生物制药工程原理与设备 电子教材 单元三 传热与换热.doc

单元三 传热与换热器 热释放过程称为传热，在传热过程中，高温物体降温，低温物体升温，实现冷热物体热交换的设备叫换热器。 项目一 传热基本知识 热是一种特殊流体，热的流动即为传热。促进热传递的动力是温度差，热总是从高温物体传递给低温物体，传热具有一定的规律性。 一、传热基本概念 1.温度场 高温物体放热过程无方向性，在高温物体与环境物质所组成的三维空间中各点都分布有热，热量能够分布的所有空间区域称为该高温物体的温度场。 温度场中具有相同温度的空间区域称为等温面。从热原出发，随着热传递距离的增加，温度场中有许多等温面，不同温度的等温面不会相交。 2.定态传热和非定态传热 在温度场中，各空间点的温度大小与该点所处的位置有关，离高温物体越近其数值越大，反之则越小。如果各等温面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。如果各等温面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。在生物制药过程中，将传热试做在稳态温度场中发生的过程。 图3-1温度梯度3.温度梯度 图3-1温度梯度 所谓温度梯度就是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，如图3-1所示。 二、常见换热方式 （一）热载体 自身产生热量的物质称为直接热源，如煤炭、天然气、石油和电加热器等，利用直接热源可直接加热，如燃烧天然气加热锅炉生产蒸汽，天然气为直接热源。从直接热源吸收热量，再将热量释放并加热物料的介质，称为二次热源，如锅炉产生的水蒸汽。二次热源又称为热载体。常见的热载体有水蒸气、矿物油、有机液体等。水蒸气作为热载体具有清洁卫生，便于控制，成本低等多种优点。 （二）常见换热方式 1.直接混合换热 将冷、热流体直接混合进行热交换叫直接混合换热。如发酵过程培养基的实消灭菌就是直接混合换热。 2.间壁式换热 高温流体将热量通过固体壁传递给低温流体的过程叫间壁式换热。在发酵时夹套中的循环水与培养基之间的换热就是间壁式换热。进行间壁式换热的设备叫间壁式换热器。间壁式换热器中冷、热流体互不接触。 3.蓄热式换热 高温流体流过蓄热器时将热量传给蓄热介质，蓄热介质将热量释放给低温流体的过程称蓄热式换热。 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，其单位为J/s或W，用Q表示。传热速率的通式为： （3-1） 2热通量q 单位时间内通过单位面积的热量，其单位为或。 （3-2） 式中，S—传热面积，单位。 传热速率和热通量的大小表明了换热器的换热效果。 项目二 传热基本计算 热传导、对流传热和辐射是热传递的三种基本方式。不同的传热方式传热速率的计算规则不同。 一、热传导计算 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，或者从高温物体向低温物体传递的称为热传导。由于热传导是靠物体内部的分子、原子或电子的运动进行的，所以真空中没有热传导。 （一）傅立叶定律 理化性质稳定质量均匀的固体热传导时，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，这就是傅立叶定律，其数学表达式为： （3-3） 式中， ── 热传导速率，或； ——等温表面的面积，； ──温度梯度，或。 λ──导热系数，在数值上等于单位温度梯度下的热通量，其单位为或。 导热系数是表征物质导热性能的重要参数，其大小与物质本身的组成、结构、温度和压强有关。导热系数越大，物质导热能力越强，反之则导热能力弱。 图3-2单层平壁传热模型各种状态下的物质导热系数的大小顺序： 图3-2单层平壁传热模型 金属固体＞非金属固体＞液体＞气体 物质的导热系数可从相关资料查阅。 （二）基本计算 1.平壁传热速率的计算 （1）单层平壁：材质均匀、厚度为b，壁面积S远大于厚度的单层平壁传热过程属于定态传热，其平壁两侧温度不随时间而变化，传热方向是壁面的垂直方向，如图3-2所示。 根据傅立叶定律，其传热速率计算公式为： （3-4） （3-5） 式中， —单层平壁厚度，单位； —单层平壁传热面积，单位； —总传热面积为的导热热阻，单位是。 由热通量定义可得单层平壁热通量计算式：