第4章换热设备

上一内容 下一内容 回主目录 O返回第四章 换热设备目 录第一节 传热基本知识第二节 传热基本计算 第三节 常见换热器 全国高等学校高职高专药品类专业卫生部 “十一五 ”规划教材 生物制药设备 上一内容 下一内容 回主目录 O返回学习目标知识目标1.了解传导传热、对流传热的基本原理；2.熟练传导传热、对流传热的基本计算方法；3.掌握各种换热器的结构、工作原理。能力目标1.学会传导传热和对流传热的基本计算；2.掌握各类换热器的性能。上一内容 下一内容 回主目录 O返回热是一种特殊形式的能量，任何物体都具含有热。物体所含热的多少可以用温度来度量，温度越高说明物体所含的热越多。高温物体可以将热释放给低温物体，物体间的温差越大，释放热的趋势越大。热被释放的过程成为传热，所释放的数量叫热量。在传热的过程中，高温物体降温，低温物体升温，这表明冷热两物体发生了热交换过程，实现冷热物体交换的设备叫热换器。上一内容 下一内容 回主目录 O返回第一节 传热基本知识一、传热基本概念1.温度场和等温面 物质系统内各空间点上温度的集合称为温度场同一时刻具有相同温度的各点所组成的空间曲面称为等温面。由于高温物体是全方向释放热量，因此由高温物体与环境物质所组成的三维系统中各空间点都分布热，形成各空间点的温度。温度场是时间和空间坐标的函数。在温度场中，各空间点的温度大小与该店所处的位置有关，离高温物体越近数值越大，反之越小。上一内容 下一内容 回主目录 O返回2.定态传热和非定态传热 如果各空间点的温度不随时间改变，这种传热过程称为 定态传热 ，这种温度场叫 三维稳态温度场。 如果各空间点的温度随时间而改变，这种传热过程是 非定态传热，这种温度场则称为三维非稳态温度场，又叫 瞬态温度场。 3.温度梯度 两相邻等温面之间的温度差。温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，它的正方向是指向温度增加的方向。 上一内容 下一内容 回主目录 O返回二、常见换热方式（一）热载体 热源热源 一次热源一次热源自身产生能量的物质 如煤碳、天然气、石油和电加热器等 二次热源 从一次热源吸收热量，再将热量释放并加热物料的物质即热载体，常用的有 水蒸汽、矿物油 、有机液体等 （二）常见换热方式1.直接混合换热 将冷、热流体直接混合而进行的热交换 2.间壁式换热 冷、热流体通过固体壁传热的过程3.蓄热式换热 蓄热介质吸收热量后释放给低温流体的过程 上一内容 下一内容 回主目录 O返回三、传热速率和热通量1.传热速率 Q 单位时间内通过传热面的热量，单位 或 。 2.热通量 q 单位时间内通过单位面积的热量。其单位为 ，或 为传热面积，单位 上一内容 下一内容 回主目录 O返回第二节 传热基本计算一、热传导基本计算通过物质分子、原子或电子的运动，热量从物体的高温部位向低温部位，或者，热量从高温物体向低温物体直接传递的过程称为 热传导 。 （一）基本知识1.傅立叶定律 在一质量均匀、理化性质稳定的固体内进行热传导时，传热速率与温度梯度以及垂直于热流方向的表面积成正比。上一内容 下一内容 回主目录 O返回2.导热系数 热传导速率 等温表面的面积 温度梯度 物质的导热系数，单位为 或 。 导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量，它是表征物质导热性能的重要参数，导热系数越大，物质导热能力越强。负号代表热流方向与温度梯度方向相反上一内容 下一内容 回主目录 O返回（二）基本计算1.平壁热传导传热速率的计算（ 1）单层平壁 b - 单层平壁厚度，单位 m S- 单层平壁传热面积，单位 R - 总传热面积为 S的导热热阻 ,单位为 。 上一内容 下一内容 回主目录 O返回单层平壁热通量计算式为 （ 2）多层平壁传热速率计算式 层与层之间接触良好 ,接触的两表面温度相同，属于定态一维传热。 上一内容 下一内容 回主目录 O返回例题 1： 如所示，通过三层平壁热传导中，若测得各面的温度分别为550 、 400 、 350 和 250 ，试求各平壁层热阻之比，假定各层壁面间接触良好。解：多层平壁的热传导过程中，各层热通量相等，即上一内容 下一内容 回主目录 O返回所以 答： 的比例为 1:3:6。 上一内容 下一内容 回主目录 O返回2.圆筒壁的热传导传热速率计算式（ 1）单层圆筒壁的传热速率计算 有一足够长的单层圆筒，其长度为 L，圆筒内壁半径为 ，外壁半径为 ，沿圆筒长度方向无热损失，热量从内壁向外壁进行径向一维定态传热，圆筒内无热源，圆筒壁的导热系数为常数。上一内容 下一内容 回主目录 O返回通过对热量在径向上传递过程的分析，可得出传热速率计算式为 (2)多层圆筒壁的传热速率计算式 在多层圆筒壁中，各层的传热速率相同，热通量不同。 上一内容 下一内容 回主目录 O返回例题 2如图所示，在外径 的蒸汽管道外包绝热层。绝热层的导热系数为 。已知蒸汽管外壁 160 ，要求绝热层外壁温度低于 50 ，且每米管长的热损失不超过 ，试求绝热层最小厚度。 解：已知管道长度 L=1m, 最大传热速率 根据单层圆筒壁传热速率计算公式 上一内容 下一内容 回主目录 O返回绝热层最小厚度为： 答：绝热层最小厚度为 25.6mm. 二、对流传热基本计算流体与固体壁面间的传热过程称为对流传热。 （ 1）自然对流传热 因流体各部位温度不同，产生了密度差异，使流体发生相对运动，从而引发的热量传递过程 上一内容 下一内容 回主目录 O返回（ 2）强制对流传热使用泵、风机或其它外力推动流体流动而产生的热量传递过程 （一）对流传热基本知识1.对流传热过程分析 阻力主要来自滞流内层：由于流体质点平行于壁面流动，在传热方向上无混合过程，过渡层界面处的温度与贴近壁面处流体的温度有较大的差距，因此主要是热传导传热。 上一内容 下一内容 回主目录 O返回2.牛顿冷却定律 热流体对固体壁面对流传热速率表达式为 称为局部对流传热系数，单位为 。 在实际换热过程中，局部对流系数沿管道长度变化而变化，通常采用平均对流传热系数 代替 。上一内容 下一内容 回主目录 O返回流体被加热时： 流体被冷却时： 对流传热热阻 冷、热流体的平均温度 换热器冷、热壁面温度 平均对流传热系数 流体与壁面之间的平均温度差 上一内容 下一内容 回主目录 O返回（二）对流传热系数的获得方法1.对流传热系数的影响因素 影响对流传热系数的因素较多，如流体的导热系数、比热容、黏度、密度、流动状态、换热器传热面的形状、位置和大小、排列方式等。通过实验测定出有关系数，建立起半经验公式。对流传热系数的一般关联式为：其中 称为鲁塞尔常数， 称为普郎特常数，是表示物体传热性质的常数。是流体的定压比热容 上一内容 下一内容 回主目录 O返回准数名称 符号 准数式 意 义努塞 尔 特准数（ 给热 准数）Nu表示 对 流 传热 系数的准数雷 诺 准数（流型准数）Re确定流 动 状 态 的准数普 兰 特准数（物性准数）Pr表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（升力准数）Gr表示自然 对 流影响的准数常用的特征数及物理意义上一内容 下一内容 回主目录 O返回2.常用对流传热系数计算式 强制性湍流 无相变 黏度小于 2倍水黏度 当流体被加热时 被冷却时 使用条件 上一内容 下一内容 回主目录 O返回（三）传热过程基本计算1.热负荷 Q的计算 单位时间内需要移出或输入的热量叫做热负荷。 （ 1）无相变的热负荷 （ 2）有相变的热负荷 分别是高温流体和低温流体的质量流量 上一内容 下一内容 回主目录 O返回2.总传热系数的计算 在总传热过程中，总热阻是两个对流传热热阻与间壁的热传导热阻之和。 根据热阻的定义确定一个常数 ： 为总传热系数，单位为 。 如果以外表面积为基准，则总传热系数计算公式为 上一内容 下一内容 回主目录 O返回若换热器表面有污垢，对传热会产生附加热阻，称为污垢热阻， 分别用 和 表示内壁和外壁热阻。总传热系数表达式为：3.总传热速率方程 对于间壁传热，其总传热速率方程式为是传热平均温度差，单位是 。 上一内容 下一内容 回主目录 O返回4.传热平均温度差的计算 方法（ 1）恒温传热平均温度差的计算方法 恒温传热时的平均温度差不受流体流动方向的影响。（ 2）变温传热平均温度差的计算方法 对于间壁换热，冷、热流体相对流动方式有并流、逆流、错流、折流等多种形式。不同形式的流动，冷、热两流体平均温度差不尽相同。 上一内容 下一内容 回主目录 O返回并流时计算方法高温流体低温流体进口 出口温度差取值大的为 ，小的为 ， 则当 时 上一内容 下一内容 回主目录 O返回逆流时计算方法高温流体低温流体进口 出口温度差取值大的为 ，小的为 ， 则当 时 上一内容 下一内容 回主目录 O返回例题 3 在图 49 的逆流换热器中，冷流体是初