传热过程计算习题.ppt

4 4 4总传热速率方程的应用 传热面积的计算 K为常数时 当K为变量 但K随温度呈线性变化时 4 4 4总传热速率方程的应用 传热面积的计算 3 K随温度不呈线性变化时 若K随温度变化不大 可以采用分段计算法 将换热器分段 每段的K视为常量 将各段计算所得的换热面积相加和 3 K随温度不呈线性变化时 用图解积分法或数值积分法求得 例4 10 现要求每小时将500kg的乙醇饱和蒸气 Tb 78 5 在换热器内冷凝并冷却至30 已知其传热系数在冷凝和冷却时分别为 1 3500W m 2 K 1 2 700W m 2 K 1 t1 15 t2 35 已知水的传热系数 3 1000W m 2 K 1 cp c 4 2kJ kg 1 K 1 忽略管壁和污垢热阻 求换热器的传热面积 解 乙醇冷凝放热 乙醇冷却放热 总放热 Q1 Q2 1 41 105W 冷却水流量 用传热速率方程求传热面积 既有相变传热 也有无相变的变温传热 因此将传热面积分段求解 分为冷凝段和冷却段 求得两段分界处的水温 再求其他 冷凝段两段分界处水温 t 35 17 3 17 7 冷凝段 冷却段 换热器传热面积S S1 S2 3 04 1 40 4 44 m2 2 实验测定总传热系数K 方法 实验测定流体的温度 流量等参数 通过计算 例 3 换热器的操作型计算 若qm c 1 2qm c t1 t2不变 应采取什么措施 忽略管壁热阻和污垢热阻 80 20 T 116 3 P 1 765 105Pa 壳间水蒸气冷凝 空气湍流 例4 11 原流量下 新流量下 2 传热速率原流量下 式中 0 5 25 1 热量恒算 新流量下 强制湍流 管径不变 则 原流量下新流量下 只有提高饱和蒸气的压力才能满足要求 T1 qm c 1 2qm c 4 4 5传热单元数法 NTU法 传热单元法又称传热效率 传热系数法 NTU 一 传热效率 最大可能传热速率 换热器中可能发生最大温差变化的传热速率 理论上最大的温差 17 热容流量 qmcp 由热量衡算得最小值流体可获得较大的温度变化 18 二 传热单元数 基于冷流体的传热单元数 19 传热单元数 量纲为1的函数 反映传热推动力和传热所要求的温度变化 传热推动力 NTC c 长度量纲 是传热热阻和流体流动状况的函数 总传热系数越大 传热单元长度越短 所需传热面积越小 同理 对热流体 传热单元长度Hc 20 21 三 传热效率与传热单元数的关系 根据热量衡算和传热速率方程导出 以单程并流换热器为例推导 并流 令 22 三 传热效率与传热单元数的关系 同理 逆流时传热效率和传热单元数的关系 若热流体为最小值流体 则令 得出了冷流体为最小值相同的公式 传热单元数法 单程逆流换热器中 和NTU关系 折流换热器中 和NTU关系 24 4 4 6传热计算示例 例题 用120 C的饱和水蒸汽将流量为36m3 h的某稀溶液在双管程列管换热器中从温度为80 C上升到95 C 每程有直径为 25 2 5mm管子30根 且以管外表面积为基准K 2800W m2 C 蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计 求 1 换热器所需的管长 2 操作一年后 由于污垢积累 溶液侧的污垢系数增加了0 00009m2 C W 若维持溶液原流量及进口温度 其出口温度为多少 若又保证溶液原出口温度 可采取什么措施 定性说明 溶液的 1000kg m3 cp 4 2kJ kg C 四 壁温的计算 对稳态传热过程整理上式可得 壁温总是接近 较大一侧的流体温度 若 1 2 则壁温如果管壁两侧有污垢 则 四 壁温的计算 例4 11 在一由 25 2 5mm钢管构成的废热锅炉中 管内通入高温气体 进口500 出口400 管外为p 981kN m2压力 绝压 的水沸腾 已知高温气体对流传热系数a1 250W m2 水沸腾的对流传热系数a2 10000W m2 忽略污垢热阻 试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw 解 a 总传热系数以管子内表面积S1为基准 500 400 c 计算单位面积传热量 d 管壁温度 Q A1 K1 tm 242 271 65580W m2 T 热流体的平均温度 取进 出口温度的平均值T 500 400 2 450 管内壁温度 b 平均温度差在p 981kN m2 水的饱和温度为179 管外壁温度 由此题计算结果可知 由于水沸腾对流传热系数很大 热阻很小 则壁温接近于水的温度 即壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度 又因管壁热阻很小 所以管壁两的温度比较接近 4 3 3保温层的临界直径 六 换热器 6 1间壁式换热器 一 管式换热器1 蛇管换热器 沉浸式和喷淋式2 套管式换热器3 列管式换热器 二 板式换热器 夹套换热器 螺旋板式换热器 三 翅片式换热器 四 热管 蛇管的形状 2 沉浸式 3 喷淋式 1 沉浸式蛇管换热器 整体 沉浸式蛇管换热器 强化措施 可减少管外空间 容器内加搅拌器 2 喷淋式蛇管换热器 放置在室外空气流通处 管外流体湍动程度较高 故其给热系数较沉浸式为大 缺点 喷淋不易均匀 每一段套管称为一程 长4 6m 程数由传热而定 优点 简单 能耐高压 可严格逆流 有利传热缺点 接头较多易泄露 单位体积传热面积小 3 列管式换热器 a 单管程单壳程 结构 一束装在圆柱型壳体内的圆管 两端再加设封头 端盖 组成 b 多程换热器 当流体在管束内 间 流动的距离 2个换热器列管长度时 称相应的换热器为多管程 壳程 换热器 管壳式换热器 浮头式换热器 40 U型管换热器 特点 结构较浮头简单 但管程不易清洗 圆缺形 圆盘形 多管程 增大管内流体u 提高管内的 加挡板 增大壳程流体的湍动 提高壳程的 二 板式换热器 特点 构造简单 但传热面积受容器壁面的限制 一般不超过10m2 且传热系数也不高 为强化传热 可在釜内安装搅拌器 为及时移走釜内热量 可在其中安装蛇管 1 夹套式换热器 2 螺旋板式换热器 特点 传热系数高 不易结垢和堵塞 能利用温度较低的热源 结构紧凑 3 板翅式换热器的板束 4 平板式换热器流向示意图 三 翅片式换热器 四 热管 热管是一个封闭的金属管 管内有毛细吸液液芯结构 抽除管内全部不凝性气体并充以定量的可气化的工作液体 6 2换热器传热过程的强化 一 强化传热的途径增大传热面积A 从改革换热器结构入手 开发单位体积传热面积大的换热器 A 金属材料用量 设备费用 具体措施 设计制造高效紧凑的换热器 波纹形的平板式换热器板间距4 6mm 其单位体积换热面积是列管换热器的6倍 螺旋管为列管的3倍 如 平板式 板翅式及螺旋板式换热器 提高传热系数K 设法减小对K值影响较大的热阻 即可使K 对K影响不大 管壁厚度 较薄 金属 大 Ri Ro为管内 外侧污垢层的热阻 垢层热导率很小 即使很薄 热阻很大 1mm垢层热阻 40mm厚钢板的热阻对流传热膜系数 i o 同一数量级 或相差不大 同时提高两侧 相差悬殊时 要K 需重点增加 小的一方的 具体措施 u 流体湍动程度 层流底层厚度 采用外加脉动或超声波 增加流体的湍动程度 在流体中加入固体颗粒增加传热 Cp 固体 Cp 气体 少量加入即可增加气体的热容量 也可增加气体的湍动程度 采用 大的流体作载热体 如熔盐 液态金属等 以降低传热边界层的热阻 增大传热速率 具体措施 设计特殊的传热壁面 使流体在流动过程中不断改变流动方向 促使形成湍流 如翅片结构 内置各种插物 麻花铁 螺旋圈等 增大平均温度差 tm 两流体采用逆流传热 提高热流体的温度或降低冷流体的温度 根据技术上的可能和经济上的合理性 选择加热剂或冷却剂 55 4 6 1换热器的分类 按用途分类 加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器和再沸器 按冷热流体热量交换方式分类 混合式 蓄热式和间壁式 主要内容 1 根据工艺要求 选择适当的换热器类型 2 通过计算选择合适的换热器规格 56 4 6 2间壁式换热器的类型 一 夹套换热器 57 流体流过折流挡板 58 1 固定管板式 特点 结构简单 但壳程检修和清洗困难 59 2 浮头式 特点 可完全消除热应力 便于清洗和检修 结构复杂 60 3 U型管式 特点 结构较浮头简单 但管程不易清洗 61 4 6 3列管换热器的选用 1 根据工艺任务 计算热负荷 2 计算 tm 3 依据经验选取K 估算A 4 确定冷热流体流经管程或壳程 选定u 先按单壳程多管程的计算 如果 0 8 应增加壳程数 由u和V估算单管程的管子根数 由管子根数和估算的A 估算管子长度 再由系列标准选适当型号的换热器 浙江大学本科生课程化工原理 第五章传热过程计算与换热器 62 16 设计方法及步骤 5 3 1列管式换热器 管壳式换热器 63 5 核算K 分别计算管程和壳程的 确定垢阻 求出K 并与估算的K进行比较 如果相差较多 应重新估算 6 计算A 根据计算的K和 tm 计算A 并与选定的换热器A相比 应有10 25 的裕量 64 选用换热器中的有关问题 1 流体流经管程或壳程的选择 管程 不清洁或易结垢 腐蚀性 压力高的流体 壳程 饱和蒸汽 需要冷却 粘度大或流量小的流体 原则 传热效果好 结构简单 清洗方便 2 流体u u K 在同Q tm下A 节省设备费 u Hf 操作费用增加 u选择是经济上权衡的问题 但要避免层流流动 65 3 换热器中管子的规格和排列方式 管子的规格 19 2mm和 25 2 5mm 管长 1 5m 2 0m 3 0m 6 0m 排列方式 正三角形 正方形直列 正方形错列 66 流体垂直流过管束外流动 67 4 6 4传热过程的强化途径 一 增大 tm 提高加热剂T1的温度或降低冷却剂t1的温度 两侧变温情况下 尽量采用逆流流动 为了增强传热效率 可采取 tm A V K 二 增大A V 直接接触传热 可增大A和湍动程度 使Q 68 采用高效新型换热器改进传热面结构入手来增大A和湍动程度 使Q a 光直翅片 b 锯齿翅片 c 多孔翅片 69 三 增大K 尽可能利用有相变的热载体 大 用 大的热载体 如液体金属Na等减小金属壁 污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻提高 较小一侧有效 提高 的方法 无相变 增大流速管内加扰流元件改变传热面形状和增加粗糙度 70 4 6 5新型的换热器 一 平板式换热器 71 72 优点 传热效率高 K大结构紧凑 操作灵活 安装检修方便 缺点 耐温 耐压差易渗漏 处理量小 73 二 螺旋板式换热器 74 优点 传热效率高不易堵塞结构紧凑 成本较低 缺点 压力 温度不能太高难以维修 75 三 翅片管换热器 特点 增加A 增强管外流体的湍流来提高 重要的应用场合 空气冷却器 管外加翅片 大大改善了空气侧的传热效果 翅片管换热器