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1、第七章 传热与蒸发,中药制药工程原理与设备,传热 第一节 概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 热辐射 第五节 传热计算,这堂课讨论的重点是传热的基本原理及其在化工中的应用。通过本章学习，掌握传热的基本原理和规律，并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程的有关问题，并且按照生产需要来选择和优化传热设备。,学习目的与要求,在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小；在操作中进行强化传热操作过程，进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省能源有着重要的意义。,第一节 概述,制药生产中对传热过程的要求,1.强化传热过程，如各种换热设备中的传热；2.减缓传热过程，如设备和
2、管道的保温，以减少热损失。,第一节 概述,第一节 概述,传热过程中热交换的方式,1.直接接触式传热；2.蓄热式传热；3.间壁式传热。,1.直接接触式传热,热冷流体的直接混合进行热交换。传热效果好，设备简单。允许两种流体相互接触的工艺中应用,2.蓄热式传热,两种流体交替地流过蓄热器。设备结构简 单，可耐高温。不能完全避免两种流体间的接触。,3.间壁式传热,利用固体壁面将进行热交换的两种流体隔开。传热通过壁面进行，换热过程中两种流体不互相接触。,传热的基本概念,一，传热的基本方式,（1）热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分或传递的与之接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导。,传
3、热的基本概念,一，传热的基本方式,（2）对流传热 流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，只能发生在流体中。,传热的基本概念,一，传热的基本方式,（3）热辐射 因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐射。,传热的基本概念,二，热流量和热流密度,1.热流量是指在单位时间内通过传热面的热量，用 表示，单位为W。2.热流密度是指单位传热面积的所传递的热量，用q表示，单位为W/m2。,传热的基本概念,三，定态温度场和非定态温度场,1.定态温度场 温度场内各点的温度仅与位置有关，而与时间无关。2.非定态温度场 温度场内各点的温度既与位置有关又与时间无关。,连续生产过程中的传热多为稳态传热。,第二节
4、热传导,温度随距离的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。通常，将温度为(t+t)与t两相邻等温面之间的温度差t，与两面间的垂直距离n之比值的极限称为温度梯度。温度梯度的数学定义式为,对稳态的一维温度场，温度梯度可表示为,一、温度场和温度梯度,傅立叶定律（Flouriers law）,描述热传导现象的物理定律。,温度梯度,导热系数,热流量,使传热速率为正值,传热面积,对于一维稳态热传导，其表达式为,平壁的稳定热传导,（1）单层平壁稳定热传导,微分式,分离变量后积分：,积分式,为了更为形象地表达传热速率Q:,平壁的稳定热传导,（2）多层平壁稳定热传导,通过各层平壁截面的热流量相等,应用合比定律,
5、推广到n层平壁的定态传热:,单层平壁的定态传热:,三层平壁的定态传热:,平壁传热小结,圆筒壁的稳定热传导,（1）单层圆筒壁稳定热传导,微分式,分离变量积分：,积分式,为了更为形象地表达传热速率Q:,5.3.4 圆筒壁的稳定热传导,（2）多层圆筒壁稳定热传导,1,2,3,Q,通过各层圆筒壁截面的热流量相等,圆筒壁传热小结,推广到n层圆筒壁的定态传热:,单层圆筒壁的定态传热:,三层圆筒壁的定态传热:,思考题：假如地球是稳定热传导，地壳的热流量 如何计算？,t1,t2,第三节 对流传热,流体的对流传热实质上是耦合了层流内层的热传导和流体主体的热对流两个过程，其传热的主要阻力存在于近壁处的层流内层，该
6、层的传热机理属于热传导。,对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，而且不同的对流传热情况又有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的，目前工程上仍按下述的半经验方法处理。对流热流量=对流传热推动力/对流传热阻力=系数推动力,对流传热速率方程,第三节 对流传热,对流传热速率可由牛顿冷却定律描述,温度差,局部对流传热系数,微分对流传热通量,对流传热速率方程,第三节 对流传热,换热器的传热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间(环隙)流动，则对流传热速率方程式可分别表示为,第三节 对流传热,二、对流传热系数,牛顿冷却定律也是对流
7、传热系数的定义式，即,对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W/(m2)。它反映了对流传热的快慢，愈大表示对流传热愈快。表7-1列出了几种对流传热情况下的数值范围。,第三节 对流传热,第四节 辐射传热,第五节 传热计算,通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出，即,总热流量微分方程,局部总传热系数,第五节 传热计算,或,总传热系数,第五节 传热计算,或,总传热系数,移项后相加，得,总传热系数,总传热系数,总传热系数,设计中应考虑污垢热阻的影响，即,管壁外表面污垢热阻,管壁内表面污垢热阻,总传热系数计算式,某些常见
8、流体的污垢热阻的经验值可查附录。,污垢热阻(又称污垢系数),总传热系数,1.若传热面为平壁或薄管壁，则,2.若传热面为圆筒壁，则,一、管式换热器,（一）蛇管式换热器1、沉浸式蛇管换热器2、喷淋式换热器（二）套管式换热器（三）列管式换热器1、固定板式热交换器2、U型管换热器3、浮头式换热器4、翅片式换热器,第六节 换热器,1.沉浸式蛇管换热器,结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。优点：结构简单，便于制造和检修,可用防腐材料制造，能承受高压。缺点：管外液体湍动程度低,因此对流传热系数较小。,一、管式换热器,一、管式换热器,2.喷淋式蛇管换热器 结
9、构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。缺点：喷淋不易均匀，占地面积大。,一、管式换热器,（二）套管式换热器 结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用U形肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程,每程长度一般约为46米。优点：流速高，表面传热系数大，结构简单，能承受高压，拆卸和清洗方便。缺点：管间接头多,容易发生泄漏,金属消耗量大。,一、管式换热器,（三）列管式换热器,一、管式换热器,一、管式换热器,一、管式换热器,一、管式换热器,结构：两端的管
10、板与壳体连结成一体。优点：结构简单、造价低廉、应用较广。缺点：清晰和检修困难。适用于壳程流体为较洁净的且不易结垢的或腐蚀性小的物料。,一、管式换热器,1.固定管板式换热器,2.U型管换热器,一、管式换热器,结构：是将每根管子弯成U形，进口分别安装在同一管板的两侧，封头用隔板分成两室 优点：结构简单、重量轻 缺点：管程内清洁较为困难，由于管子弯成U形，管板的利用率较差。适用于流体洁净，且不结垢及高温、高压的场合,2.U型管换热器,3.浮头式换热器,结构：一端管板不与外壳固定连接，该段称为浮头。当管子受热（或冷）时，管束连同浮头可以沿轴自由移动，而不受外壳热膨胀的影响。优点：不仅可以补偿热膨胀，且
11、由于固定端的管板通过法兰与壳体连接，使整个管束可以从壳体中抽出，方便清洗和维修。缺点：结构复杂，金属耗量大，造价高。适用于流体洁净，且不结垢及高温、高压的场合,3.浮头式换热器,4.翅片式换热器,结构：普通金属管的外表面装有径向或轴向翅片。优点：可以增大传热面积，而且传热效果较好,二、板式热交换器,1、夹套式换热器2、板式换热器3、螺旋板式换热器4、板翅式换热器,第六节 换热器,结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。优点：结构简单。缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。,1.夹套式
12、换热器,2.板式换热器,优点：检修拆洗方便；热损失小；应用广泛。缺点：处理量小；耐温性差；操作压力低；密封周边长；不适用于极易结垢、堵塞的物料。垫片损坏后，易发生泄漏。适用于需精密控制温度或热敏性或高粘度的物料,优点：传热系数高；不易堵塞；能利用低温热源；结构紧凑；成本较低。缺点：检修困难；操作压力和温度不宜太高；不易清洗。适用于处理混悬液及粘度较高的流体。,3.螺旋板式换热器,优点：结构紧凑，传热效果好。一般铝合金制成，设备轻巧牢固。操作范围广。具有其他换热器所不能做到的功能。缺点：流道小，易堵塞，清洗及维修困难。适用于低温、超低温的场合。对介质的要求是不与铝发生化学反应。,4.板翅式换热器,总结,传热 第一节 概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 热辐射 第五节 传热计算 第六节 热交换器,
