《传热与蒸发传热》PPT课件

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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 其 它 设 备60% 传 热 设

2、备40% 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 管 道 的 保 温 ， 以减 少 热 损 失 。第 一 节 概 述 第 一 节 概 述传 热

3、 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v热 冷 流 体 的 直 接混 合 进 行 热 交 换 。v 传 热 效 果 好 ，设 备 简 单 。v允 许 两 种 流 体 相互 接 触 的 工 艺 中应 用 2. 蓄 热 式 传 热v两 种 流 体 交 替 地流 过 蓄 热 器 。v 设 备 结 构 简 单 ，可 耐 高 温 。v 不 能 完 全 避 免两 种 流 体 间 的 接触 。 3. 间 壁 式 传 热v利 用 固 体 壁 面 将进 行 热 交 换 的 两种 流

4、体 隔 开 。v 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 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

5、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/m 2。 Sq 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

6、 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 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 0g

7、rad limn t tt n n 对 稳 态 的 一 维 温 度 场 ， 温度 梯 度 可 表 示 为 dgrad dtt x 一 、 温 度 场 和 温 度 梯 度 n q tt tt t 温 度 梯 度 与 热 流 方 向 的 关 系 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ntdSd 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

8、 积 分 ： 积 分 式 dxdtS 210 ttb dtSdx )()0( 12 ttSb bttS )( 21 导 热 阻 力导 热 推 动 力 RtSbttbttSQ 2121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 2 3 3 41 21 2 31 2 3t t t tt tQ b b bS S S 1 4 31 2 1 2 3 t tQ bb bS S S 应 用 合 比 定 律 321 推 广 到 n层 平 壁 的 定 态 传 热 :

9、 1 1nii tt tQ b RS 单 层 平 壁 的 定 态 传 热 : SbttQ 21 三 层 平 壁 的 定 态 传 热 : 1 4 31 21 2 3t tQ bb bS S S 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 d d(2 )d dt tQ S rLr r 微 分 式 分 离 变 量 积 分 ： 积 分 式 1 22 12 ln( )t tQ L r r 2121 21 ttrr dtLdrrQ )(2)ln(ln 1212 ttLrrQ 为 了 更 为 形 象 地 表 达 传 热 速 率 Q: 导 热 阻

10、 力导 热 推 动 力 122112 21 ln2 1)/ln(2 rrL ttrr ttLQ 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 344323321221 ln2 1ln2 1ln2 1 rrL ttrrL ttrrL ttQ 342312 41 ln2 1ln2 1ln2 1 rrLrrLrrL ttQ 321 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

11、 态 传 热 : 342312 41 ln2 1ln2 1ln2 1 rrLrrLrrL ttQ 1 221 ln2 1 rrL ttQ 1 1 11 1 ln2 nn ii i it tQ rL r 思 考 题 ： 假 如 地 球 是 稳 定 热 传 导 ， 地 壳 的 热 流 量 如 何 计 算 ？t1 t 2 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 层 的 传 热 机理 属 于 热 传 导

12、 。 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 w wd d1/ dT TQ T T SS 温 度 差局 部 对

13、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 i w id dQ T T S o w od dQ t t S 第 三 节 对 流 传 热 二 、 对 流 传 热 系 数 牛 顿 冷 却 定 律 也 是 对 流 传 热 系 数 的 定 义 式 ，即

14、 QS t 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 d

15、 ( )dQ K T t S 总 热 流 量 微 分 方 程局 部 总 传 热 系数 第 五 节 传 热 计 算 i w i w w m o w od ( )d ( )d ( )dQ T T S T t S t t Sb w w w wi i m od 1 1d d d oT T T t t tQ bS S S 或 总 传 热 系 数 第 五 节 传 热 计 算 i w i w w m o w od ( )d ( )d ( )dQ T T S T t S t t Sb w w w wi i m od 1 1d d d oT T T t t tQ bS S S 或 总 传 热 系 数 移 项 后

16、 相 加 ， 得w w w wi i m o o i i m o o( ) ( ) ( )d 1 1 1 1d d d d d dT T T t t t T tQ b bS S S S S S o oo i i omd 1dQ T td bdS d d 上 式 两 边 均 除 以 odS ， 并 利 用 o o o oi i m md d,d dS d S dS d S d ， 得 总 传 热 系 数 dStTKd )( o oo i i omd 1dQ T td bdS d d 总 传 热 系 数 o o oi i m o1 1K d bdd d 总 传 热 系 数设 计 中 应 考 虑 污

17、 垢 热 阻 的 影 响 ， 即 o o osi soo i i i m o1 1d d bdR RK d d d 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 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 si soi o1 1 1bR RK 2. 若 传 热 面 为 圆 筒 壁 ， 则 o o o si soo i i i m o1 1d d bdR RK d d d v（ 一 ） 蛇 管 式

18、 换 热 器v1、 沉 浸 式 蛇 管 换 热 器v2、 喷 淋 式 换 热 器v（ 二 ） 套 管 式 换 热 器v（ 三 ） 列 管 式 换 热 器v1、 固 定 板 式 热 交 换 器v2、 U型 管 换 热 器v3、 浮 头 式 换 热 器v4、 翅 片 式 换 热 器第 六 节 换 热 器 v1. 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

19、 ， 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 。 v2.喷 淋 式 蛇 管 换 热 器 结 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 。 v（ 二 ）

20、 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 。 v（ 三 ） 列 管 式 换 热 器 结 构 ： 两 端 的 管 板 与 壳 体 连 结 成 一 体 。 优 点 ： 结 构

21、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 。1.固 定 管 板 式 换 热 器 2.U型 管 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

22、 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 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 ，

23、 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 v4. 翅 片 式 换 热 器v结 构 ： 普 通 金 属 管 的 外 表 面 装 有 径 向 或 轴 向 翅 片 。v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v1、 夹 套 式 换 热 器v2、 板 式 换 热 器v3、 螺 旋 板 式 换 热 器v4、 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

24、 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 。 v1.夹 套 式 换 热 器 v2.板 式 换 热 器v 优 点 ： 检 修 拆 洗 方 便 ； 热 损 失 小 ； 应 用广 泛 。v 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

25、的 物 料 。 垫 片 损 坏 后 ， 易 发 生 泄 漏 。v 适 用 于 需 精 密 控 制 温 度 或 热 敏 性 或 高 粘度 的 物 料 v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 。v缺 点 ： 检 修 困 难 ； 操 作 压 力和 温 度 不 宜 太 高 ； 不 易 清 洗 。v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 。v缺 点 ： 流 道 小 ， 易堵 塞 ， 清 洗 及 维 修困 难 。v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