第4章?lián)Q熱設(shè)備課件

第四章?lián)Q熱設(shè)備目錄第一節(jié)

傳熱基本知識(shí)第二節(jié)傳熱基本計(jì)算第三節(jié)常見(jiàn)換熱器

全國(guó)高等學(xué)校高職高專藥品類專業(yè)衛(wèi)生部“十一五”規(guī)劃教材《生物制藥設(shè)備》學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.了解傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱的基本原理；2.熟練傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱的基本計(jì)算方法；3.掌握各種換熱器的結(jié)構(gòu)、工作原理。能力目標(biāo)1.學(xué)會(huì)傳導(dǎo)傳熱和對(duì)流傳熱的基本計(jì)算；2.掌握各類換熱器的性能。

熱是一種特殊形式的能量，任何物體都具含有熱。物體所含熱的多少可以用溫度來(lái)度量，溫度越高說(shuō)明物體所含的熱越多。高溫物體可以將熱釋放給低溫物體，物體間的溫差越大，釋放熱的趨勢(shì)越大。熱被釋放的過(guò)程成為傳熱，所釋放的數(shù)量叫熱量。在傳熱的過(guò)程中，高溫物體降溫，低溫物體升溫，這表明冷熱兩物體發(fā)生了熱交換過(guò)程，實(shí)現(xiàn)冷熱物體交換的設(shè)備叫熱換器。第一節(jié)

傳熱基本知識(shí)一、傳熱基本概念1.溫度場(chǎng)和等溫面

物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)各空間點(diǎn)上溫度的集合稱為溫度場(chǎng)同一時(shí)刻具有相同溫度的各點(diǎn)所組成的空間曲面稱為等溫面。由于高溫物體是全方向釋放熱量，因此由高溫物體與環(huán)境物質(zhì)所組成的三維系統(tǒng)中各空間點(diǎn)都分布熱，形成各空間點(diǎn)的溫度。溫度場(chǎng)是時(shí)間和空間坐標(biāo)的函數(shù)。在溫度場(chǎng)中，各空間點(diǎn)的溫度大小與該店所處的位置有關(guān)，離高溫物體越近數(shù)值越大，反之越小。2.定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱

如果各空間點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間改變，這種傳熱過(guò)程稱為定態(tài)傳熱，這種溫度場(chǎng)叫三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。

如果各空間點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變，這種傳熱過(guò)程是非定態(tài)傳熱，這種溫度場(chǎng)則稱為三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，又叫瞬態(tài)溫度場(chǎng)。

3.溫度梯度

兩相鄰等溫面之間的溫度差。溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，它的正方向是指向溫度增加的方向。

二、常見(jiàn)換熱方式（一）熱載體

熱源一次熱源自身產(chǎn)生能量的物質(zhì)—如煤碳、天然氣、石油和電加熱器等

二次熱源

從一次熱源吸收熱量，再將熱量釋放并加熱物料的物質(zhì)即熱載體，常用的有水蒸汽、礦物油、有機(jī)液體等

（二）常見(jiàn)換熱方式1.直接混合換熱

將冷、熱流體直接混合而進(jìn)行的熱交換

2.間壁式換熱

冷、熱流體通過(guò)固體壁傳熱的過(guò)程3.蓄熱式換熱

蓄熱介質(zhì)吸收熱量后釋放給低溫流體的過(guò)程

2.導(dǎo)熱系數(shù)

熱傳導(dǎo)速率

等溫表面的面積

溫度梯度

物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為或。

導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，它是表征物質(zhì)導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，物質(zhì)導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。負(fù)號(hào)代表熱流方向與溫度梯度方向相反（二）基本計(jì)算1.平壁熱傳導(dǎo)傳熱速率的計(jì)算（1）單層平壁

b---單層平壁厚度，單位m

S---單層平壁傳熱面積，單位㎡

R--總傳熱面積為S的導(dǎo)熱熱阻,單位為。單層平壁熱通量計(jì)算式為

（2）多層平壁傳熱速率計(jì)算式

層與層之間接觸良好,接觸的兩表面溫度相同，屬于定態(tài)一維傳熱。

例題1：如所示，通過(guò)三層平壁熱傳導(dǎo)中，若測(cè)得各面的溫度分別為550℃、400℃、350℃和250℃，試求各平壁層熱阻之比，假定各層壁面間接觸良好。

解：多層平壁的熱傳導(dǎo)過(guò)程中，各層熱通量相等，即所以答：的比例為1:3:6。2.圓筒壁的熱傳導(dǎo)傳熱速率計(jì)算式（1）單層圓筒壁的傳熱速率計(jì)算

有一足夠長(zhǎng)的單層圓筒，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，圓筒內(nèi)壁半徑為，外壁半徑為，沿圓筒長(zhǎng)度方向無(wú)熱損失，熱量從內(nèi)壁向外壁進(jìn)行徑向一維定態(tài)傳熱，圓筒內(nèi)無(wú)熱源，圓筒壁的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)。通過(guò)對(duì)熱量在徑向上傳遞過(guò)程的分析，可得出傳熱速率計(jì)算式為(2)多層圓筒壁的傳熱速率計(jì)算式在多層圓筒壁中，各層的傳熱速率相同，熱通量不同。例題2

如圖所示，在外徑的蒸汽管道外包絕熱層。絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)為。已知蒸汽管外壁160℃，要求絕熱層外壁溫度低于50℃，且每米管長(zhǎng)的熱損失不超過(guò)，試求絕熱層最小厚度。解：已知管道長(zhǎng)度L=1m,最大傳熱速率根據(jù)單層圓筒壁傳熱速率計(jì)算公式絕熱層最小厚度為：答：絕熱層最小厚度為25.6mm.二、對(duì)流傳熱基本計(jì)算流體與固體壁面間的傳熱過(guò)程稱為對(duì)流傳熱。（1）自然對(duì)流傳熱

因流體各部位溫度不同，產(chǎn)生了密度差異，使流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而引發(fā)的熱量傳遞過(guò)程（2）強(qiáng)制對(duì)流傳熱使用泵、風(fēng)機(jī)或其它外力推動(dòng)流體流動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞過(guò)程（一）對(duì)流傳熱基本知識(shí)1.對(duì)流傳熱過(guò)程分析

阻力主要來(lái)自滯流內(nèi)層：由于流體質(zhì)點(diǎn)平行于壁面流動(dòng)，在傳熱方向上無(wú)混合過(guò)程，過(guò)渡層界面處的溫度與貼近壁面處流體的溫度有較大的差距，因此主要是熱傳導(dǎo)傳熱。2.牛頓冷卻定律熱流體對(duì)固體壁面對(duì)流傳熱速率表達(dá)式為稱為局部對(duì)流傳熱系數(shù)，單位為。在實(shí)際換熱過(guò)程中，局部對(duì)流系數(shù)沿管道長(zhǎng)度變化而變化，通常采用平均對(duì)流傳熱系數(shù)代替。流體被加熱時(shí)：流體被冷卻時(shí)：對(duì)流傳熱熱阻冷、熱流體的平均溫度換熱器冷、熱壁面溫度平均對(duì)流傳熱系數(shù)流體與壁面之間的平均溫度差（二）對(duì)流傳熱系數(shù)的獲得方法1.對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素

影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素較多，如流體的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、黏度、密度、流動(dòng)狀態(tài)、換熱器傳熱面的形狀、位置和大小、排列方式等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定出有關(guān)系數(shù)，建立起半經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)流傳熱系數(shù)的一般關(guān)聯(lián)式為：

其中稱為魯塞爾常數(shù)，稱為普郎特常數(shù)，是表示物體傳熱性質(zhì)的常數(shù)。是流體的定壓比熱容準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)（給熱準(zhǔn)數(shù)）

Nu

表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)（流型準(zhǔn)數(shù)）

Re

確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)（物性準(zhǔn)數(shù)）

Pr

表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)（升力準(zhǔn)數(shù)）

Gr

表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)常用的特征數(shù)及物理意義2.常用對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算式強(qiáng)制性湍流無(wú)相變黏度小于2倍水黏度當(dāng)流體被加熱時(shí)被冷卻時(shí)使用條件（三）傳熱過(guò)程基本計(jì)算1.熱負(fù)荷Q的計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)需要移出或輸入的熱量叫做熱負(fù)荷。（1）無(wú)相變的熱負(fù)荷（2）有相變的熱負(fù)荷分別是高溫流體和低溫流體的質(zhì)量流量2.總傳熱系數(shù)的計(jì)算在總傳熱過(guò)程中，總熱阻是兩個(gè)對(duì)流傳熱熱阻與間壁的熱傳導(dǎo)熱阻之和。根據(jù)熱阻的定義確定一個(gè)常數(shù)：為總傳熱系數(shù)，單位為。如果以外表面積為基準(zhǔn)，則總傳熱系數(shù)計(jì)算公式為

若換熱器表面有污垢，對(duì)傳熱會(huì)產(chǎn)生附加熱阻，稱為污垢熱阻，分別用和表示內(nèi)壁和外壁熱阻。總傳熱系數(shù)表達(dá)式為：3.總傳熱速率方程對(duì)于間壁傳熱，其總傳熱速率方程式為是傳熱平均溫度差，單位是℃。4.傳熱平均溫度差的計(jì)算方法（1）恒溫傳熱平均溫度差的計(jì)算方法恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差不受流體流動(dòng)方向的影響。（2）變溫傳熱平均溫度差的計(jì)算方法

對(duì)于間壁換熱，冷、熱流體相對(duì)流動(dòng)方式有并流、逆流、錯(cuò)流、折流等多種形式。不同形式的流動(dòng)，冷、熱兩流體平均溫度差不盡相同。并流時(shí)計(jì)算方法高溫流體低溫流體進(jìn)口出口溫度差取值大的為，小的為，則當(dāng)時(shí)逆流時(shí)計(jì)算方法高溫流體低溫流體進(jìn)口出口溫度差取值大的為，小的為，則當(dāng)時(shí)例題3

在圖4—9的逆流換熱器中，冷流體是初溫為20℃的水，熱流體的比熱容為，溫度為85℃，密度為，流量為1.25kg/s。冷流體出口溫度為50℃，熱流體的出口溫度為25℃。冷熱流體均無(wú)相變。已知該換熱器列管直徑為，冷水走管程。水側(cè)和液體側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)分別為0.8kW/(m2·℃），和1.60kW/(m2·℃），不考慮污垢熱阻，試求換熱器的傳熱面積。解：根據(jù)題意，流體無(wú)相變，該換熱器的熱負(fù)荷為：

換熱器位置進(jìn)口出口高溫流體85℃25℃低溫流體20℃50℃溫度差65℃25℃℃

℃

據(jù)題忽略壁的厚度，則：該換熱器的總傳熱系數(shù)為其傳熱表面積S為答：該換熱器的換熱面積為。第三節(jié)常見(jiàn)換熱器一、管式換熱器用金屬管道制成的換熱器叫管式換熱器，有蛇管式和列管式兩大類型（一）沉浸式蛇管換熱器在使用時(shí)常將蛇管沉浸在容器中，冷、熱流體分別在管內(nèi)外壁面流動(dòng)，并發(fā)生熱交換。由于蛇管換熱器的總傳熱系數(shù)小，因此常與攪拌器配合使用，使管外流體處于湍流狀態(tài)，以提高傳熱效率。蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造和維修，造價(jià)低，耐高壓。缺點(diǎn)是湍流程度低，管內(nèi)易結(jié)垢，易堵塞，不便于清洗。性能和應(yīng)用（二）列管式換熱器列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是一種典型的間壁式換熱器。1.固定管板式換熱器

固定管板式換熱器由圓筒形殼體、封頭、管板、管程隔板、管道、擋板等部件構(gòu)成。

固定管板式換熱器適用于殼程中輸送較為清潔且不易結(jié)垢或腐蝕性小的流體。本設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、應(yīng)用較廣，但清洗和維修較困難。2.U型管換熱器

U型管換熱器由圓筒形殼體、封頭、U形管束、殼程隔板、管程隔板組成

U形管束可自由伸縮，緩沖了熱效應(yīng)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，可承受高溫高壓等。U形管內(nèi)部不易清洗，只適用于潔凈流體的換熱。3.浮頭式換熱器由圓筒形殼體、管板、管程隔板、殼程隔板、浮頭、管道等部件構(gòu)成。

浮頭式換熱器管程流體按折流方式流動(dòng)，采用殼程隔板將延長(zhǎng)了流程，促使換熱充分。由于固定端是通過(guò)法蘭與殼體連接，所以，整個(gè)管束可以從殼體中抽出，拆卸方便，有利于清洗和維修。二、板式換熱器板式換熱器有夾套式、平板式、螺旋板式和板翅式等幾種類型1.夾套式換熱器夾套式換熱器由容器、夾套、流體分布器、汽液分離器等部件組成

夾套換熱器傳熱面積固定，傳熱系數(shù)小。由于夾套內(nèi)的污垢不易清洗，因此要求加熱介質(zhì)是不易結(jié)垢的氣體或液體。為了提高傳熱速率，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，促使容器內(nèi)流體進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流傳熱。2.板式換熱器板式換熱器由長(zhǎng)方形金屬薄板、墊片、支架組合構(gòu)成

使用時(shí)將冷、熱流體分別從兩組通道輸入，則冷、熱流體交錯(cuò)地在板與板之間的空間中流動(dòng)，形成間壁式換熱。由于金屬薄板上有大量的凹凸波紋，不僅加強(qiáng)了金屬薄板的機(jī)械強(qiáng)度，而且還提高了流體的湍流程度，增加了傳熱面積，強(qiáng)化了傳熱效果，因此，板式換熱器被廣泛地應(yīng)用于快速升溫或快速降溫的換熱過(guò)程中。3.螺旋板式換熱器

螺旋板式換熱器由金屬薄板、金屬蓋板、隔板、圓桶形容器等部件構(gòu)成

將兩塊金屬薄板按一定間距平行重疊，用金屬薄片密封兩側(cè)，形成一個(gè)矩形容器，按軸心線卷制，再用焊接密封或用墊片密封兩端面即成。不可拆式可拆式螺旋板換熱器螺旋通道的兩端面采用焊接密封，密封性好。螺旋通道的兩端面采用墊片密封，利與清洗。

熱流體和冷流體分別從不同的入口處進(jìn)入各自的流道，在容器內(nèi)呈逆流方式流動(dòng)并進(jìn)行熱交換。螺旋板式換熱器傳熱面積大，總傳熱系數(shù)高，不易堵塞，換熱效果好，可充分利用低溫?zé)嵩催M(jìn)行換熱。缺點(diǎn)是不耐高溫高壓，清洗和檢修困難。螺旋板式換熱器適用于混懸液和粘稠流體的熱交換過(guò)程。4.板翅式換熱器板翅式換熱器由金屬薄板、金屬翅片、密封條、集流箱等部件構(gòu)成。換熱器金屬翅片

板翅式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小，單位體積傳熱面積大，總傳熱系數(shù)高，傳熱效果好。缺點(diǎn)是流道小易堵塞，清洗及維修困難。

板翅式換熱器適合于低溫或超低溫條件下的換熱過(guò)程。三、換熱器的維護(hù)

引起換熱器性能下降的因素較多，有設(shè)計(jì)制造產(chǎn)生的固有因素，也有使用與維護(hù)操作等人為因素。對(duì)于在使用中的換熱器，可從兩個(gè)方面去提高傳熱效率。

1.增大傳熱平均溫度差在工藝規(guī)定的條件范圍內(nèi)，可改變冷、熱流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)增大傳熱平均溫度差。通常采用逆流流動(dòng)