化工原理第四章第四节

12021/8/2例：例：有一列管式换热器，用冷却水使流量为有一列管式换热器，用冷却水使流量为20002000kghkgh-1-1的硝基苯从的硝基苯从8282冷却至冷却至2727，冷却，冷却水由水由1515升至升至3535，试求冷却水用量。已知硝，试求冷却水用量。已知硝基苯的平均定压比热基苯的平均定压比热c cp1p1=1.581.58kJkgkJkg-1-1-1-1，水的平均定压比热水的平均定压比热c cp2p2=4.1794.179kJkgkJkg-1-1-1-1。设备热损失可忽略。设备热损失可忽略。22021/8/2已知：已知：qm1T1、T2、t2、t1、cp1、cp2求：求：qm232021/8/2第四节第四节 总传热过程的分析计算总传热过程的分析计算42021/8/2热量衡算热量衡算总传热速率方程总传热速率方程总传热系数总传热系数平均温度差平均温度差传热计算举例传热计算举例传热面积的计算传热面积的计算总传热过程的计算总传热过程的计算52021/8/2一、热量衡算一、热量衡算 冷、热流体在间壁式换热器中进行热交换时冷、热流体在间壁式换热器中进行热交换时，若，若热损失可忽略热损失可忽略，则在单位时间内热流体放，则在单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：出的热量等于冷流体吸收的热量。即：应用：应用：计算换热器的计算换热器的传热量传热量（热负荷热负荷）。）。12QQQ1单位时间内热流体放出的热量，单位时间内热流体放出的热量，W或或kW。Q2单位时间内冷流体吸收的热量，单位时间内冷流体吸收的热量，W或或kW。62021/8/2（1）比热法）比热法11112mpQq cTTqm1热流体的质量流量，热流体的质量流量，kgs-1。cp1热流体的平均定压比热，热流体的平均定压比热，Jkg-1-1。1、冷、热流体在传热过程中均冷、热流体在传热过程中均不发生相变化不发生相变化热流体单位时间内放出的热量为：热流体单位时间内放出的热量为：72021/8/2 工程上，以工程上，以定性温度定性温度下的下的定压比热定压比热代替代替平均平均定压比热定压比热进行计算。进行计算。12222()mpQq ctt 冷流体单位时间内吸收的热量为：冷流体单位时间内吸收的热量为：qm2冷流体的质量流量，冷流体的质量流量，kgs-1。cp2冷流体的平均定压比热，冷流体的平均定压比热，Jkg-1-1。82021/8/2热流体单位时间内放出的热量为热流体单位时间内放出的热量为冷流体单位时间内吸收的热量为冷流体单位时间内吸收的热量为1112mQqHH2221mQqhhH1、H2分别为热流体在温度为分别为热流体在温度为T1、T2时的焓值，时的焓值，Jkg-1。h1、h2分别为冷流体在温度为分别为冷流体在温度为t1、t2时的焓值，时的焓值，Jkg-1。（2）热焓法）热焓法92021/8/2 （1）冷、热流体均冷、热流体均仅仅发生发生相变化相变化111rqQm冷流体吸收的热量为：冷流体吸收的热量为：222rqQmr1饱和蒸汽的冷凝潜热，饱和蒸汽的冷凝潜热，Jkg-1。r2饱和液体的汽化潜热，饱和液体的汽化潜热，Jkg-1。2、冷、热流体在传热过程中冷、热流体在传热过程中发生相变化发生相变化热流体放出的热量为：热流体放出的热量为：102021/8/2 a、热流体热流体仅仅发生发生相变化相变化，不不发生发生温度变化温度变化122211ttcqrqQpmm b、热流体发生热流体发生相变化相变化同时发生同时发生温度变化温度变化122221111ttcqTTcqrqQpmspmm（2）冷、热流体有冷、热流体有一侧一侧发生发生相变化相变化，另一侧不另一侧不发生发生相变化相变化。若若热流体热流体发生发生相变化：相变化：112021/8/2例：例：试计算压力为试计算压力为150kPa、流量为、流量为1500kgh-1的饱的饱和水蒸气冷凝至和水蒸气冷凝至50的水时所放出的热量。的水时所放出的热量。解：解：由附录由附录7（P332）查得，饱和水蒸气在压力）查得，饱和水蒸气在压力为为150kPa时的温度为时的温度为TS=111，冷凝潜热为，冷凝潜热为rh=2229kJkg-1。依题意知，冷凝水由依题意知，冷凝水由TS=111降温至降温至50，则，则定性温度定性温度为为111 5080.52oTC 蒸汽冷凝时，要放出蒸汽冷凝时，要放出潜热潜热，又要放出，又要放出显热显热。122021/8/2由附录由附录3查得水在查得水在80.5时的定压比热为时的定压比热为1114.196.opckJ kgC 所以所以1 111121 1112mmpmmpSQq rq cTTq rq cTT33150015002229 104.196 10111 503600360061.035 10W132021/8/2mtKAQ也可写成：也可写成：K换热器的平均总传热系数，换热器的平均总传热系数，Wm-2-1。KAtQm1KA1总传热热阻总传热热阻 经推导：经推导：二、总传热速率方程二、总传热速率方程 142021/8/2 注意：注意：其中其中K必须和所选择的必须和所选择的传热面积传热面积A相相对应。对应。若间壁为若间壁为圆筒壁圆筒壁，则以不同传热面积为基准的，则以不同传热面积为基准的总传热速率方程为：总传热速率方程为：miitAKQmootAKQmmmtAKQ152021/8/2三、总传热系数三、总传热系数1、总传热系数、总传热系数K的来源的来源（1）生产实际的经验数据：）生产实际的经验数据：表表4-7（P332）（2）实验测定）实验测定（3）分析计算）分析计算 162021/8/22、总传热系数、总传热系数K的计算的计算 总传热系数的总传热系数的通式通式111122111mdAdAbKdAdA 以传热面积以传热面积A1为基准的总传热系数为为基准的总传热系数为表明：表明：传热过程的传热过程的总热阻总热阻=各串联热阻的叠加各串联热阻的叠加172021/8/2若传热面为若传热面为平壁平壁，总传热系数为：，总传热系数为：对于对于圆筒壁圆筒壁，以管，以管外表面外表面为基准的总传热系数为为基准的总传热系数为 0000111miidAdAbKdAdAdLddAmmdddAdA00iidddAdA0012111bK182021/8/20000111miiddbKddiimddddbK0000111或基于基于外表面积外表面积总传热系数计算公式总传热系数计算公式那么：那么：?iK?mK192021/8/2 在总计算传热系数在总计算传热系数K时，一般时，一般不能忽略污垢不能忽略污垢热阻，热阻，常采用污垢热阻的常采用污垢热阻的经验值经验值（P149表表4-6）对于对于平壁平壁，若壁面两侧的污垢热阻分别为，若壁面两侧的污垢热阻分别为Rd1和和Rd2，则，则3、污垢热阻、污垢热阻1212111ddbRRK202021/8/2 对于对于圆筒壁圆筒壁，若圆筒壁，若圆筒壁内内、外表面外表面的污垢热的污垢热阻分别用阻分别用Rdi和和Rd0表示，则表示，则000000111ddimiiidddbRRKddd212021/8/2例：例：有一套管换热器，由有一套管换热器，由252.5 mm的钢管组成。的钢管组成。CO2在管内流动，在管内流动，1=40 Wm-2-1。冷却水在管外冷却水在管外流动流动2=3000 Wm-2-1，钢管的导热系数钢管的导热系数=45 W m-2-1，冷却水测的污垢热阻冷却水测的污垢热阻Rd2=0.2110-3 m2W-1，CO2侧的污垢热阻侧的污垢热阻Rd1=0.5310-3 m2W-1。（1）试求总传热系数试求总传热系数；（2）保持保持其他条件不变其他条件不变，试分别计算将，试分别计算将1提高一倍时提高一倍时的的Ki值；将值；将2提高一倍时的提高一倍时的Ki值。值。222021/8/2解解：3310.00250.0250.02510.0250.21 100.53 103000450.02250.02400.0221030.7KW mC（1）以以外表面积外表面积为基准的总传热系数为为基准的总传热系数为000000111ddimiiidddbRRKddd210.0326mC W232021/8/2111iiididoiimooodddbRRKddd2138.5iKW mC以以内表面积内表面积为基准的总传热系数为为基准的总传热系数为3310.00250.020.0210.020.53 100.21 1040450.02250.02530000.025210.026mC W242021/8/2i增大一倍，即增大一倍，即i=80 Wm-2-1 时的时的Ki2174iKW mC(2)111iiididoiimooodddbRRKddd210.0135mC W总传热系数增加了：总传热系数增加了：00007438.510092.238.5252021/8/221038.6KW mC当当0增大一倍，即增大一倍，即0=6000 Wm-2-1 时的时的Ki111iiididoiimooodddbRRKddd210.0259mC W总传热系数增加了：总传热系数增加了：000038.638.51000.2638.5262021/8/2当当管壁管壁热阻和热阻和污垢污垢热阻均可热阻均可忽略忽略时，时，0111iK若若0i则则011i可简化为：可简化为：111iiididoiimooodddbRRKddd272021/8/211iK总热阻总热阻是由是由热阻大热阻大的那一侧的对流传热所控制（控的那一侧的对流传热所控制（控制热阻），即制热阻），即对流传热系数较小对流传热系数较小的那一侧。的那一侧。iK那么那么提高提高K值值，提高，提高对流传热系数较小对流传热系数较小一侧的一侧的。两侧的两侧的相差不大相差不大时，则必须同时时，则必须同时提高两侧提高两侧的的。污垢热阻污垢热阻为为控制因素控制因素时，则必须设法减慢污垢形成时，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。速率或及时清除污垢。282021/8/2四、传热的平均温度差四、传热的平均温度差 T t t 0 S 292021/8/2（一）恒温差传热的平均温度差（一）恒温差传热的平均温度差 冷、热流体温度在壁面的任何位置都不变化，冷、热流体温度在壁面的任何位置都不变化，即两流体温度差沿换热面处处相等。即两流体温度差沿换热面处处相等。如一侧液体恒温沸腾，另一侧饱和水蒸气冷凝如一侧液体恒温沸腾，另一侧饱和水蒸气冷凝()mQKA tKA Tt T t t 0 S tTtm302021/8/2高温侧冷凝、低温侧升温高温侧冷凝、低温侧升温 高温侧降温、低温侧沸腾高温侧降温、低温侧沸腾1、一侧流体温度变化的平均温度差、一侧流体温度变化的平均温度差（二）变温差传热的平均温度差（二）变温差传热的平均温度差 312021/8/22、两侧流体温度都发生变化的平均温度差、两侧流体温度都发生变化的平均温度差322021/8/2错流错流折流折流332021/8/212m12ttttlnt 1221m,1221(Tt)(Tt)t(Tt)ln(Tt)逆 以逆流为例，换热器两端温度差分别为以逆流为例，换热器两端温度差分别为t t1 1（较（较大）、大）、t t2 2（较小）。（较小）。（1 1）逆流和并流时的平均温度差）逆流和并流时的平均温度差经推导：经推导：342021/8/212m2ttt 若若t t1 1/t t2 22 2，1122m,1122(Tt)(Tt)t(Tt)ln(Tt)并12m12ttttlnt 并流：并流：352021/8/2例：例：现用一列管式换热器加热原油，原油进现用一列管式换热器加热原油，原油进口温度为口温度为100，出口温度为出口温度为150，某反应，某反应物作为加热剂，进口温度物作为加热剂，进口温度250，出口温度，出口温度180，试求在这种温度条件下，逆流和并流，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。的平均温度差。362021/8/2解解：逆流时：逆流时：热流体：热流体：250180 冷流体：冷流体：150100100 802121,lntttttm逆10080100ln80089.6 C并流时：并流时：热流体热流体：冷流体冷流体：250180100150150 30372021/8/22121,lntttttm并15030150ln30074.6 C 先按逆流时计算对数平均温度差先按逆流时计算对数平均温度差tm逆逆，再乘，再乘以考虑流动型式的温度修正系数以考虑流动型式的温度修正系数，得到实际平得到实际平均温度差均温度差tm。可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，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。逆流的平均温度差大。（2）错流和折流时的平均温度差）错流和折流时的平均温度差 图算法图算法382021/8/2,mmtt 逆,f P R其中其中1112tTttP冷流体的温升两流体的最初温度差1221ttTTR冷流体的温升热流体的温降392021/8/2 例：例：通过一单壳程双管程列管式换热器将热流通过一单壳程双管程列管式换热器将热流体由体由1 12020冷却至冷却至7575，冷流体进口温度，冷流体进口温度2020，出口温度出口温度5050，问此时的传热平均温差为多少，问此时的传热平均温差为多少?逆流时逆流时 Ctm02.62，逆1112tTttP2012020503.01221ttTTR2050751205.1 解：解：147-(P)查图4 25，得935.0逆,mmtt2.62935.0C02.58402021/8/2（3）不同流动型式的比较不同流动型式的比较 1）在进、出口温度相同的条件下在进、出口温度相同的条件下，逆流逆流的平的平均温度差均温度差最大最大，并流并流的平均温度差的平均温度差最小最小，其他其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。就就提高传热推动力提高传热推动力而言，而言，逆流逆流优于并流及其优于并流及其他形式流动。他形式流动。当换热器的传热量当换热器的传热量Q、总传热系数、总传热系数K相同的条相同的条件下，采用件下，采用逆流逆流操作，所需操作，所需A最小。最小。412021/8/2 当当给定加热任务给定加热任务，qm2、t2、t1确定，确定，T1一般一般已知，已知，qm1仅由仅由T2决定。决定。2 2）逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。）逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。22211112mpmpq cttqcTT以物料被加热为例，422021/8/2 在某些生产工艺有在某些生产工艺有特殊要求时，如要求特殊要求时，如要求冷流体冷流体被加热时被加热时不得不得超过某一温度超过某一温度或或热流热流体体冷却时冷却时不得低于某不得低于某一温度一温度，应采用，应采用并流并流操作。操作。432021/8/2 当换热器有当换热器有一侧一侧流体发生流体发生相变相变且保持且保持温度不变温度不变时，就无所谓时，就无所谓并流并流和和逆流逆流了，不论何种流动型式，了，不论何种流动型式，只要只要进、出口温度相同进、出口温度相同，平均温度差平均温度差就就相等相等。442021/8/23）采用采用折流折流和和其他复杂流动其他复杂流动的目的是为了的目的是为了提提高传热系数高传热系数，其，其代价代价是是平均温度差平均温度差相应相应减小减小。温度修正系数温度修正系数是用来表示某种流动型式在是用来表示某种流动型式在给定工况下给定工况下接近逆流的程度接近逆流的程度。一般在设计时应使一般在设计时应使0.9，若，若0.8，应采，应采用其他措施，以提高用其他措施，以提高。452021/8/2 五、传热面积的计算五、传热面积的计算若传热系数若传热系数K K为为常数常数或可取整个换热器的或可取整个换热器的平均值平均值 mQAK t其中：其中：22211112()()mPmPQq cttq cTT462021/8/2例：例：某列管换热器，管束由某列管换热器，管束由252.5mm的钢管组的钢管组成。成。CO2在管内流动，流量为在管内流动，流量为5kgs-1，温度由，温度由60冷却至冷却至25。冷却水走管间，与。冷却水走管间，与CO2呈逆流流动呈逆流流动，流量为，流量为3.8kgs-1，进口温度为，进口温度为20。已知管内。已知管内CO2的定压比热的定压比热cp1=0.653kJkg-1-1，对流传热系，对流传热系数数i=260Wm-2-1，管间水的定压比热，管间水的定压比热cp2=4.2kJkg-1-1，对流传热系数，对流传热系数o=1500Wm-2-1。若热损失、管壁及污垢热阻均可忽略不计，试。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。计算换热器的传热面积。472021/8/2（2）计算平均温度差计算平均温度差T22211112()()mPmPq cttq cTT解解：（：（1）计算冷却水的出口温度计算冷却水的出口温度112121225 0.653()60252027.23.8 4.2omPmPq ctTTtCq c6025t27.2 2032.8 5482021/8/22121lnmttttt32.8532.8ln5014.8 C（3 3）计算总传热系数计算总传热系数000111iidKd110.02515002600.020.005474210182.7oKW mC492021/8/2（4）计算传热面积计算传热面积 oomQAKt则：则：1112()mPQq cTT2114.28 100042.26()182.7 14.8m114.28 kW5 0.653(6025)502021/8/2 1、用绝对压力为用绝对压力为300kPa的饱和水蒸气将体积的饱和水蒸气将体积流量为流量为80m3/h的苯胺从的苯胺从80加热到加热到100。饱和。饱和水蒸气的冷凝潜热水蒸气的冷凝潜热r为为2168 kJ/kg，蒸气冷凝的饱，蒸气冷凝的饱和温度为和温度为133.3，苯胺在平均温度下的密度为，苯胺在平均温度下的密度为955 kg/m3，比热容为，比热容为2.31 kJ/（kg）。试计算：。试计算：（1）水蒸气用量）水蒸气用量（kg/h）；（2）当总传热系数为）当总传热系数为800 W/（m2）时所需时所需传热面积。传热面积。六、传热计算举例六、传热计算举例512021/8/22、有一单壳程双管程列管式换热器，用温度为有一单壳程双管程列管式换热器，用温度为20，流量为，流量为30t/h的冷水使流量为的冷水使流量为20t/h的乙二醇从的乙二醇从80冷却到冷却到40，乙二醇的平均比热容，乙二醇的平均比热容Cph=2.6 kJ/（kg），），冷却水的平均比热容冷却水的平均比热容Cpc=4.174 kJ/（kg），），设总传热系数设总传热系数K=1200 W/（m2），），试计算所需传热面积试计算所需传热面积A。部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！