化工原理第五章第三节讲

,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,*,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,*,第四章 传热,一、热量衡算,二、总传热速率方程,三、总传热系数,四、传热的平均温度差,五、传热单元数法,六、壁温的计算,七、保温层的临界直径,第三节 换热器的传热计算,传热计算,设计计算,校核计算,根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。,判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。,依据：总传热速率方程和热量恒算,一、热平衡方程,热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系,对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略则在单位时间内的换热器中的热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：,换热器的热量衡算式（热平衡方程）,应用：计算换热器的传热量,若换热器中的两流体的比定压热容不随温度而变或可取平均温度下的比定压热容时,若换热器中热流体有相变化，例如饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下离开。,若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器,二、总传热速率方程,通过换热器中任一微元面积的间壁,两侧的流体的传热速率方程为：,总传热速率微分方程,or,传热基本方程,K,局部总传热系数，（,W/m,2,）,物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。,热流体,冷流体,热流,Q,金属壁面,对流,对流,导热,当取,t,和,K,为整个换热器的平均值时，对于整个换热器，传热基本方程式可写成：,或,K,换热器的平均传热系数，,W/m,2,K,总传热热阻,注意：,其中,K,必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。,传热基本方程可分别表示为：,式中：,K,i,、K,o,、K,m,分别为管内表面积、外表面积和内外侧的平均表面积的传热系数，,W/m,2,K,A,i,、A,o,、A,m,换热器管内表面积、外表面积和内外侧的平均面积，,m,2,。,注：,工程上大多以外表面积为计算基准，,K,o,不再加下标“,o,”,三、总传热系数,1、总传热系数,K,的来源,生产实际的经验数据,实验测定,分析计算,2、传热系数,K,的计算,流体通过管壁的传热包括：,1)热流体在流动过程中把热量传递给管壁的对流传热,t,w,T,w,对流,对流,导热,冷流体,热流体,t,T,Q,2)通过管壁的热传导,3)管壁与流动中的冷流体的对流传热,间壁换热器总传热速率为：,利用串联热阻叠加原则：,若以外表面为基准,基于外表面积总传热系数计算公式,同理：,3、污垢热阻,在计算传热系数,K,值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。,若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用,Rs,i,和,Rs,0,表示，根据串联热阻叠加原则，,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，,若,则,总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。,提高,K,值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的,。,两侧的,相差不大时，则必须同时提高两侧的,，,才能提高,K,值。,污垢热阻为控制因素时，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。,例：有一列管换热器，由,252.5mm,的钢管组成。,CO,2,在管内流动，冷却水在管外流动。已知管外的,1,=2500W/m,2,K，,管内的,2,=50W/m,2,K。,（1）,试求传热系数,K,；,（2）,若,1,增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大的百分率；,（3）若,2,增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增大的百分率。,解,：,（1）求以外表面积为基准时的传热系数,取钢管的导热系数,=,45,W/mK,，,冷却水测的污垢热阻,R,s,1,=0.5810,-3,m,2,K/W,CO,2,侧污垢热阻,R,s2,=0.510,-3,m,2,K/W,则：,(2),1,增大一倍，即,1,=5000,W/m,2,K,时的传热系数,K,K,值增加的百分率,（3）,2,增大一倍，即,2,=100,W/m,2,K,时的传热系数,K,值增加的百分率,四、传热的平均温度差,恒温差传热：,变温差传热：,传热温度差不随位置而变的传热,传热温度差随位置而改变的传热,传热,流动形式,并流：,逆流：,错流：,折流：,两流体平行而同向的流动,两流体平行而反向的流动,两流体垂直交叉的流动,一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流,逆流,并流,错流,折流,t,2,t,1,T,1,T,2,t,1,t,2,T,1,T,2,1、逆流和并流时的传热温差,假定：,（1）换热器在定态情况下操作；,（2）流体的比热容均为常量，且传热系数,K,沿换热面而不变；,（3）换热器无热损失,以逆流为例，推导平均温差,T,2,t,1,t,2,T,1,dT,dt,dS,S,t,t,2,t,1,T,t,逆流,并流,微元面积,dS,的传热情况,两流体的温差为,t,通过微元面,d,S,的传热量为：,将（,c）、(d),代入(,e),式,用,分别表示换热器两端的温差，并对(,f),积分得,联立(,b),和(,f),得：,积分：,即：,将（,g）,式代入,对数平均温度差,若两流体并流流动，同样可得到相同的结果。,注意：,在应用对数平均温度差计算式时，通常将换热器两端温度差,t,中数值大的写成,t,2,，,小的写成,t,1,当,时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。,例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。,解：,逆流时：,热流体：,冷流体：,70 25,并流时：,热流体：,冷流体：,85 10,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。,2,、错流和折流时的平均温度差,错流和折流的平均温度差，常采用安德伍德和鲍曼提出的图算法。,先按逆流时计算对数平均温度差,t,m,逆,，在乘以考虑流动型式的温度修正系数,t,，,得到实际平均温度差,t,m,。,错流和折流时的平均温度差,其中,计算,P,R,的值后,可查图,5-11,得到,t,的值,例：通过一单壳程双管程的列管式换热器，用冷却水冷却热流体。两流体进出口温度与上例相同，问此时的传热平均温差为多少?又为了节约用水，将水的出口温度提高到35，平均温差又为多少?,解：,逆流时,又冷却水终温提到,35,0,C,，,逆流时：,查图得：,3,不同流动型式的比较,(1),在进、出口温度相同的条件下,逆流的平均温度差最大,并流的平均温度差最小,其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。因此，就提高传热推动力而言，逆流优于并流及其他形式流动。当换热器的传热量,Q,及总传热系数,K,相同的条件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。,(2),逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。,所以，换热器应当尽量采用逆流流动，尽可能避免并流流动。,在某些生产工艺有特殊要求时，如要求冷流体被加热时不得超过某一温度或热流体冷却时不得低于某一温度，应采用并流操作。,当换热器有一侧流体发生相变而保持温度不变时，就无所谓并流和逆流了，不论何种流动型式，只要进出口温度相同，平均温度就相等。,(3),采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数，其代价是平均温度差相应减小，温度修正系数,t,是用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，一般在设计时最好使,t,0.9，至少不能使,t,0.8。否则应另选其他流动型式，以提高,t,。,五、传热单元数法,1、传热效率,qC,p,：,流体的热容量流量,当热流体的热容量流量较小时,若冷流体的热容量流量较小时,2、传热单元数,NTU,1）传热单元数的定义,对于冷流体,积分,(,NTU)c,：,基于冷流体的传热单元数,当,K,与,C,pc,为常数，且,T-t,可用平均温度差代替时,同理,基于热流体的传热单元数,当,K,与,C,ph,为常数时,3、传热效率与传热单元数的关系,将（2）代入（1），并整理得,并流时,若冷流体为最小值流体,并令,C,min,=q,m,c,c,pc,C,max,=q,m,h,c,ph,，,(NTU),min,=KS/C,min,将,(4),代入,(3),得,逆流时传热效率和传热单元数的关系为：,当两流体之一有相变化时，,(,q,m,Cp),max,趋于无穷大,当两流体的,q,m,Cp,相等时,并流时：,逆流时：,六、壁温的计算,已知：管内、外流体的平均温度,T、t,，,忽略管壁热阻,求：壁温,t,W,方法：试差法,步骤：,假设,t,W,求管内、外的,i,、,0,核算,t,W,例：在列管换热器中，两流体进行换热。若已知管内、外流体的平均温度分别为170和135；管内、外流体的对流传热系数分别为,12000,W,/(m,2,)及1100,W,/(m,2,)。管内、外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005,(m,2,),/,W。,试估算管壁平均温度。假设管壁热传导热阻可忽略。,解：,结果表明：,管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度,即接近于,值大的那个流体的温度。,七、保温层的临界直径,设：,保温层内表面温度为,t,1,，,周围环境温度为,t,f,，,保温层的内外径分别为,d,1,和,d,2,，,保温层外表面对环境的对流传热系数为,。,定态传热时，管道的热损失为：,热损失,Q,为最大值时的保温层直径,保温层的临界直径,保温层的外径小于临界直径，即,d,2,d,c,dQ/d(d,2,),为正值，,增加保温层的厚度反而使热损失增加。,