制藥工程原理與設(shè)備 傳熱課件

1、第 四 章 傳 熱4.1 概 述 4.1.1 傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱：由于溫度差而引起的熱量傳遞過程。（熱傳遞）在化工生產(chǎn)中作用：加熱、冷卻、保溫推動力：溫度差。溫度差越大，傳遞的熱量也越多。熱流方向：高溫 低溫化工生產(chǎn)中所涉及的傳熱過程有以下兩類：（1）強(qiáng)化傳熱過程：加熱或冷卻物料，要求傳遞速率越高越好。（2）削弱傳熱過程：設(shè)備及管道的保溫，要求傳遞速率越低越好。學(xué)習(xí)傳熱的目的： （1）分析影響傳熱速率的因素。 （2）掌握控制傳熱速率的一般規(guī)律。 （3）根據(jù)生產(chǎn)要求選擇適宜的換熱器4.1.2傳熱的基本方式 根據(jù)傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種： 熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。 1熱傳導(dǎo)

2、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）：物體各部分之間不發(fā)生相對位移，依靠原子、 分子、自由電子等微觀粒子的熱流運(yùn)動而引 起的熱量傳遞。熱傳導(dǎo)的條件：當(dāng)物體內(nèi)部或兩個直接接觸的物體之間存在著溫度差。 熱能從物體的溫度較高部分傳到溫度較低部分。金屬固體：依靠自由電子的運(yùn)動。不良導(dǎo)體的固體和大部分液體：依靠原子、分子碰撞傳遞熱量。氣體：分子的不規(guī)則運(yùn)動而引起的。2熱對流 熱對流：由于流體質(zhì)點(diǎn)的位移和混合，將熱能由一處傳至另一處的 傳遞熱量的方式。熱對流過程中往往伴有熱傳導(dǎo)。對流類型：強(qiáng)制對流：流體的運(yùn)動是由于受到外力的作用 (如風(fēng)機(jī)、水泵或其它外界壓力等)所引起； 自然對流：流體的運(yùn)動是由于流體內(nèi)部冷、熱部分的 密度不同

3、而引起工程中通常將流體和固體壁面之間的傳熱稱為對流傳熱。 3熱輻射熱輻射：因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。輻射傳熱：物體間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果。方向：高溫 低溫?zé)彷椛涞碾姶挪úㄩL范圍0.38100m，可見光和紅外線范圍。特點(diǎn)：兩物體不相接觸，也不需任何介質(zhì)。實(shí)際上上述三種傳熱方式往往是同時(shí)出現(xiàn)的。4.1.3 間壁換熱過程的剖析 1間壁式換熱器 換熱器：進(jìn)行換熱的設(shè)備。 間壁式換熱器：冷、熱兩種流體用固體壁面隔開，冷、熱流體在間壁兩側(cè)流動。 套管式換熱器2傳熱速率與熱流密度傳熱速率（熱流量）Q：單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面的熱量。表示換熱器傳熱的快慢。熱流密度（熱通量）q：是指單位時(shí)間內(nèi)通過

4、單位傳熱面積的熱量。單位傳熱面積的傳熱速率，單位為W/m2。 3. 穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱：在傳熱過程中物系各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化。 連續(xù)的化工生產(chǎn)過程大都屬于穩(wěn)態(tài)傳熱。非穩(wěn)態(tài)傳熱：在傳熱過程中物系各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化。 間歇操作傳熱過程和開、停車或改變操作參數(shù)時(shí)的傳熱過程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱。4. 兩流體通過間壁的換熱過程 兩流體通過間壁傳熱由對流、導(dǎo)熱、對流三個過程串聯(lián)組成。4.2 熱 傳 導(dǎo) 4.2.1 傅立葉定律傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它表示熱傳導(dǎo)的速率與溫度梯度和垂直于熱流方向的導(dǎo)熱面積成正比。 Q傳熱速率，W； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/（mK） 或W/（m）； A導(dǎo)熱面積，垂直于熱流方向的

5、截面積，m2； 溫度梯度，/m。 負(fù)號表示熱流方向與溫度梯度方向相反 4.2.2 導(dǎo)熱系數(shù) 物理意義：導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。 ：表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物性參數(shù)， W/（mK）或W/（m）。 ，導(dǎo)熱能力。=f(種類(固、液、氣)、組成、結(jié)構(gòu)、溫度、壓力）：實(shí)驗(yàn)測定。 金屬非金屬 液體 溶液 氣體(1) 固體的 金屬是最好的導(dǎo)熱體。 純金屬 合金 t , 非金屬： t , (2) 液體的 金屬液體：t , 非金屬液體：t , 。金屬液體 非金屬液體結(jié)論： Q正比于t，反比于熱阻 R R=b/A b，R; ,R 例4-1 現(xiàn)有一平壁厚度為400mm，內(nèi)壁溫度為500

6、，外壁溫度為100。試求：（1）通過平壁的導(dǎo)熱熱量，W/m2；（2）平壁內(nèi)距內(nèi)壁150mm處的溫度。已知該溫度范圍內(nèi)磚壁的平均導(dǎo)熱系數(shù)=0.6W/（m）。 解 （1） （2） 2.多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 三層平壁，層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等 厚度分別為b1、b2、b3，導(dǎo)熱系數(shù)為1、2、3， 對于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程4.3 對 流 傳 熱 4.3.1 對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1. 影響對流傳熱系數(shù)的主要因素 (1) 流體的種類和狀態(tài) 液體、氣體、蒸汽、是否有相變化。相變無相變 (2) 流體的物理性質(zhì) 、Cp、等； (3) 流體的流動狀態(tài) 層流和湍流 Re，湍動程度， t ，。(4)

7、流體對流的狀況 強(qiáng)制對流： Re， 自然對流：密度不同所產(chǎn)生的浮升力引起的流動。 (5) 傳熱表面的形狀、位置及大小 管、板、管束、管徑、管長、管子排列方式、垂直放置或水平放置 高粘度液體 適用范圍：Re104，0.7Pr16700，管長與管徑之比L/d60； 特性尺寸：管內(nèi)徑di； 定性溫度：除粘度w取壁溫外，； tm=（t1+t2）/2 當(dāng)液體被加熱時(shí) 當(dāng)液體被冷卻時(shí) 對于氣體，不管是加熱或冷卻， 皆取1 4.3.4 流體有相變時(shí)的對流傳熱 蒸汽冷凝和液體沸騰 相變無相變1蒸汽冷凝時(shí)的對流傳熱蒸汽冷凝傳熱：當(dāng)飽和蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將冷凝 成液滴并釋放出氣化潛熱。(1) 蒸汽冷

8、凝的兩種方式膜狀冷凝：冷凝液能夠潤濕壁面，在壁面上形成一層完整 的液膜。滴狀冷凝：冷凝液不能夠潤濕壁面，在壁面上形成許多的小液滴。 膜狀冷凝 小于 滴狀冷凝工業(yè)冷凝器的設(shè)計(jì)都按膜狀冷凝考慮。大容器飽和沸騰曲線AB段，自然對流區(qū) ，t 較小時(shí)，傳熱以自然對流為主 。BC段，核狀沸騰區(qū) ，汽泡產(chǎn)生速度大，上升很快。CDE段，膜狀沸騰區(qū) ，當(dāng)t增大到一定程度，汽泡產(chǎn)生速度大于脫離的速度，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比液體小的多，使傳熱困難，對流傳熱系數(shù)下降 。 工業(yè)一般控制在核狀沸騰區(qū) 控制ttc核狀沸騰也稱為泡狀沸騰傳熱類型/ W/(m2K)傳熱類型/ W/(m2K)空氣自然對流525水蒸氣冷凝50001500

9、0空氣強(qiáng)制對流30300有機(jī)蒸汽冷凝5003000水自然對流2001000水沸騰150030000水強(qiáng)制對流10008000有機(jī)物沸騰50015000有機(jī)液體強(qiáng)制對流5001500值的大致范圍 4.4傳熱計(jì)算（本章重點(diǎn)）4.4.1 熱量衡算 熱負(fù)荷:生產(chǎn)上要求流體溫度變化而吸收或放出的熱量。Q熱負(fù)荷，W； qm ,h、qm,c熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s； cp,h、cp,c熱、冷流體的平均定壓比熱，kJ/（kgK） th1、th2熱流體的進(jìn)、出口溫度，； tc1、tc2冷流體的進(jìn)、出口溫度，。4.4.2 傳熱平均溫度差的計(jì)算 1.恒溫傳熱 恒溫傳熱:熱交換時(shí)，冷熱流體在壁面兩側(cè)溫度不變化間

10、壁的一側(cè)是飽和水蒸汽冷凝，另一側(cè)液體沸騰 tm=th-tc th-熱流體的溫度； tc -冷流體的溫度。 2.變溫傳熱 流體變溫thtc1tc2th1tcth2(a ) (b) 一側(cè)流體變溫時(shí)的溫差變化一側(cè)流體恒溫另一側(cè)流體變溫(1)流動型式并流：換熱的兩種流體以相同的方向流動。 逆流：換熱的兩種流體在以相對的方向流動。 錯流：換熱的兩種流體呈垂直方向流動。 折流：即有逆流又有并流(2)并流和逆流時(shí)的平均溫度差tm（非常重要）例 現(xiàn)用一列管式換熱器加熱原油，原油在管外流動，進(jìn)口溫度為100,出口溫度為160；某反應(yīng)物在管內(nèi)流動，進(jìn)口溫度為250，出口溫度為180。分別計(jì)算并流與逆流時(shí)的平均溫度

11、差。 解 并流： 250180 100160 150 20 逆流： 250180 160100 90 80逆流操作時(shí)，因t1/t2=90/802，可以用算術(shù)平均值， tm = (t1+t2)/2=(90+80)/2=85 當(dāng)兩種流體的進(jìn)、出口溫度皆已確定時(shí)，逆流時(shí)的平均溫度差比并流時(shí)大。 (3) 錯流或折流時(shí)的平均溫度差 tm=ttm逆 t =f(R，P) t恒小于1，故錯流和折流時(shí)的平均溫度差總小于逆流。管程:管內(nèi)的流程,管程流體。殼程:管外的流程,殼程流體。 污垢熱阻：污垢積存，對傳熱形成附加的熱阻，Rs,i、Rs,o 平壁與薄壁管 當(dāng)傳熱面為平壁或薄壁管時(shí)，AoAiAmA當(dāng)管壁熱阻b/較

12、1/ao、1/ai小得多時(shí)，則b/可忽略，同時(shí)忽略污垢熱阻，結(jié)論：K值必然趨近且小于ao、ai中較小的一個； 當(dāng)aiao時(shí)，Kai。（非常重要）K值總是接近熱阻大的一側(cè)流體的a值（a小），總熱阻由熱阻較大一側(cè)流體控制，如果要提高K，首先要提高a小。ai、ao相差不太大時(shí)，兩者必須同時(shí)提高。例 某一套管換熱器，內(nèi)管為 鋼管，外管為 的鋼管。用冷卻水冷卻某有機(jī)物，冷卻水在管內(nèi)流動，進(jìn)口溫度為15，出口溫度為30。有機(jī)物在環(huán)隙中流動，進(jìn)口溫度為100，出口溫度為40，流量為 ，平均比熱為 。兩流體逆流流動，若已知的水側(cè)和有機(jī)物側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為1200和500 ，忽略污垢熱阻及管壁熱阻。試求換熱

13、器的傳熱面積。4.5 熱輻射4.5.1 基本概念熱輻射：物體由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。輻射傳熱：是物體間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果。輻射傳熱的特點(diǎn)：以電磁波形式傳播，不需要任何介質(zhì)進(jìn)行傳遞。判斷：熱輻射可穿越真空，但對流、熱傳導(dǎo)不能。輻射傳熱的規(guī)律：服從光的反射、折射定律。吸收率 反射率 透射率黑體：能全部吸收輻射能的物體 A=1。 白體：能全部反射輻射能的物體 R=1。（鏡體）透熱體：能全部透過輻射能的物體 D=1?；殷w：能以相同的吸收率A，吸收全部波長輻射能的物體。（工業(yè)上，多數(shù)物體都可近似視為灰體）4.5.2 物體的輻射能力和有關(guān)的定律 輻射能力：物體在一定溫度下，單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量，稱為該物體在該溫度下的輻射能力，以E表示，單位為W/m2。單色發(fā)射能力 E：W/m2指： 一定溫度下，單位時(shí)間，單位面積上，物體發(fā)射的某一波長的總能量。1 普朗克定律 2. 斯蒂芬-波爾茲曼定律例 某黑體初始溫度為20，后升溫至600，問其前后輻射能力的變化。黑體在20的輻射能力黑體在600的輻射能力 輻射能力變化 （溫度變化600/20=30倍） 實(shí)際物體的輻射能力在同一溫度下，實(shí)際物體的輻射能力E恒小于黑體的輻射能力Eb。實(shí)際物體的輻射能力E與同溫度下黑體的輻射能力Eb之比，稱為該物體的黑度，用表示。