层流,制药工程原理与设备第七章 传热,3)流体在圆形直管内作过渡流,第三节 对流传热 convection,4)流体在圆形弯管内作强制对流 5)流体在非圆形管

14、内作强制对流 强制对流时可采用圆管关联式计算对流传热系数，但特征尺寸由管内径改为相应的当量直径。,R弯曲半径,制药工程原理与设备第七章 传热,2.流体在管外作强制对流 流体在有折流板的换热器的管间流动,第三节 对流传热 convection,特征尺寸：当量直径de,正方形排列,正三角形排列,制药工程原理与设备第七章 传热,自然对流,强制对流,圆缺型,第三节 对流传热 convection,制药工程原理与设备第七章 传热,圆盘型,第三节 对流传热 convection,制药工程原理与设备第七章 传热,第三节 对流传热 convection,特征流速： 根据流体流过管间最大截面积A计算,h折流板间

15、距 D换热器外壳内径,制药工程原理与设备第七章 传热,第三节 对流传热 convection,(四)流体有相变时的对流传热系数,1.蒸气冷凝 1)蒸气冷凝方式,Ts,Tw,饱和蒸气温度,膜状冷凝 filmwise condensation,滴状冷凝 dropwise,膜状冷凝 ,滴状冷凝,制药工程原理与设备第七章 传热,第三节 对流传热 convection,制药工程原理与设备第七章 传热,3)影响冷凝传热的因素 不凝性气体 不凝性气体,第三节 对流传热 convection,冷凝水 不排出冷凝水 液膜两侧温度差 (TS-TW) 蒸气流速和流向 蒸气与液膜流向不一致 冷凝壁面,第三节 对流传热

16、 convection,第三节 对流传热 convection,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,一、能量衡算热量衡算,1.若两流体均无相变：,制药工程原理与设备第七章 传热,2.热流体因相变而放出的热量,相变潜热 kJ/kg,3.冷流体因相变而吸收的热量,相变潜热 kJ/kg,第四节 传热计算 heat transfer compution,无相变时,热量衡算式把冷、热流体的两个流量和四个温度联系起来。,制药工程原理与设备第七章 传热,例 试计算压力为200kPa、流量为100kgh-1的饱和水蒸气冷凝至90oC的水时所放出的热

17、量。,解：,查附录8得,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,本题也可用水蒸气在冷凝前后的焓值进行计算。由附录8查得饱和水蒸气在压力为200kPa时的焓为2709.2kJkg-1。由附录2查得，水在90oC时的焓为377kJkg-1。所以,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,二、总传热速率微分方程和总传热速率方程 1.总传热速率微分方程,Ki、Ko、Km局部总传热系数Wm-2-1,制药工程原理与设备第七章 传

18、热,平均总传热系数 总传热系数K,Wm-2-1,两流体的平均温度差,与 的区别,第四节 传热计算 heat transfer compution,2.总传热速率方程,传热基本方程,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,壁面为圆筒壁，则,SiKmKo,注意K与d的一次方成反比,制药工程原理与设备第七章 传热,三、总传热系数K overall heat transfer coefficient 1. K的计算,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,传热过程的总热阻等于各串联热阻之

19、和 平壁,第四节 传热计算 heat transfer compution,圆筒壁,管外表面积为基准,管内表面积为基准,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,值总比对流传热系数i、o中小的更小； 值总是接近热阻大的流体侧的值。 总热阻是由热阻大的一侧的对流热阻所控制。 要提高值，应提高小的一侧，才有效果。,制药工程原理与设备第七章 传热,2.污垢热阻fouling resistance,第四节 传热计算 heat transfer compution,RSi、RS0圆筒壁内、外表面的污垢热阻，m2 oCW-1。 计算总传热系数K时，一

20、般不能忽略污垢热阻。 污垢热阻随操作时间的延长而增大。,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,3. K的数值范围,列管式换热器总传热系数K的经验值,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,例:列管252.5mm,空气i=40Wm-2 oC-1,水o=1500Wm-2oC-1，=45W m-1oC-1 ,Rsi=510-4m2 oCW-1，Rso=210-4m2 oCW-1 。 (1)求Ko； (2)K(以平壁计）。,第四节 传热计算 heat t

21、ransfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,解：,(1)求Ko,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,(2)按平壁计,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,结果表明，当管径较小时，若按平壁计算总传热系数，误差较大。,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,例5-10 在例5-9中，若管壁热阻和污垢热阻均可忽略。现保持其他条件不变，分别提高不同流体的对流传热系数，以提高总传热系数。试计算：(1)

22、将i提高一倍时的Ko值；(2) 将0提高一倍时的K0值。,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,解：(1) 将i提高一倍时的Ko值 此时i=240=80Wm-2oC-1，则 解得 Ko=61.3Wm-2oC-1,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,(2) 将0提高一倍时的K0值 此时0=21500=3000Wm-2oC-1，则 解得 Ko=31.6Wm-2oC-1,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,以上两例表明

23、，总传热系数小于任一侧流体的对流传热系数，但总接近于热阻较大即对流传热系数较小的流体侧的对流传热系数。因此，欲提高K值，必须对影响K值的各项进行分析，如在例5-10的条件下，应设法提高空气侧的值，才能显著提高K值。,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,四、平均温度差 1.恒温传热：冷、热流体均发生相变时,传热温度差处处相等。,第四节 传热计算 heat transfer compution,2.变温传热：流动方向有四种情况,制药工程原理与设备第七章 传热,并 流,逆 流,错流,折流,第四节 传热计算 heat transfer co

24、mpution,制药工程原理与设备第七章 传热,1)逆流和并流时的平均温度差,第四节 传热计算 heat transfer compution,并流,逆流,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,微元段内的热量衡算式,；,；,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution, 0,平均温度差为两端温度差的对数平均值。 t中的较大者为t2，较小者为t1,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,的讨论:,1） 对各种并流或逆流的变温传热

25、都适用。 2）当一侧流体变温另一侧流体恒温时，不论并流或逆流，两种情况的平均温度差相等。 3) 当两侧流体变温传热时,且两流体的进、出口温度相同时， 。 设计时，Q和K相同，S逆S并 ， 逆流操作可节省加热介质（冷却）的用量 ， 较多采用逆流操作 。,制药工程原理与设备第七章 传热,4）若 若,第四节 传热计算 heat transfer compution,特殊情况下采用并流操作： A.加热高粘度液体 B.工艺要求冷流体被加热时不得超过某一温度。,制药工程原理与设备第七章 传热,逆流：,并流：,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,

26、2) 错流或折流时的平均温度差,第四节 传热计算 heat transfer compution,逆流平均温度差,校正系数, 1,设计时，应使,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,折流时的对数平均温度差校正系数,单壳程，2、4、6管程,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,折流时的对数平均温度差校正系数,双壳程，4、8管程,双壳程，4、8管程,制药工程原理与设备第七章 传热,第四节 传热计算 heat transfer compution,错流时的对数平均温度差校正系数,制

27、药工程原理与设备第七章 传热,例5-11 列管换热器，管束252.5mm钢管组成。CO2在管内流动，流量为5kgs-1，温度由60冷却至25。冷却水走管间，与CO2呈逆流流动，流量为3.8kgs-1，进口温度为20。已知管内CO2的Cph=0.653kJkg-1-1，i=260Wm-2-1；管间水的Cpc=4.2kJkg-1-1，o=1500Wm-2-1。若热损失、管壁及污垢热阻均可忽略不计，试计算So。,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,解：(1) 计算冷却水的进口温度,第四节 传热计算 heat transfer comput

28、ion,制药工程原理与设备第七章 传热,(2) 计算平均温度差,32.8oC 5 oC,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,(3) 计算总传热系数,Ko=182.7Wm-2,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,(4) 计算传热面积,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,对流-辐射联合传热系数,设备外表面温度,周围环境温度,设备外表面积,热损失速率,第四节 传热计算 heat transfer compution,

29、五、设备热损失的计算,制药工程原理与设备第七章 传热,1.空气自然对流 且tw150oC,平壁：,圆筒壁：,2.空气沿粗糙壁面强制对流,第四节 传热计算 heat transfer compution,制药工程原理与设备第七章 传热,一、间壁式换热器：,1.夹套式：,用途: 反应过程的传热,结构: 壁外设夹套,优点: 结构简单,缺点: S及K小,第五节 换热器heater,蒸气应从上部接管进入夹套 冷却介质应从下部接管进入夹套,制药工程原理与设备第七章 传热,2.套管式换热器,a.结构: 同心套管串接,d.用途: S不大,压力高场合,b.优点: S可调,耐压,完全逆流,c.缺点: S/L小,

30、易漏,难清洗,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,3.蛇管式：,沉浸型：,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,d.用途: 器内,高压,腐蚀场合,a.结构: 金属管绕制,b.优点: 防腐,耐压,可内置,c.缺点: o及K小,难清洗,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,喷淋型：,d.用途: 冷却管内热流体,c.缺点: 喷淋不易均匀,a.结构: 将蛇管成排固定,b.优点: 效果好,易检修,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,4.板式换热器,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,4.板

31、式换热器,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,优点：,传热系数大；,缺点：,处理量不大。,传热面积可调；,容易检修。,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,5.翅片管式：,轴向翅片,径向翅片,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,径向翅片,轴向翅片,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,优点：,增大传热面积；,提高扰动程度,增大 。,缺点：,流阻大；,翅片连接处易产生高热阻。,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,6.板翅式

32、：,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,优点：,传热系数大；,缺点：,易堵塞,难检修；,铝质翅片易腐蚀。,耐压。,传热面积大,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,7.螺旋板式：,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,优点：,总传热系数大；,不易堵塞；,缺点：,操作温度、压力不高；,难检修。,可完全逆流,tm大；,流动阻力大,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,用途: 壳方清洁,压力不高,优点: 成本低,缺点: 壳程难洗,结构: 常设膨胀节,8.列管换热器：,限制,固定管板式 较大的操作弹性,第五节 换

33、热器heater,热膨胀现象,制药工程原理与设备第七章 传热,用途: 管方清洁,优点: 适高温高压,缺点: 管程难洗,管板利用率低,结构: 管子成U型,U型管式：,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,用途: 较广泛,优点: 热补偿好,易洗易修,缺点: 成本高,结构: 一管板自由,浮头式：,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,1.流经的选择：,管程,腐蚀性;不清洁;易结垢;有毒;高压流体;,需增大的流体。,壳程,热蒸汽;,被冷却的流体;,粘度大、流量小的流体;,大的流体。,第五节 换热器 heater,列管式换热器应考虑的问题,制药工程原理与设备第七章 传热,2.流速的确定：,流速,流阻,第五节 换热器heater,列管式换热器中常用的流速范围,制药工程原理与设备第七章 传热,冷却水终温,水量,3.传热介质的终温：,传热面积,第五节 换热器heater,制药工程原理与设备第七章 传热,一）增大,二）增大,1.翅片式；,2.小管径。,1.趋向逆流；,2.提高蒸汽压强。,三）增大,1.清除污垢；,2.增加流速或扰动程度；,3.采用短管换热器。,第五节 换热器heater,二、传热过程的强化,制药工程原理与设备第七章 传热,