传热制药工程原理与设备图文.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/8,2009-11-14,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/8,2009-11-14,#,#,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/8,2009-11-14,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/8,2009-11-14,#,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/8,2009-11-14,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/8,2009-11-14,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/8,2009-11-14,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/8,2009-11-14,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/8,2009-11-14,#,传热：,物体内部或物体之间由于温差存在而发生的能量转移过程称为,热量传递,，是自然界和工程技术领域中极普遍的,一种传递过程,。,有温度差的存在就有热的传递，,温差,是实 现传热的推动力。,传热方向是从,高温指向低温,。,概述,2）一些单元操作过程，例如,蒸发,、,蒸馏,、,干燥,等，需要按一定的速率向设备输入或 输出热量。,3）在高温或低温下操作的设备，要求,保温,，以减少它们和外界传热。,4）对于,废热,也需合理的利用与回收。,1）,加热,或,冷却,物料，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。,1、,传热在化工生产中的应用,2、化工生产中,对,传热,的要求,1）强化传热：,各种换热设备中的传热。,（热源和冷源）,2）削弱传热：,如对设备和管道的保温，以减少热损失。,一、传热的基本方式,1,、热传导,热量从物体内部,温度较高的部分,传递到,温度较低的部分,或者传递到与之相接触的温度较低的另一物体的过程称为,热传导,，简称,导热,。,特点：,物质间没有宏观位移,，传热仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的,热运动,而进行。,微观机理因物态而异：,导体,-,自由电子的运动；非导体,-,晶格的振动,2、热对流,流体,中质点发生相对位移,而引起的热量传递，称为热对流对流只能发生在流体中。,强制对流,自然对流,用,机械能,（泵、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。,由于流体各部分温度的不均匀分布，,形成密度的差异,，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热。,3、热辐射,物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为,热辐射,。,辐射是一种通过,电磁波传递,能量的过程。,辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。,一切在,0K,以上的物体都会不停的发射辐射能；,辐射传热不需要任何介质作媒介，,可以在真空中传播。,通常传热过程中，三种传热方式联合作用的结果。,分类,二、传热过程,1,、两种流体热交换的基本方式,直接接触式换热,2,、间壁式换热器的基本结构,套管式换热器,内管,外管,热流体将热量传到壁面一侧,热量通过固体壁面的热传导,壁面另一侧将热量传给冷流体,对流传热,-,热传导,-,对流传热,套管换热器,外传热面积：,内传热面积：,平均传热面积：,化工原理,课件,第,4,章 传热,单程列管式换热器,流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体,流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体,双程列管式换热器,管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同程数的换热器,传热速率,(,热流量,),Q,:,单位时间内通过传热面的热量,W,三、换热器的主要性能指标,传热速度,(,热通量,),:,单位传热面积的传热速率,W/m,2,四 稳态传热和非稳态传热,稳态传热：,传热系统中不积累能量的传热过程,特点：,温度分布不随时间而变，,传热速率常量,非稳态传热：,传热系统中，温度分布随时间而变，传热过程为非稳态传热，,传热速率不为常量,载热体及其选择,加热剂（加热介质）：,起加热作用的载热体,冷却剂（冷却介质）：,起冷却作用的载热体,载热体：,物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体,工业中常用的加热剂和冷却剂,一、基本概念和傅立叶定律,二、导热系数,三、平壁的稳定热传导,四、圆筒壁的稳定热传导,第,二,节 热传导,一、基本概念和傅立叶定律,1,、温度场和等温面,温度场,物体或系统内部的,各点,温度分布,的总和,。,温度场的数学表达式为,稳定温度场,不稳定温度场,温度场中各点的温度随时间而改变,温度场中各点的温度不随时间而改变,等温面,：,温度场中温度相同的点组成的面。,2、温度梯度,温度梯度,：,等温面法线方向上的温度变化率，用,gradt,表示。,温度梯度是向量，正方向指向,温度增加的方向,。,对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示为：,t+t,t,t-t,比例系数，,称为,导热系数,。,W/m,k,负号,表示热流方向与,温度梯度方向相反；,傅立叶定律,3、傅立叶定律,二、导热系数,1,、导热系数的定义,在数值上等于,单位温度梯度下的热通量,，,是物质的,物理性质,之一,。,一般，,金属,的导热系数,最大,，非金属的固体次之，液体的较小，,气体的最小,。,金属 1-400,W/(m,2,K),建筑材料 0.1-1,W/(m,2,K),绝热材料 0.01-0.1,W/(m,2,K),液体 0.1-0.6,W/(m,2,K),气体 0.005-0.05,W/(m,2,K),2、固体的导热系数,纯金属,的导热系数一般随,温度的升高而降低,，,金属,的导热系数大都,随纯度的增加而增大,。,非金属的建筑材料或绝热材料,的导热系数,随密度增加而增大，也随温度升高而增大,。,3、液体的导热系数,在非金属液体中，水的导热系数最大。除,水和甘油,外,绝大多数液体的,导热系数随温度的升高而略有减小。,纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。,4,、气体的导热系数,气体,的导热系数很小，不利于导热，但,有利于保温,。,气体的导热系数,随温度升高而,加大,。,在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小。,在温度变化不大时，大多数物质的导热系数与温度呈线性关系：,对于金属材料和液体：,0,非金属材料和气体：,0,二、平壁的,稳定热传导,1,、,单层平壁,的稳定热传导,设,(1),材质均匀,为常数,(2),一维定态导热,温度沿,x,方向变化,(3),Q,与,S,均为常量,(4),t,1,t,2,边界条件为：,x,=0,时，,t=t,1,x,=,b,时，,t=t,2,R,导热热阻，,K/W,；,r,单位面积的导热热阻,。,传导距离,b,越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大。,例题：某平壁厚度为,.,m,，平壁内表面温度为,1,0,，外表面温度为,300,，平壁材料导热系数与温度的关系为,若将导热系数分别按常量和变量计算，试求,导热热通量和平壁内的温度分布,设壁厚,x,处的温度为,t,温度和距离呈直线关系,（）导热系数按常量计算,设壁厚,x,处的温度为,t,温度分布为曲线,（）导热系数按变量计算,将导热系数按常量或变量计算时，所得的导热通量是相同的，而温度分布不同,工程中计算热通量时，可取平均温度下导热系数,，,即将导热系数按常量处理,二、多层平壁的稳态热传导,第一层,第二层,第三层,t,1,t,2,t,3,t,4,b,1,b,2,b,3,假设层与层间接触良好，相接触的两表面温度相同,n,层平壁,结论：,串联热阻叠加原则：,串联传热过程,中的推动力为各分过程的推动力之,和，总热阻为各分过程的热阻之和。,热传导中,温度差,与,热阻,成正比,例,1,：燃烧炉最内层耐火砖,b,1,=150mm,中间层绝热砖,b,2,=290mm,最外层普通砖,b,3,=228mm,。已知,t,1,=1016,o,C,t,4,=34,o,C,，求,t,2,和,t,3,。设各层接触良好。,1,=1.05W/(m,o,C),2,=0.15W/(m,o,C),3,=0.81W/(m,o,C),解,:,化工原理,课件,第,4,章 传热,材料,，,W/m,o,C,R,，,m,2,o,C/W,t,，,o,C,耐火砖,1.05,0.1429,59.5,绝热砖,0.15,1.933,805.1,普通砖,0.81,0.2815,117.4,化工原理,课件,第,4,章 传热,四、圆筒壁的稳定热传导,1,、单层圆筒壁的热传导,仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：,分离变量积分：,圆筒壁的导热热阻,圆筒壁的内外表面的对数平均面积，,m,2,当,r,2,/r,1,2,时可用算术平均值代替对数平均值,2、多层圆筒壁的热传导,与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：,N,层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：,S,1,S,2,，,Q,相同，,q,不相同,多层平壁和多层圆筒壁热传导的比较,平面壁,S,1,=,S,2,，,Q,相同，,q,相同,圆筒壁,【例4-,2】,一套管换热器的内管为,252.5mm,的钢管，钢的导热系数为45,W/(mK),，,该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了1,mm,厚的污垢，垢层的导热系数分别为1.0,W/(mK),和0.5,W/(mK),，,已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160和120，试求此换热器单位管长的传热量。,解：换热器的热流密度,W/m,代入数据得,例,2,38mm2.5mm,的水蒸汽管,钢的,=50,W,/(,mK,),包有隔热层,.,第一层是,40mm,厚的矿渣棉,=0.07,W,/(,mK,),第二层是,20mm,厚的石棉泥,=0.15,W,/(,mK,).,若管内壁温度为,140,石棉泥外壁温度为,30.,试求每米管长的热损失速率,.,若以同量的石棉作内层,矿渣棉作外层时,情况如何,?,试作比较,.,解：,根据题意得,若以同量石棉作内层,矿渣棉作外层,则,从而求得,计算表明,选用隔热材料包裹管路时，在耐热性等条件允许下，导热系数小的应包在内层。,金属管的热阻实际上是可忽略的。,例 在一,603.5mm,的钢管外层包有两层绝热材料，里层为,40mm,的氧化镁粉，平均导热系数,=0.07W/m,，外层为,20mm,的石棉层，其平均导热系数,=0.15W/m,。现用热电偶测得管内壁温度为,500,，最外层表面温度为,80,，管壁的导热系数,=45W/m,。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。,解：每米管长的热损失,此处，,r,1,=0.053/2=0.0265m r,2,=0.0265+0.0035=0.03m,r,3,=0.03+0.04=0.07m r,4,=0.07+0.02=0.09m,t,3,r,1,r,3,t,1,r,4,t,4,t,2,r,2,保温层界面温度,t,3,解得,t,3,=131.2,一、对流传热分析,二、对流传热速率方程,三、对流传热系数,第,三,节 对流传热,由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。,一、对流传热的分析,层流底层,过渡层,湍流主体,层流层,沿轴向流动，无径向混合，依靠导热，主要温差及热阻集中在层流层。,缓冲层,导热、对流同时存在，温度缓慢变化。,湍流区,质点剧烈运动，混合均匀，无温差，无热阻。,对流传热的热阻,主要集中在滞流内层,。减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,二、对流传热速率方程,1,、对流传热速率表达式,据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：,对流传热的理论计算是很困难的，目前工程上半经验方法处理。,对流传热速率方程可以表示为：,热流体在管内流动，冷流体在管外流动,2、对流传热系数,对流传热系数,a,定义式：,表示,单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。,单位,W/m,2,.k,。,反映对流传热的快慢，不是物性，是参数,反映了,对流传热的快慢,，对流传热系数大，则传热快。,影响因素,强制,自然,；,相变,无相变,；,液,气,1、流体的,种类,和,相变化,的情况,2、流体的物性,对流传热系数影响因素,体积膨胀系数,值愈大，密度差愈大，,有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。,3、流体的温度,4、流体流动状态,湍流的对流传热系数远比滞流时的大。,5、,对流情况,强制对流：,自然对流：,由于外力的作用,由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移。,6、传热面的性状、大小和位置,无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：,八个物理量涉及四个基本因次：质量,M,，长度,L,，时间,T,，温度,，,借助于数学物理中的量纲分析法，将众多的影响因素整合成,Nu,、,Re,、,Pr,和,Gr,四个无因次数群，他们之间的关系为：,四、对流传热中的一般准数关联式,准数的符号和意义,准数名称,符号,准数式,意义,努塞尔特准数,（,Nusselt,）,Nu,对流传热系数的,准数,雷诺准数,（,Reynolds,）,Re,确定流动状态的准数,普兰特准数,（,Prandtl,）,Pr,表示物性影响的准数,格拉斯霍夫准数,（,Grashof,）,Gr,表示自然对流影响的准数,对流传热系数,准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。,在应用关联式时应注意以下几点：,1,、应用范围,2,、特性尺寸,无因次准数,Nu,、,Re,等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热有决定影响的尺寸作为特征尺寸，传热当量直径,d,e,的计算。,3,、定性温度,流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。,4,、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。,1、流体在管内作强制对流传热系数,1）流体在圆形直管内作强制湍流,a),低粘度流体（大约低于2倍常温水的粘度,，,210,-3,Pa.s,）,当流体被,加热时,n,=0.4,，,流体被,冷却时，,n,=0.3,。,流体无相变时的对流传热系数,管长与管径,比,将计算所得的,乘以,应用范围：,定性尺寸：,Nu,、,Re,等准数中的,l,取为管,内径,d,i,。,定性温度：,取为流体进、出口温度的算术平均值。,b),高粘度的液体,为考虑热流体方向的校正项,，液体被加热为,1.05,，冷却为,0.95,，气体为,1,。,应用范围：,定性尺寸：,取为管内径,d,i,。,定性温度：,除,w,取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,2)流体在圆形直管内作强制滞流,当管径较小，流体与壁面间的温度差较小,时,自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时。,应用范围：,定性尺寸：,管内径,d,i,。,定性温度：,除,w,取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,时自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时。传热系数,乘以校正系数,f.,3）流体在圆形直管内呈过渡流,对于,Re=230010000,时的过渡流范围，,先按湍流的公式计算,，,然后再乘以校正系数,f,。,4）流体在弯管内作强制对流,弯曲半径,5）流体在非圆形管中作强制对流,套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：,应用范围：,Re=12000220000,，,d,1,/d,2,=1.6517,定性尺寸：,当量直径,de,定性温度：,流体进出口温度的算术平均值。,a,）传热当量直径,而流动当量直径,套管环隙,2、流体在管外强制对流,1）流体在管束外强制垂直流动,1）流体在管束外强制垂直流动,1）流体在管束外强制垂直流动,适用范围：,对整个管束：,定性温度：,特征尺寸：,管的外径,d,o,1）流体在管束外强制垂直流动,在整个管束上的平均对流传热系数可由下式计算,i=1,，,，,n,式中,a,i,为第,i,排管子的平均对流传热系数，,A,i,为第,i,排管子的总传热面积。,1）流体在管束外强制垂直流动,流体,在错列管束外流过时,，平均对流传热系数,流体,在直列管束外流过时,，平均对流传热系数,应用范围：,注意：,管束排数应为10，若不是10时，计算结果应校正。,2）流体在换热器的管间流动,2）流体在换热器的管间流动,凯恩（,Kern,）,法,应用范围：,R,e,=2,10,3,10,6,定性尺寸：,当量直径,d,e,。,定性温度：,除,w,取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：,管子呈正方形排列时：,管子呈三角形排列时,：,管外流速可根据流体流过的最大截面积,S,计算,多诺呼,(,Donohue),法,应用范围：,Re,=3,210,4,定性尺寸：,管,外径,d,o,，,流速取换热器中心附近管排中最窄通道处的速度。,四、流体有相变时的对流传热系数,1,、液体沸腾,液体受热沸腾时，因发生相变而吸收大量的气化热，并因气泡产生而使加热面附近的流体剧烈搅动，从而具有较高的传热膜系数,2,、蒸汽冷凝,饱和气体冷凝为饱和液体，会释放出气化潜热，冷凝液的温度与蒸汽温度相同。,冷凝时蒸汽中若含有不凝性气体，会使传热系数大大降低。,过热蒸汽,冷凝：先以显热传热，与普通气体一样，较小。,蒸汽冷凝有,膜状冷凝,和,滴状冷凝,两种方式。,膜状冷凝,：,由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。,滴状冷凝,：,若冷凝液不能润湿,壁面,，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝称为滴状冷凝。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。,蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。,四、流体有相变时的对流传热系数,1,蒸汽冷凝时的对流传热系数,冷凝液润湿壁面的 能力取决于其表面张力和对壁面附着力的大小。若附着力比表面张力大，则形成膜状冷凝，反之，即形成滴状冷凝。,（二）有相变,1、冷凝传热,膜状冷凝：,液膜是主要热阻,1.1.3,影响冷凝传热的因素,蒸汽的流向和流速,：,蒸汽和液膜同向流动，液膜厚度,(),，,若逆向流动，液膜厚度,(),，,蒸汽的流速较大，液 膜 吹 跑,，,冷凝液膜两侧的温度差,t,：,当液膜呈滞流流动时，若,t,加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜层厚度增厚，,蒸汽中不凝气体含量的影响,：,若蒸汽中含有不凝气体，壁面为气体（导热系数很小）所覆盖，增加了一层附加热阻，使,急剧下降，可达,60%,。,冷凝壁面的影响,：,如对于翅片管和螺旋管,，,；传热面积,S,，,冷凝管的方位,：,对于水平管：,若冷凝液从上部各排管子流下，使下部排管液膜变厚，,；沿垂直方向排管数目，,。管束改为错列，,或加除液挡板，,。,对于垂直管,:,尺寸，,，,。,管外开槽，,。,流体的物性,：,（汽化热,r,、密度,、,），,；,，,2025/2/5 周三,2009-11-14,2025/2/5 周三,2009-11-14,3,、,CD,段,：不稳定膜状沸腾或 部分核状沸腾：,当,t,增大到某一定数值时，加热面上产生的汽泡大大增多，此时汽泡产生的速率大于脱离表面的速率。这样汽泡在脱离表面前连接起来，开始形成一层不稳定的汽膜，随时可能破裂变为大汽泡离开加热面。随着,t,的增大，汽泡趋于稳定，因气体的导热系数远小于液体的，所以传热系数反而下降。,4,、,DE,段,：,当达到,D,点时，传热面几乎全部为气膜所覆盖，形成稳定的气膜，随,t,增大，,不变，,q,又上升（因为壁温升高，辐射传热的影响增大。一般将,CDE,段称为,膜状沸腾,。,临界点,t,c,和,q,c,：,从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。临界点所对应的热流密度和温差称为临界热负荷,q,c,和临界温度,t,c,。,由于核状沸腾传热系数较膜状沸腾的大，因此工业生产中一般总是设法控制在核状沸腾。,2.3,影响沸腾传热的因素,温度差,t,：,t,是控制沸腾给热过程的重要参数，控制,t,不大于,t,c,，,使操作处于核状沸腾。在,t,t,c,时，,t,，,。,操作压强：,提高沸腾压强相当于提高液体的,t,s,，使液体的表面张力,和粘度,均下降，有利于汽泡的生成和脱离，能强化沸,腾传热。在相同的,t,下，,和,q,都提高。,液体性质的影响,液体的,，,，,和表面张力,，汽化潜热,r,等均对沸腾,传热有重要影响。一般认为：,（导热能力）或,（自然对流）,或,（气泡易于脱离）,加热表面,加热壁面的材料和粗糙度对沸腾给热有重要的影响。,表面粗糙度,，,，气泡核心数,表面油污，,2.4,沸腾传热系数的计算,由于沸腾传热过程复杂，计算式均为经验式，如：,莫斯金斯基经验式：,R,为对比压强；,p,为操作压强；,p,c,为临界压强,2025/2/5 周三,2009-11-14,一、能量衡算,二、总传热速率方程,三、总传热系数,四、平均温度差,五、设备热损失的计算,第,四,节 传热过程计算,Q,=,K,S,t,m,一、热量衡算,热量衡算是反映,两流体在换热过程中温度变化的相互关系。,对于,间壁式换热器,，假设,换热器绝热良好，热损失可忽略，,则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：,换热器的热量衡算式,应用：,计算换热器的传热量,若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时，,若换热器中热流体有,相,变化，例如饱和蒸汽冷凝，,冷凝液在饱和温度下,离开。,若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器,例：,试计算将压力,200kPa,、流量,200kg/h,的冷凝至,80,的水所放出的热量。,200kPa,饱和水蒸气的温度，定压比热容和焓值，查附录,6,和附录,2,。,二、总的传热速率方程,通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速率方程，可以,仿照对流传热速率方程,写出：,总传热速率微分方程,or,传热基本方程,K,局部总传热系数，（,w/m,2,）,物理意义：,在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。,当取,t,和,K,为整个换热器的平均值时，对于整个换热器，传热基本方程式可写成：,K,换热器的平均传热系数，,w/m,2,K,。,或,总传热热阻,注意：,其中,K,必须和所选择的传热面积相对应,，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。,注：工程上大多,以外表面积,为计算基准，,K,o,不再加下标“,o,”,三、总传热系数,传热系数,K,的计算,流体通过管壁的传热包括：,1)热流体在流动过程中把热量传递给管壁的对流传热,2)通过管壁的热传导,3)管壁与流动中的冷流体的对流传热,间壁换热器总传热速率为：,利用串联热阻叠加原则：,若以外表面为基准,基于外表面积总传热系数计算公式,同理：,3、污垢热阻,在计算传热系数,K,值时，,污垢热阻一般不可忽视,，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。,若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用,Rs,i,和,Rs,0,表示，根据串联热阻叠加原则，,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，,若,则,总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。,提高,K,值，关键在于,提高,对流传热系数,较小一侧的,两侧的,相差不大,时，则必须,同时提高两侧的,，,才能提高,K,值。,污垢热阻为控制因素时,，则必须,设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。,例：有一列管换热器，由,252.5mm,的,钢管组成。,取钢管的导热系数,=,45W/mK,，,CO,2,在管内,流动，,CO,2,侧污垢热阻,R,s2,=0.510,-3,m,2,K/W,。,冷却水在管外,流动，,冷却水测的污垢热阻,R,s1,=0.5810,-3,m,2,K/W,。已知,管外的,0,=,2500W/m,2,K,，,管内的,i,=,50W/m,2,K,。,（,1,）,试求传热系数,K,；,（,2,）,若,0,增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大的百分率；,（3）若,i,增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增大的百分率。,解,：,（1）求以外表面积为基准时的传热系数,取钢管的导热系数,=,45W/mK,，,冷却水测的污垢热阻,R,s1,=0.5810,-3,m,2,K/W,CO,2,侧污垢热阻,R,s2,=0.510,-3,m,2,K/W,则：,(2),0,增大一倍，即,0,=5000,W/m,2,K,时的传热系数,K,K,值增加的百分率,（3）,i,增大一倍，即,2,=100,W/m,2,K,时的传热系数,K,值增加的百分率,四、传热的平均温度差,恒温差传热：,变温差传热：,传热温度差,不随位置而变,的传热,传热温度差,随位置而改变,的传热,传热,流动形式,并流：,逆流：,错流：,折流：,两流体,平行而同向,的流动,两流体,平行而反向,的流动,两流体,垂直交叉,的流动,一流体只,沿一个方向流动,，而,另一流体反复折流。,t,m,的计算,一恒温差传热,二变温差传热,-,对数平均温差,t,m,的计算,（逆、并流）,（逆、并流）,当,时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。,例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。,解：,逆流时：,热流体：,冷流体：,70 25,并流时：,热流体：,冷流体：,85 10,可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。,若流动非逆并流，如错流、折流，则,t,m,需采用相应的计算式。,t,m,的计算,先按逆流时计算对数平均温度差,t,m,逆，在乘以考虑流动型式的温度修正系数,t,，,得到实际平均温度差,t,m,。,工程上，为了快速计算，,t,m,常用下述方法：,其中,计算,P,R,的值后,可查图得到,t,的值,例：通过一单壳程双管程的列管式换热器，用冷却水冷却热流体。两流体进出口温度与上例相同，问此时的传热平均温差为多少?又为了节约用水，将水的出口温度提高到35，平均温差又为多少?,解：,逆流时,又冷却水终温提到,35,0,C,，,逆流时：,查图得：,例,5-11,有一列管换热器，由,252.5mm,的,钢管组成。,CO,2,在管内,流动，流量为,5,kgs,-1,。,温度由,60,冷却至,25,。,冷却水在管间,流动，,与,CO,2,呈逆流流动,，流量,为,3.8,kgs,-1,。,进口温度为,20,。,已知,管内的,CO,2,的定压比热,C,p,h,=,0.653,kJkg,-1,-1,对流传热系数,i,=,260,W/m,2,，,管间水,的定压比热,C,p,c,=,4.2,kJkg,-1,-,1,对流传热系数,0,=1500,W/m,2,。若热损失、管壁及污垢热阻均可忽略不计，试计算换热器的传热面积。,解：,（,1,）,冷却水的出口温度,（,2,）,平均温度差,逆流时：,热流体：,冷流体：,32.8 5,（,3,）,总传热系数,设备热损失的计算,实际传热过程中，一般设备或管道的外壁温度往往较高，热量以对流和热辐射两种方式散失于空气中，称为热损失。,对流,-,辐射联合传热系数，一般采用经验公式计算：,1.,空气自然对流，,t,W,150,，平壁保温层外经验计算公式：,2.,空气强制对流，经验计算公式：,流体流动方向对传热平均温度差的影响,变温传热，逆流操作的平均温度差大于并流,恒温传热，流体的流动方向对其无影响,讨论：流体流动方向对传热的影响,流体流动方向对传热面积的影响,在传递等量的热量时，相同条件下，,逆流,所需的传热面积比,并流,的小，也就是说明采用逆流操作可以,节省换热器材料,。,流体流动方向对载热体用量的影响,恒温传热：流向对载热体的量无影响,变温传热：假设在传热面积相等的情况下，当热流体入口端温度都是,T,1,时,逆流所需载热体的用量比并流小,当物料是热敏性的，须采用并流,热敏性物料对出口温度是有限制的。在给物料加热时，,由于并流时,t,2,一定小于,T,2,，采用并流容易控制；,逆流时,t,2,可能大于,T,2,，易失控。,对于粘性大的物料，须采用并流,液体粘度随温度而，阻力，推动力，传热速率,，并流进口温度差,T,1,t,1,可以很大，,可使物料,讨论：生产中，什么情况用并流？,粘性降低,本章总结,一、基本概念,三种传热方式：热传导、热对流、热辐射,传热速率,Q,及热通量,q,稳定传热与非稳定传热,核状沸腾与膜状沸腾,二、重要公式,1、热传导,傅立叶定律,平壁稳定热传导,圆筒壁的导热,2、对流传热,牛顿冷却定律,或,3、总传热速率方程,4、热量衡算式,三、对流传热系数及准数,1、对流传热系数,有相变,无相变,；,强制对流,自然对流,；,液体,气体,。,2、有关准数,四、几个参数的计算,1、平均温度差,1）恒温差,2）变温差,2、总传热系数,3、传热面积,第五节,换热设备,换热器的类型,根据传热原理和实现热交换的方法,间壁式,混合式,蓄热式,换热面的型式,管式,板式,翅片式,1.,沉浸式换热器,这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状（多盘成蛇形，常称蛇管），,蛇管内、外的两种流体进行热量交换。,优点：,结构简单、价格低廉，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。,缺点：,容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小。,蛇管,2.,喷淋式换热器,喷淋式换热器也为蛇管式换热器，多用作冷却器。和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果要好得多。同时它还便于检修和清洗等优点。其,缺点,是,喷淋不易均匀,。,3.,板式换热器,平板式换热器简称板式换热器，是由一,组长方形的薄金属板,平行排列，加紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后板间形成密封的流体通道，且可用垫片的厚度调节通道的大小。,4.,翅片式换热器,翅片管换热器是在管的,表面加装翅片,制成，翅片与管表面的,连接应紧密无间,，否则连接处的接触热阻很大，影响传热效果。,当两种流体的对流传热系数相差较大时，在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热。,5.,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器是由两张间隔一定的平行,薄金属板卷制而成,，在其内部形成,两个同心的螺旋形通道,。换热器中央设有,隔板,，将螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以维持通道间距。在,螺旋板,两侧焊有盖板。冷热流体分别通过两条通道，在器内逆流流动，通过薄板进行换热。,6.,板翅式换热器,板翅式换热器是一种更为高效、紧凑、轻巧的换热器，过去由于制造成本较高，仅用于宇航、电子、原子能等少数部门。现在已逐渐用于石油化工及其它工业部门，取得良好效果。,7.,蒸发器,