化工原理第四章两流体间传热过程的计算

,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,*,第四节 两流体间传热过 程的计算,一、总传热方程式,二、热量衡算,三、平均温度差的确定,四、总传热系数的确定,五、传热面积的确定,六、污垢热阻,七、流向的选择,第四章,传 热,什么是热交换,【,特点,】,存在两种或两种以上的,传热方式,的传热过程。,对流传热,对流传热,传导传热,热交换计算的内容,（,1,）设计型计算,根据生产任务的要求的,热负荷,（,Q,）,，,确定换热器,的传热面积,（,A,）,及换热器的其它,有关尺寸,，以便,设计,或,选用,换热器。,固定管板式换热器型式与基本参数（,JB/T 4715-92,）,（,2,）操作型计算,在,已有换热器的,基础上：,核算,传热量（,Q,）、流体的流量（,q,m,）、流体的进、出口温度（,T,、,t,）；,判断,一个换热器,能否满足,生产任务的,要求,；,预测,生产过程中某些参数（如,q,m,、,T,、,t,）的变化对换热器传热能力（,Q,）的影响。,一、热交换的基本计算式,式中,Q,传热速率，,W；,K,总传热系数，,W/m,2.,A,传热面积，,m,2,t,m,两流体的,平均温度差,，,1,、总传热方程式,【,衡算前提,】,（,1,）,换热器,绝热良好,；,（,2,）,热损失,可忽略。,【,衡算系统,】,热交换器；,【,衡算基准,】,单位时间；,【,衡算式,】,热流体放出的热量等于冷流体得到的热量,。即：,Q,热,Q,冷,2,、热量衡算式,二、,Q,值的确定,计算热负荷,【,定义,】,达到工艺要求的控制参数所,应交换的热量,，即：,热流体,放出,的热量；,冷流体,得到,的热量。,【,作用,】,由热负荷可以确定传热速率,。,1、什么是热负荷,（,1,）两个概念,【,显热,】,当物质与外界交换热量时，物质,不发生相变化,而只有温度变化，这种热量称为,显热,。,【,潜热,】,饱和,蒸气,的焓与同温度下的,液体,的焓的差值称为,潜热,（,相变热,）。,（,2,）无相变化时热负荷的计算,当流体与外界交换热量过程中,不发生相变化,时，其热负荷用,比热法,和,热焓法,计算。,2,、热负荷的计算,若换热器中的两流体只存在,显热,的交换，且,比热,不随温度而变或可取平均温度下的比热时,，则：,式中,Q,热负荷，,J/s,或,W,；,q,m,1,、,q,m,2,热、冷流体的质量流量，,kg/s,；,C,p,1,、,C,p,2,热、冷流体的,平均定压比热,，,kJ/(kg.,),；,T,1,、,T,2,热流体的进、出口温度，；,t,1,、,t,2,冷流体的进、出口温度，,。,比热法,对于热流体：,对于冷流体：,T,1,T,2,t,1,t,2,q,m,1,q,m,1,q,m,2,q,m,2,C,p,1,C,p,2,热焓法,由热力学得知，在,等压条件,下，物系与外界交换的热量与物系的,始态与终态的焓差,相等，即：,H,1,、,H,2,热,流体进、出口的,比焓,，,J/kg,；,h,1,、,h,2,冷,流体进、出口的,比焓,，,J/kg,。,q,m,1,、,q,m,2,热、冷流体的质量流量，,kg/s,；,对于热流体：,对于冷流体：,H,1,H,2,h,1,h,2,q,m,1,q,m,1,q,m,2,q,m,2,（,3,）只有相变化时热负荷的计算,【,方法,】,当流体与外界交换热量过程中,只发生相变化,时，其热负荷用,潜热法,计算。,【,计算式,】,式中,r,液体汽化（或蒸气冷凝）潜热。,（,4,）既有潜热、又有显热变化时热负荷的计算,式中,T,s,、,t,s,饱和温度（沸点 ）。,20,（,l,）,100,（,g,）,100,（,l,）,3,、热负荷与传热速率的区别,【,热负荷,】,对换热器换热能力的要求，是,需要交换的热量,，与换热器的种类、型式无关，由工艺条件决定。,【,Q,=,q,m,C,p,(T,1,-T,2,),】,【,传热速率,】,换热器本身在一定条件下的换热能力，是换热器,能够交换的热量,，由换热器本身的特性所决定。,【,Q,=,K,A,t,m,】,4,、热负荷与传热速率的关系,三、平均传热温差,（,t,m,）,的计算,1,、什么是平均传热温度差,【,特点,】,不同部位推动力不同。,【,定义,】,表征热交换过程中的,推动力,大小的参数。,T,1,=80,Q,Q,T,2,=50,t,2,=40,t,1,=20,（1）流体的流动型式,冷、热流体的相互流动方向有,不同的流动型式,，传热平均温差,t,m,的计算方法因流动型式而异。,（2）温度的变化情况,冷、热流体在沿传热面流动时的,温度变化情况不同,，传热平均温差,t,m,的计算方法因而不同。,2,、影响平均传热温度差的因素,3,、恒温差传热,【,特点,】,（,1,）,两侧流体,均发生相变,，且温度不变；,（,2,）,冷热流体温差处处相等,，不随换热器位置而变的情况。,恒温差传热平均温度差计算式,式中,T,高温流体的,湍流主体,温度；,t,低温流体的,湍流主体,温度。,传热速率：,湍流主体,T,t,T,T,t,t,【,例,】,电解槽引出的碱液浓度通常只有,12,，,经蒸发后可获得,30,、,42,的浓碱。,4,、变温差传热,【,特点,】,传热温度随换热器位置而变,。分为：,单侧变温；,双侧变温。,T,1,T,2,t,2,t,1,（1）单侧变温,【,特点,】,在热交换过程中，,一侧,温度保持不变，,另一侧,温度发生变化。,（2）双侧变温,【,特点,】,在热交换过程中，两侧温度均发生变化。,变温差传热过程的温差变化特点,【,特点,】,局部温度差,t,沿传热面而变化。,t,T,t,A,T,1,T,2,t,2,t,1,在面积为,dA,两侧，可视为,恒温差,传热。,dQ,=K,（,T,t,）,d,A,1,2,5,、变温差传热过程传热温度差的计算依据,【,特点,】,在计算传热速率时，采用,先微分,、,后积分,求出整个传热面上的传热速率,，即：,根据假定，,K,const,，,且,T,t,f,(,A,),由积分中值定律：,中值,（,1,）尽管在整个换热器中，传热推动力(,T,t,),是一个变化的值， 但存在一个,中值,t,m,。用来表征换热器传热推动力(,T,t,),的大小 （,t,m,的物理意义,）；,（,2,）,t,m,表示的是,平均值,，称为,平均温度差,；,（,3,）,变温差传热过程的平均温度差,t,m,与换热器内冷热流体流动方向有关，,不同的流动型式其平均温度差不同,。,【,两点说明,】,并流,参与换热的两种流体沿传热面,平行而同向,的流动。,逆流,参与换热的两种流体沿传热面,平行而反向,的流体。,折流,一流体只沿一个方向流动，另一流体反复来回折流；或者两流体都反复折回。（,既存在并流，又存在逆流,）,错流,两种流体的流向,垂直交叉,。,6,、热交换器内的流动型式,并 流,【,特点,】,平行而同向。,逆 流,【,特点,】,方向相反且平行。,折流换热器,【,特点,】,既存在并流，又存在逆流,。,喷淋蛇管（,错流,）式换热器,【,特点,】,两种流体的流向,垂直交叉,。,对数平均温度差,7,、并、逆流操作的平均温度差,在如下,假定条件下,（稳定传热过程）：,稳定操作，,q,m1,，,q,m2,为定值；,C,p1,、,C,p2,及,K,沿传热面为定值，或取平均值；,换热器保温良好，无热损失。,由,总传热方程式,及,热量衡算式,可推得：,【,几点说明,】,计算式只适用于,并、逆流,操作，但不适用于折流和错流操作过程；,t,1,、,t,2,设备同一端,热、冷流体的温度差；,t,1,t,2,t,2,t,1,T,1,T,2,当,t,1,/,t,2,2,，,则可用算术平均值代替（误差,4%,，在工程允许误差范围之内）,。即：,习惯上将,较大温差,记为,t,1,，,较小温差,记为,t,2,，,避免在计算中带入负号；,3,2,1.5,1.3,1.1,1.10,1.04,1.013,1.005,1.0,工程计算,允许误差,为,5,8,、错流和折流的平均温度差,【,基本方法,】,先按,逆流,计算对数平均温差,t,m,逆,；,求平均温差,校正系数,；,求取平均传热温差：,【,温差校正系数,的获取方法之,图算法,】,【,方法,】,根据,R,与,P,的数值，从各种,算图,中查得温差校正系数,。,【,基本原理,】,由,Underwood,和,Bowan,提出。,温度效率,温度相关因数,双壳程双管程列管式换热器,隔板,隔板,双壳程四管程列管式换热器,隔板,当,式中,对数平均温差校正系数；,P,温度效率；,R,温度相关因数；,N,s,壳程数。,【,温差校正系数,的获取方法之,经验公式,】,当,平均温差校正系数,0.9,，绝不能使,0.8,，否则另外选其他流型。,【,两点说明,】,【,例,】,用,300 ,的高温气体产物加热冷原料气，工艺要求原料气由,15 ,加热至,160 ,，,产物气换热后不低于,190 ,。,试比较：,（,1,）,逆流,操作和,并流,操作条件下的传热温度差；,（,2,）若要并流与逆流操作的传热速率相等，求,传热面积比,。（,假设传热系数相同,）,【,解,】,逆流操作时：300,190,160,15,则：,t,1,=175,t,2,=140,由于,若用算术平均值，则：,误差：,可见误差很小。,并流操作时： 300,190,15,160,则,t,1,=285,t,2,=30,若仍用算数平均值：,此时的误差为：,可见误差极大,若要求传热速率相等，即：,Q,并,Q,逆,由于,K,并,K,逆,根据,Q,=,KAt,m,则,即,【,结果说明,】,并流操作时所需要的传热面积是逆流操作时的,1.4,倍，故,采用逆流操作可以减少传热面积，节省设备量，有利于传热操作,。,【,问题,】,怎样连接冷凝水，为什么？,冷凝水进口,冷凝水出口,四、总传热系数的确定,【,作用,】,总传热系数,K,（,简称传热系数）是,评价换热器性能的一个重要参数,，也是对换热器进行传热计算的依据。,【,确定方法,】,总传热系数,K,的确定方法有,三种,：,（1）使用,公式计算,（用于操作型计算）；,（2）通过,实验测定,（用于操作型计算）；,（3）使用,经验数据,（用于设计型计算）。,1、总传热系数的计算公式,（,1,）,传热过程分析,1,2,A,1,A,2,A,m,【,结论,】,总传热系数与传热,分系数,有关。,（,2,）总传热系数的基本计算式,基本计算式,推导的依据,：,傅立叶定律；,牛顿冷却定律；,总传热方程式。,对于,微元传热面积为,dA,的,换热器,：,总传热系数的基本计算式,当传热面为,平壁,时，,dA=dA,1,=dA,2,=dA,m,，,则：,（,3,）各种情况下总传热系数的计算式,对于,薄层圆筒壁,，若,d,2,/,d,1,2,，,近似按,平壁计算,（误差4%，工程计算可接受）。,当传热面为圆筒壁时，若,d,2,/,d,1,2,，如,以,外表面积为基准,（即以圆筒壁的外表面作为换热器的面积，在换热器,系列化标准,中常如此规定）,，,则：,式中,K,2,以换热管的,外表面为基准,的总传热系数；,d,m,换热管的,对数平均直径,。,当传热面为圆筒壁时，若,d,2,/,d,1,2,，如,以,内表面积为基准,，则：,当传热面为圆筒壁时，若,d,2,/,d,1,2,，如以,传热壁的平均表面积为基准,，则：,2,、总传热系数的实验测定,【,方法,】,对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然后由,传热基本方程式计算,K,值,。,【,说明,】,（,1,）得到的总传热系数,K,值最为,可靠,；,（,2,）,使用范围受到限制,，,只能,用于与所测情况相一致的场合（包括设备类型、尺寸、物料性质、流动状况等）才准确。,总传热系数的测定实验装置,【,说明,】,分别测定,Q,、,A,、,t,m,3,、使用经验数据,列管换热器的总传热系数,K,的经验值,冷流体,热流体,总传热系数,K,，W/(m,2,.),水,水,8501700,水,气体,17280,水,有机溶剂,280850,水,轻油,340910,水,重油,60280,有机溶剂,有机溶剂,115340,水,水蒸气冷凝,14204250,气体,水蒸气冷凝,30300,水,低沸点烃类冷凝,4551140,水沸腾,水蒸气冷凝,20004250,轻油沸腾,水蒸气冷凝,4551020,五、传热面积,A,的确定,【,特点,】,在传热过程中其面积始终不改变。,【,确定方法,】,壁的任何一侧,均可作为计算式中的传热面积。,1、平面壁,【,特点,】,沿着,传热方向其表面积是变化,的。,【,确定方法,】,（1）,外表面积,（,A,2,）；,（2）,内表面积,（,A,1,）,；,（3）,平均面积,（,A,m,） 。,2、圆筒壁,六、污垢热阻,【,影响,】,由于传热表面有,污垢,的,积存,，增加了传热热阻。换热器使用一段时间后，,传热速率,Q,会下降,。,【,确定方法,】,通常,根据经验直接估计污垢热阻值,，将其考虑在,K,中，即：,式中,R,1,、,R,2,传热面两侧的污垢热阻，,m,2,K/W。,【,例,】,在列管式换热器中用蒸气加热溶液，列管为,251.5,的钢管。蒸汽冷凝的对流传热系数为,15000,W/(m,2,),，溶液的对流传热系数取,2000,W/(m,2,),。,管壁的导热系数,50,W/(m),。,使用一段时间后，管内壁面沉积,1,mm,的垢层，垢层的,1,W/(m),。,若蒸汽的冷凝温度和溶液的加热温度均不变，求此时的,传热量为原传热量的分率,。,【,解,】,设原传热量为,QKAt,m,结垢后的传热量为,Q,K,A,t,m, 换热器的尺寸没有改变，故,A,A,热、冷物料的进、出口温度不变，故,t,m,t,m,由于,故使用平面壁的计算式计算总传热系数,结垢前,已知,1,15000 W/(m,2,),2,2000 W/(m,2,),b,0.0015m,50 W/(m),K,1676,W/(m,2,),结垢后,已知,b,垢,0.001,m ,垢,1,W/(m),K,626.3 W/(m,2,),因此,【,结论,】,为消除污垢热阻的影响，维持换热器的使用性能，应,定期清洗,换热器。,换热器的物理清洗,换热器的化学清洗,清洗前的换热器,清洗后的换热器,七、流向的选择,1、在流体进出口温度相同的条件下，,逆流的平均温差最大，并流最小,，其它流动型式的,t,m,介于两者之间。逆流操作的优点如下：,（1）在热负荷,Q,、,K,相同时，采用逆流,可以较小的传热面积,A,完成相同的换热任务,；,（2）在热负荷,Q,、,A,相同时，可以,节省加热和冷却介质的用量或多回收热,。,【,结论,】,一般情况下，应采用逆流操作。,2、在,某些方面,并流也优于逆流,。,（,1,）工艺上要求加热某一,热敏性物质,时，要求加热温度不高于某值（并流,t,2max,T,2,）；,（,2,）,易固化（,结晶,）物质冷却,时，要求冷却温度不低于某值（并流,T,2min,t,2,），,如易于控制流体出口温度。,3、采用,折流和其它复杂流型的目的,是为了提高传热系数,，从而提高,K,来减小传热面积。,八、传热过程的强化措施,【,结论,】,为了增强传热效率，可采取：,（,1,）增大平均传热温度差,t,m,；,（,2,）增大传热面积,A,；,（,3,）增大总传热系数,K,。,1,、强化传热的途径,2,、增大传热平均温度差,t,m,（,1,）两侧变温情况下，尽量采用,逆流流动,；,（2）,提高加热剂,T,1,的温度,（如用蒸汽加热，可提高蒸汽的压力来达到提高其饱和温度的目的）；,（,3,）,降低冷却剂,t,1,的温度,（如使用冷冻盐水）。,【,说明,】,利用,t,m,来强化传热是,有限,的。,3,、增大总传热系数,K,（,1,）尽可能利用有相变的热载体（,大,）；,（2）用,大,的材料作为传热壁,；,（3）减小金属壁的厚度（,b,小,）；,（,4,）及时清除污垢（,R,小,）；,（,5,）提高,较小一侧,的给热系数。,3,、增大单位体积的传热面积,A,（1）,采用,翅片管,代替光滑管；,（,2,）采用高效,新型换热器,。,（如列管式换热器的传热面积只有,40,160m,2,/m,3,，而板式换热器的传热面积可达,250,1500m,2,/m,3,）,在传统的间壁式换热器中，除夹套式外，其他都为管式换热器。,管式的共同缺点,是结构不紧凑，单位体积所提供的传热面小，金属消耗量大。可采用的方法为：,板式换热器,