制藥化工過(guò)程及設(shè)備共十三章第04傳熱

1熟悉熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱基本概念。掌握熱量衡算、傳熱平均溫度差的計(jì)算。掌握總傳熱速率方程的計(jì)算。熟悉不同的換熱設(shè)備。2第1節(jié)概述1、傳熱

由于溫度差而引起的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程方向：高溫

低溫 推動(dòng)力：溫度差2、傳熱的應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)分離3、傳熱的要求強(qiáng)化

削弱31.熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)第1節(jié)概述一、傳熱基本方式僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞氣體：分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)液體：原子、分子等在平衡位置的振動(dòng)金屬固體：自由電子的運(yùn)動(dòng)42.熱對(duì)流自然對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流對(duì)流傳熱（給熱）熱對(duì)流：流體主體熱傳導(dǎo)：滯留內(nèi)層、固體器壁《化工原理》課件——第4章傳熱第1節(jié)概述一、傳熱基本方式流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生的熱量傳遞熱量在流體與固體之間傳遞的過(guò)程5因熱而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞3.熱輻射特點(diǎn)：①不需要介質(zhì)，在真空中也可以傳遞②傳熱的同時(shí)發(fā)生能量轉(zhuǎn)換③只有溫度很高時(shí)才以熱輻射形式傳熱100E

(

T

)4《化工原理》課件——第4章傳熱第1節(jié)概述一、傳熱基本方式6第1節(jié)概述二、典型傳熱設(shè)備（一）間壁式換熱器中的換熱過(guò)程冷熱流體通過(guò)固體壁面的傳熱包括三個(gè)過(guò)程：①熱流體把熱量傳給管壁②通過(guò)管壁的熱傳導(dǎo)③管壁把熱量傳給冷流體《化工原理》課件——第4章傳熱7ooS

=

pd

L外傳熱面積：內(nèi)傳熱面積：平均傳熱面積：SmS

=

pd

Li

i=

pd

m

L《化工原理》課件——第4章傳熱第1節(jié)概述二、典型傳熱設(shè)備（二）典型間壁式換熱器1.套管換熱器8管程流體殼程流體1

2345678911S

=

n

pdL

10《化工原理》課件——第4章傳熱第1節(jié)概述二、典型傳熱設(shè)備2.列管式換熱器9第1節(jié)概述三、換熱器的主要性能指標(biāo)1.傳熱速率Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)在整個(gè)傳熱面積上傳遞的熱量。W2.熱通量q：?jiǎn)挝幻娣e的傳熱速率。W

/m2q

=

dQ

dA《化工原理》課件——第4章傳熱10《化工原理》課件——第4章傳熱第1節(jié)概述四、穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：t

=

f

(

x,

y,

z,q

)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：t

=

f

(

x,

y,

z),

?t

=

0?q11?n1.傅立葉定律：?td

Q

=

-l

d

S第2節(jié)熱傳導(dǎo)一、傅里葉定律熱傳導(dǎo)時(shí),其傳熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比2.導(dǎo)熱系數(shù)λ：

λ表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小(1)物質(zhì)種類>

l液體

>

l氣體l金屬

>

l非金屬(2)溫度0

Cl

=

l

o

(1

+

at

)金屬材料和液體：a

<0非金屬材料和氣體：a

>0t

?,

l

flt

?,

l

?12blSbSlq

=

Q

=

t1

-

t2

=

Dt或?qū)嶙枇第2節(jié)熱傳導(dǎo)二、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（一）單層平壁：——近似穩(wěn)態(tài)一維傳熱Q

=t1

-t2

=Dt

=導(dǎo)熱推動(dòng)力導(dǎo)熱阻力R￠

=導(dǎo)熱推動(dòng)力13例:平壁S=20m2,b=0.37m,t1=1650oC,t2=300oC,材料導(dǎo)熱系數(shù)l=0.815+0.00076t(t:oC，l:W/(m

oC))。試求平壁Q、q和t分布。解:otm

=

(t1

+

t2

) 2

=

975

C

l

=

0.815

+

0.00076·975

=

1.556

W/(m

o

C)S(t

-

t

)Q

=50.371.5561 2

= ·

20

·(1650

-

300)

=

1.135

·10

W20S=

5677W

/

m

2lbQ

1.135

·105=q

=《化工原理》課件——第4章傳熱第2節(jié)熱傳導(dǎo)二、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)14l又q

=

(t1

-

t

)x1

t

=

t

-

qx

=

1650

-

3649

xl《化工原理》課件——第4章傳熱第2節(jié)熱傳導(dǎo)二、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)15R1

+

R2

+

R3=Dt1

+

Dt2

+

Dt3

t1

-t4Q

=b1

+

b2

+

b3l1S

l2

S

l3

S總導(dǎo)熱阻力總推動(dòng)力=nbit

-

tQ

=i

=1

li

S=1

n+1

=

R

總導(dǎo)熱熱阻Dt

總推動(dòng)力《化工原理》課件——第4章傳熱第2節(jié)熱傳導(dǎo)二、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（二）多層平壁：16=290mm,最外層普通磚b2=228mm。已知t1=1016oC,t4o

o=l31=41oC.0，5W求/t(m和t

C。),設(shè)l2各=0層.1接5W觸良/(m好。C),l3=0.81W/(m

oC)SQb1

+

b2

+

b3l1

l2

l32

3t1

-

t4q

=

=0.1429+1.933+

0.2815=

1016-

34

=

416.5

W/m2oDt1

=

0.1429·416.5

=

59.5

C2Dt

=

805.1o

CoDt3

=

117.4

C2t

=

956.5o

C3t

=

151.4o

C解:《化工原理》課件——第4章傳熱第2節(jié)熱傳導(dǎo)例1：燃燒爐最二內(nèi)、層平耐壁火的磚穩(wěn)b態(tài)1=熱15傳0m導(dǎo)m,中間層絕熱磚b217材料l，W/m

oCR￠，m2

oC/WDt，oC耐火磚1.050.142959.5絕熱磚0.151.933805.1普通磚0.810.2815117.4《化工原理》課件——第4章傳熱第2節(jié)熱傳導(dǎo)二、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)18第2節(jié)熱傳導(dǎo)三、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（一）單層圓筒壁：bbmt1-t2

=

(t1

-t2

)Q

=

lSlS

mb

=

r2

-

r112mmlnlnr1r2S1S2r

-

rS

=

S2

-

S1=

2pr L

=

2pL1933

2

3

4

1

1

2

2r

l

r

l

rl1

ln

r

+

1

ln

r

+

1

ln

r2pL(t1

-

t4

)Q

=ni=1

i+1

1

ln

rli

ri推廣到n層Q

=

2

π

L(t1

-tn

+1

)《化工原理》課件——第4章傳熱第2節(jié)熱傳導(dǎo)三、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（二）多層圓筒：20第3節(jié)對(duì)流傳熱一、對(duì)流傳熱分析1.各層傳熱方式湍流區(qū)：熱對(duì)流為主層流內(nèi)層區(qū)：熱傳導(dǎo)為主過(guò)渡區(qū)：熱傳導(dǎo)+熱對(duì)流21在AA截面處的溫度分布湍流區(qū)：溫度均勻，沒(méi)有熱阻，Dt

=0,

R

=0過(guò)渡區(qū)：有一定溫差，有一定熱阻，Dt較小,R較小層流內(nèi)層區(qū)：溫差大，熱阻大，熱流體側(cè)推力：T

-Tw冷流體側(cè)推動(dòng)力：tw-

t《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱一、對(duì)流傳熱分析22常用：Q

=aSDt第3節(jié)對(duì)流傳熱二、對(duì)流傳熱速率方程牛頓冷卻定律

Q

=aoSoDt

Q

=ai

Si

Dt23第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)（一）對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素對(duì)流情況：a強(qiáng)制對(duì)流>a自然對(duì)流>a

氣>a無(wú)相變與流體有關(guān)

a液相變情況：a相變流動(dòng)狀況：Re

?

滯流底層薄

a

?24《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)流體物性：l

?

fi

a

?m

?

fi

a

flrcp

?

fi

a

?b

?

fi

a

?傳熱面25Nu

=

α

l

l努塞爾準(zhǔn)數(shù)——雷諾準(zhǔn)數(shù)——

Re

=

lur

m——流動(dòng)狀況普蘭特準(zhǔn)數(shù)——

Pr

=

c

pm

l

——流體物性——自然對(duì)流格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)——

Gr

=

l

3

r2bgDt

m2《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)（二）對(duì)流傳熱系數(shù)的一般準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式a

=

f

(m,

l,

r,

c

,

u,

b

,

l

)pN

=

f

(

R

,

P

,G

)u

e

r

r26《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)無(wú)相變自然對(duì)流：Nu

=

f

(

Pr,Gr

)

Nu

=

c(

Pr Gr

)n無(wú)相變強(qiáng)制對(duì)流：Nu

=

f

(

Re,Pr

)

Nu

=

cRea

Pr

k27方法①t定

=

(t1

+

t2

)

2定

w

平均三種

—

②

t=

(t

)③

t定特征尺寸=(tw

+t

)

2

—膜溫適用范圍《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)（三）流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)定性溫度：——用于確定物性281.流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流

層流

湍流

過(guò)渡區(qū)R

<

2300eeR

>

10000e2300

<

R

<

10000《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)29id(Re

).0

8

(Pr

)nl=

0.023即：a

i被加熱：n

=0.4

被冷卻：n

=0.3id?適用：Re

>

104

,

0.7

<

Pr

<

120

且

L

>

60;<

60,iL?若d0.7di需乘

[1

+

(

L

)

]《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)①圓管內(nèi)強(qiáng)制湍流：低粘度流體：m

<

2

·10-3

Pa

sNu

=

0.023Re0.8

Prn30若t1，t2，T1，T2，一定lc

mpiida

=

0.023

l

(Re

)0.8

(Pr

)n

1

2 2

d d

u0.8

d

d

u

1

2

=

2

1

d

u0.2

0.8

d

u

122

=

2

1 1

0.8

1

2

=d

Red

Reaa1《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)*t定

=

(t1

+

t2

) 2

,

特征尺寸l

=

di

;*

a的強(qiáng)化31222Vu=

(V1

)0.8

;=

(

u1

)0.8aa

1d

fi,則d1

2

1

2

1

2

=

2

1

d

u0.2

0.8

d

u

aai若d不變,則若V不變,=

1

d2=

2

2

d1

d1

0.2

1.6

-1.8

d

d

d

《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)32Nu

=

0.023Re0.8

Pr

1/

3

mw

wm

：壁溫處；*?適用：0.7

<

Pr

<

16700

;??若：①液體被加熱,1.05

w

m

m

0.14②液體被冷卻,0.95③氣體時(shí),

1.0《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)高粘度流體：m

>

2

·10-3

Pa

s

m

0.1433Re1.86

·105f

=

1

-a

=a

·

f過(guò)渡流 湍流

L

Nu=

1.86Re1/

3

Pr1/

3

i

mw

*

mw

：壁溫處；>10。L?適用：Re

<

2300,

0.6

<

Pr

<

6700,

RePr

d

i③圓管內(nèi)強(qiáng)制層流：Gr

<2.5

·104

d

1/

3

m

0.14《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)②圓管內(nèi)強(qiáng)制過(guò)渡流：(Re

=2300

~

104

)34Ra

￠=

a

(1

+

1.77

di

)彎曲半徑直管時(shí)⑤非圓管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流：傳熱de或流動(dòng)dei

替代d《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)④彎管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流：35傳熱周邊流道截面積ed

'

=

4

·ooipdp422-

d

)4

·

(

D=流動(dòng)de潤(rùn)濕周邊流道截面積ed

=

4

·oii

ooi=

D

-

d=)44

·

(

D

-

d22p

(

D

+

d

)p《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)傳熱de36i管內(nèi)流動(dòng)d2.管外強(qiáng)制對(duì)流：①管外沿傳熱面平行流動(dòng)：流通截面當(dāng)量直徑替換為②流體垂直流過(guò)管束：《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)37管排數(shù)Nu

=

Ce

Ren

Pr

0.4直列

錯(cuò)列Cnene10.60.1710.60.17120.650.1570.60.22830.650.1570.60.29040.650.1570.60.290n

in

i

iAi=1n

n

=

i=1

1

1

2

2a

Aa

=A

+

A

+

+

A1

2

na

A

+

a

A

+

+

a

A

od當(dāng)x1

＝12～3時(shí)，odC

=

1

+

0.1x1odx當(dāng) 1

>3時(shí)，C=1.3《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)38aa滴狀冷凝《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)(四)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)(1)蒸汽冷凝：冷凝方式：膜狀冷凝39?垂直管或板外冷凝滯流：1

4w

smL(T

-

T

)rr

2

gl3a

=

1.131

Re0.4

r

2

gl3

3湍流：a

=0.0077(

Re

<

1800)(

Re

>

1800)?水平管外冷凝4m

2123

o

n

d

mDt

rr

2gl3a

=

0.725

《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)膜狀冷凝a

：40?蒸汽流速和流向：影響冷凝傳熱的因素：?不凝性氣體：含量?

a

flfl;同液膜流向：u

?

a

?;逆液膜流向：u

?

a

fl;?冷凝壁面：排數(shù)少

+錯(cuò)列

a

?;《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)41(2)液體沸騰：沸騰分類 管內(nèi)沸騰

+

大容積沸騰沸騰過(guò)程：沸騰曲線：a

~

DtDt

=

t

-

tw

s《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)42①

Dt

<

5

C液體輕微過(guò)熱→自然對(duì)流→無(wú)氣泡→a

很小—AB段②

Dt

=

5

-

25

C局部產(chǎn)生氣泡→氣泡上升→液體擾動(dòng)→a↑↑—BC段 泡核沸騰③Dt

>

25

C—CD段

C點(diǎn)：臨界點(diǎn)氣泡增多→氣泡產(chǎn)生速度>脫離表面的速度→不穩(wěn)定的氣膜→a↓↓④DE段：穩(wěn)態(tài)膜狀沸騰→氣膜穩(wěn)定→a不變《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)43a求算：——取經(jīng)驗(yàn)值a的影響因素：?液體物性：r

?,

l

?,

m

fl,

s

fl

a

?;?溫度差：宜控制在泡核區(qū)；?操作壓強(qiáng)：壓強(qiáng)↑

a

?;?傳熱面：粗糙↑(有極限)

a

?;《化工原理》課件——第4章傳熱第3節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱系數(shù)44第4節(jié)傳熱計(jì)算一、能量衡算1.熱負(fù)荷2.衡算式：冷熱流體在單位時(shí)間內(nèi)所交換的熱量Q

=

Qh

c若流體只有溫度變化，無(wú)相的變化例如:

熱油

150℃

→

120℃

水

20℃

→

60℃Q

=

W

c

(T

-

T

)h

h

ph

1

2Q

=

W

c

(t

-

t

)c

c

pc

2

145若流體只有相變化，而無(wú)溫度變化例如: 130℃的飽和水蒸汽→

130℃的水Q

=

W

rh

h

hQ

=

Wr

=

1·2177.6

=

2177.6kJ

/

hh

h

hQ

=

W

rc

c

c《化工原理》課件——第4章傳熱第4節(jié)傳熱計(jì)算一、能量衡算46第4節(jié)傳熱計(jì)算

二、總傳熱速率方程2.總傳熱速率方程：Q

=

KSDtm平均總傳熱系數(shù)，W/(m2

oC)不同基準(zhǔn)面：Q

=

K S

Dt

=

K

S

Dt

=

K

S

Dto

o

m

i

i

m

m

m

m47第4節(jié)傳熱計(jì)算三、總傳熱系數(shù)1

=

1

+

b

dS1

+

1

dS1K

1

a

1

l

dS

m

a

2

dS

2間壁內(nèi)側(cè)流體熱阻間壁熱阻間壁外側(cè)流體熱阻總熱阻48Ko

ao

l

dm

ai

di

1

=

1

+

b

do

+

1

do《化工原理》課件——第4章傳熱若傳熱面很薄或者為平板壁時(shí)\1

=

1

+

b

+

1K

a1

l

a

2i

imiiK

a l

d

a

d+

i

+

i

=1

1

b

d

d以管外面積為基準(zhǔn)以管內(nèi)面積為基準(zhǔn)第4節(jié)傳熱計(jì)算三、總傳熱系數(shù)49l=45W/(m2

oC),Rsi=5×10-4

m2

oC/W,Rso=2×10-4m2

oC/W。(1)求Ko;(2)若忽略壁面及污垢熱阻，將αi提高一倍時(shí)的Ko；(3)若將αo提高一倍時(shí)的Ko。m

i

i

iso

sio

ol

d

d

a

d1

+

b

do

do

+

1

do=

1

+

R

+

R45

22.51500K

a1+

0.0025

·

25=+

2

·10-4·

25

+

1

·

2520

40

20+

5

·10-4Wm2

o

Co

K

=

30.5解：(1)《化工原理》課件——第4章傳熱第4節(jié)傳熱計(jì)算三、總傳熱系數(shù)例:f25·2.5mm,ai=40W/(m2

oC),ao=1500W/(m2

oC)5051o

i

ioK

0

1

1

1

da a

d=

+(2)若忽略壁面及污垢熱阻0.0251+ =

0.0163=αi提高一倍時(shí)-2

C

-1ia

=

2·40

=

80W

m1500 80

·

0.02-2

C-1K

=

61.3W

moo

o

i

iK

0

1

1

1

da a

d=

+0.0251+ =

0.0316=o(3)α

提高一倍時(shí)-2

C

-1oa

=

2·1500

=

3000W

m3000 40

·

0.02C

-1K

=

31.6W m-2o《化工原理》課件——第4章傳熱第4節(jié)傳熱計(jì)算三、總傳熱系數(shù)第4節(jié)傳熱計(jì)算四、平均溫度差（一）恒溫傳熱：Dtm

=

T

-

t（二）變溫傳熱：1ln

2

DtDt=

Dt2

-

Dt1

mDt522Dt討論：(1)并流：亦適用(3)若Dt2

/Dt1

<2(2)

Dt

同一，端處冷熱流體的溫度差12mDt

+

Dt?

1

2

Dt(4)也適用于間壁一側(cè)恒溫，一側(cè)變溫的情況，Dt

=

Dt逆

并《化工原理》課件——第4章傳熱第4節(jié)傳熱計(jì)算四、平均溫度差53fi

70oC20o

Ct

60o

C

?逆流：T

90o

C并流：T

90o

Ct

20o

Cfi

70oCfi

60o

CDt

30o

C

50oCDt

70o

C

10o

Cm3050lnDt

=

50

-

30

=

39.2oCm1070lnDt

=

70

-

10

=

30.8oC22=

40=Dt

+

Dt

30

+

501

2Dt

?m

1

2

2

2=

4010

+

70=Dt

+

DtDt

?m《化工原理》課件——第4章傳熱第4節(jié)傳熱計(jì)算四、平均溫度差54錯(cuò)流和折流時(shí)的DtmDt

=

j

Dtm

Dt

m逆j

=

f

(

P

R)Dt1P

=兩流體最初溫度差

T

-

t1冷流體的溫升冷流體的溫升

t

-

t2

1與冷熱流體的溫度變化有關(guān)=t2

-t1

R

=熱流體的溫降=T1

-T2《化工原理》課件——第4章傳熱第4節(jié)傳熱計(jì)算四、平均溫度差55第5節(jié)換熱器

一、間壁式換熱器1.夾套式：?結(jié)構(gòu):壁外設(shè)夾套?用途:反應(yīng)過(guò)程的傳熱①蒸汽加熱時(shí)，上進(jìn)下出②自來(lái)水冷卻時(shí)，下進(jìn)上出?優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?缺點(diǎn):S及K小56《化工原理》課件——第4章傳熱第5節(jié)換熱器

一、間壁式換熱器2.套管式：①結(jié)構(gòu):同心套管串接②優(yōu)點(diǎn):S可調(diào),耐壓,K大③缺點(diǎn):S/L小,易漏,難清洗④用途:S不大,壓力高場(chǎng)合573.蛇管式：?沉浸型：①結(jié)構(gòu):金屬管繞制②優(yōu)點(diǎn):防腐,耐壓,可內(nèi)置③缺點(diǎn):ao及K小,難清洗《化工原理》課件——第4章傳熱第5節(jié)換熱器

一、間壁式換熱器58?噴淋型：①結(jié)構(gòu):將蛇管成排固定②優(yōu)點(diǎn):效果好,易檢修③缺點(diǎn):噴淋不易均勻④用途:冷卻管內(nèi)熱流體《化工原理》課件——第4章傳熱第5節(jié)換熱器

一、間壁式換熱器594.板式：《化工原理》課件——第4章傳熱第5節(jié)換熱