化工原理+第五章+传热过程计算与换热器.ppt

1 第五章传热过程计算与换热器 5 1传热过程分析5 2传热过程的基本方程5 3传热过程的平均温差计算5 4传热效率和传热单元数5 5换热器计算的设计型和操作型问题5 6传热系数变化的传热过程计算5 7换热器 2 5 1传热过程分析 如图5 1所示 热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的传热过程分为三步进行 图5 1流体通过间壁的热量交换 1 热流体以对流传热方式将热量传给固体壁面 2 热量以热传导方式由间壁的热侧面传到冷侧面 3 冷流体以对流传热方式将间壁传来的热量带走 图5 1中还示出了沿热量传递方向从热流体到冷流体的温度分布情况 3 5 2传热过程的基本方程 5 2 1热量衡算方程5 2 2传热速率方程5 2 3总传热系数和壁温的计算 4 5 2 1热量衡算方程 热量衡算方程反映了冷 热流体在传热过程中温度变化的相互关系 根据能量守恒原理 在传热过程中 若忽略热损失 单位时间内热流体放出的热量等于冷流体所吸收的热量 对于整个换热器 其热量的衡算式为 图5 2为一稳态逆流操作的套管式换热器 热流体走管内 冷流体走环隙 式中Q为整个换热器的传热速率 或称为换热器的热负荷 W H表示单位质量流体焓值 kJ kg 下标1和2分别表示流体的进口和出口 图5 2套管换热器中的传热过程 5 5 2 1热量衡算方程 对于换热器的一个微元段 传热面积为dA 冷热流体之间的热量传递满足 式中m为冷热流体质量流率 kg s dH表示单位质量流体焓值增量 kJ kg dQ为微元传热面积dA上的传热速率 W 下标h和c分别表示热流体和冷流体 如果在换热器中存在热损失 则在换热器中的传热速率为 式中Q h为热流体对环境的散热量 W Q C为冷流体对环境的散热量 W 6 5 2 2传热速率方程 如前图5 2所示 在换热器中 任取一微元段dl 对应于间壁的微元传热面积dAo 热流体对冷流体传递热量的传热速率可表示为 微分传热速率方程 式中K 表示局部传热系数 W m2 th tc分别为热流体和冷流体的局部平均温度 5 1 7 5 2 2传热速率方程 由传热热阻的概念 传热速率方程还可以写为 式中R 1 KA为换热器的总传热热阻 W 式中K表示总平均传热系数 简称总传热系数或传热系数 W m2 A为换热器的总传热面积 Dtm表示冷热流体的平均传热温差 对于整个换热器 传热速率方程可写为 5 1a 8 5 2 3总传热系数与壁温计算 1 总传热系数的计算 图5 2套管换热器中的传热过程 如图5 2所示 设两流体通过间壁进行换热 在换热器中任取一微元段dl 间壁内 外侧的传热面积分别为dAi和dAo 壁面的导热系数为l 壁厚为b 内 外侧流体的温度分别为th和tc 对流传热系数分别为ai和ao 间壁内侧 外侧的温度分别为twh和twc 据牛顿冷却定律和傅立叶定律 内侧 间壁 外侧 5 2a 5 2b 5 2c 9 5 2 3总传热系数与壁温计算 在稳态条件下 5 3 利用式 5 2 和 5 3 可得 式中Q为换热器总传热面积上的传热速率 W 为传热的总推动力 对比式 5 1 和式 5 4 若以间壁外侧面为传热面积计算基准 则其局部传热系数为 5 4 10 5 2 3总传热系数与壁温计算 将a看作常数 因而求得的局部传热系数K 亦为常数 不随管长变化 而作为全管长上的总传热系数K 故式 5 5 可改写为 选取不同的传热面积作为传热过程计算基准时 其总传热系数的数值不同 因此 在指出总传热系数的同时 还必须注明传热面的计算基准 如对应于Ai的总传热系数Ki 11 5 2 3总传热系数与壁温计算 对于内 外径分别为di和do 长为L的圆管 由于 总传热系数Ko还可以表示为 式中dm表示管壁的平均直径 m 在工程上 一般以圆管外表面作为传热过程中传热面积的计算基准 对于厚度为b的平壁 由于内 外侧的传热面积相等 其总传热系数K可表示为 12 5 2 3总传热系数与壁温计算 2 污垢热阻 如果间壁内 外两侧的污垢热阻分别用Rsi和Rso表示 则根据串联热阻的叠加原理 总传热热阻可以表示为 工业上常见流体污垢热阻的大致范围为0 9 10 4 17 6 10 4 m2 K W 13 5 2 3总传热系数与壁温计算 3 换热器中总传热系数的范围 在进行换热器的传热计算时 通常需要先估计传热系数 表5 1列出了常见的列管式换热器中传热系数经验值的大致范围 14 5 2 3总传热系数与壁温计算 4 壁温的计算 在选用换热器的类型和材料时都需要知道间壁的壁温 根据式 5 2a 可以写出热流体侧的壁温计算式 由式 5 2b 和式 5 2c 同样可写出冷流体侧的壁温计算式 以上关系式表明 当间壁的导热系数很大时 间壁两侧的壁面温度可近似认为相等 而且间壁的温度接近于对流传热系数较大一侧的流体温度 15 5 2 3总传热系数与壁温计算 例5 1一空气冷却器 空气横向流过管外壁 对流传热系数ao 100W m2 冷却水在管内流动 ai 6000W m2 冷却水管为f25 2 5mm的钢管 其导热系数l 45W m 试求 1 在该状况下的总传热系数 2 若将管外空气一侧的对流传热系数提高一倍 其他条件不变 总传热系数有何变化 3 若将管内冷却水一侧的对流传热系数提高一倍 其他条件不变 总传热系数又有何变化 16 5 2 3总传热系数与壁温计算 讨论 强化空气侧的对流传热所提高的总传热系数远较强化冷却水侧的对流传热的效果显著 因此 要提高一个具体传热过程的总传热系数 必须首先比较传热过程各个环节上的分热阻 对分热阻最大的环节进行强化 这样才能使总传热系数显著提高 17 5 3传热过程的平均温差计算 1 恒温差传热 在换热器中 间壁两侧的流体均存在相变时 两流体温度分别保持不变 这种传热称为恒温差传热 在恒温差传热中 由于两流体的温差处处相等 传热过程的平均温差即是发生相变两流体的饱和温度之差 2 变温差传热 若间壁传热过程中有一侧流体没有相变 则流体的温度沿流动方向是变化的 传热温差也随流体流动的位置发生变化 这种情况下的传热称为变温差传热 在变温差传热时 传热过程平均温差的计算方法与流体的流动排布型式有关 18 5 3传热过程的平均温差计算 1 并流和逆流时的传热温差 以逆流传热过程为例 设热流体的进 出口温度分别为th1和th2 冷流体的进 出口温度分别为tc1和tc2 假定 图P253 1 冷 热流体的比热容cpc cph在整个传热面上都是常量 2 总传热系数K在整个传热面上不变 3 换热器无散热损失 19 5 3传热过程的平均温差计算 通过微元面积dA的传热量为 传热温差为Dt 微分得 上式在整个传热面积A上积分 得 20 5 3传热过程的平均温差计算 即 由 得 将上式代入式 5 6 得 5 6 即 对比式 5 9 与上式 可得平均传热温差的表达式 21 5 3传热过程的平均温差计算 讨论 1 tm虽是从逆流推导来的 但对并流和单侧传热也适用 4 当 t1 t2时 2 习惯上将较大温差记为 t1 较小温差记为 t2 3 当 t1 t2 2时 tm可用算术平均值代替 工程计算对于误差 4 的情况可接受 即 22 5 3传热过程的平均温差计算 2 错流和折流时的传热温差 图P255 如图5 4所示 按照冷 热流体之间的相对流动方向 流体之间作垂直交叉的流动 称为错流 如一流体只沿一个方向流动 而另一流体反复地折流 使两侧流体间并流和逆流交替出现 这种情况称为简单折流 23 5 3传热过程的平均温差计算 通常采用图算法 分三步 先按逆流计算对数平均温差 tm逆 求出平均温差校正系数 查图 计算平均传热温差 平均温差校正系数 1 这是由于在列管式换热器内增设了折流挡板及采用多管程 使得换热的冷 热流体在换热器内呈折流或错流 导致实际平均传热温差低于纯逆流时的 tm逆 24 5 3传热过程的平均温差计算 3 不同流动排布型式的比较 进出口温度条件相同时 逆流的平均温差最大 并流的平均温差最小 对于其他的流动排布型式 其平均温差介于两者之间 在实际的换热器中应尽量采用逆流流动 而避免并流流动 但是在一些特殊场合下仍采用并流流动 以满足特定的生产工艺需要 采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数 然而其代价是减小了平均传热温差 25 5 4传热效率和传热单元数 1 传热效率 换热器传热效率e的定义为实际传热速率Q与理论上可能的最大传热速率Qmax之比 如果热流体的热容量较小 则传热效率e为 如果冷流体的热容量较小 则传热效率e为 26 5 4传热效率和传热单元数 如果已知换热器的传热效率e 就可以根据冷热流体的进口温度确定换热器的传热速率Q 即 2 传热单元数 在换热器中的微元传热面积dA上 由热量衡算方程式和传热速率方程式可得 对于冷流体 满足 27 5 4传热效率和传热单元数 当传热系数K和比热cpc为常数时 积分上式可得 式中NTUc NumberofTransferUnit 称为对冷流体而言的传热单元数 Dtm为换热器的对数平均温差 同理 以热流体为基准的传热单元数可表示 在换热器中 传热单元数定义为 28 5 4传热效率和传热单元数 3 传热效率和传热单元数的关系 逆流式换热器 热流体的热容量较小 冷流体的热容量较小 令 则上两式得通式 并流换热器 29 5 4传热效率和传热单元数 e NTU关系 图P257 30 5 5换热器计算的设计型和操作型问题 两类计算所依据的基本方程都是热量衡算方程和传热速率方程 计算方法有对数平均温差 LMTD 法和传热效率 传热单元数 e NTU 法两种 1 设计型计算 对于设计型计算 既可以采用对数平均温差法 也可以采用传热效率 传热单元数法 LMTD法 31 5 5换热器计算的设计型和操作型问题 根据已知的三个端部温度 由热量衡算方程计算另一个端部温度 由选定的换热器型式计算传热系数K 由规定的冷 热流体进出口温度计算参数P R 由计算的P R值以及流动排布型式 由j P R曲线确定温度修正系数j 由热量衡算方程计算传热速率Q 由端部温度计算逆流时的对数平均温差Dtm 由传热速率方程计算传热面积 32 5 5换热器计算的设计型和操作型问题 e NTU法1 根据已知的三个端部温度 由热量衡算方程计算另一个端部温度 2 由选定的换热器型式计算传热系数K 3 由规定的冷 热流体进出口温度计算参数e CR 4 由计算的e CR值确定NTU 由选定的流动排布型式查取e NTU算图 可能需由e NTU关系反复计算NTU 5 计算所需的传热面积 33 5 5换热器计算的设计型和操作型问题 例5 2一列管式换热器中 苯在换热器的管内流动 流量为1 25kg s 由80 冷却至30 冷却水在管间与苯呈逆流流动 冷却水进口温度为20 出口温度不超过50 若已知换热器的传热系数为470W m2 苯的平均比热为1900J kg 若忽略换热器的散热损失 试分别采用对数平均温差法和传热效率 传热单元数法计算所需要的传热面积 34 5 5换热器计算的设计型和操作型问题 2 操作型计算 对于换热器的操作型计算 其特点是换热器给定 计算类型主要有以下两种 对指定的换热任务 校核给定的换热器是否适用 对一个给定的换热器 当某一操作条件改变时 考察传热速率及冷 热流体出口温度的变化情况 或者为了达到指定的工艺条件所需采取的调节措施 35 5 5换热器计算的设计型和操作型问题 对于操作型计算 采用传热效率 传热单元数法和对数平均温差法计算的一般步骤如下 e NTU法 由已知换热器型式计算传热系数K 由已知条件计算NTU CR 通过计算式或算图 由计算的NTU CR值和流动排布型式确定e 由计算传热速率 并由一侧流体的热量衡算式或以下两式计算出口温度 36 5 5换热器计算的设计型和操作型问题 LMTD法 假设出口温度 根据热量衡算方程计算另一个出口温度 由已知换热器型式计算传热系数K 计算逆流平均温差Dtm 由P R值 并根据流动排布型式由j P R曲线确定j 由计算传热速率 由已知的传热速率Q和 mccpc mchph 通过热量衡算方程计算出口温度 对比第一步所假定的出口温度 如果不一致 则重新假定反复计算 直到出口温度计算值与假定值的偏差符合精度要求 37 5 5换热器计算的设计型和操作型问题 例5 3在列管式换热器中用锅炉给水冷却原油 已知换热器的传热面积为100m2 原油的流量为8 33kg s 温度要求由150 降到65 锅炉给水的流量为9 17kg s 其进口温度为35 原油与水之间呈逆流流动 若已知换热器的传热系数为250W m2 原油的平均比热为2160J kg 若忽略换热器的散热损失 试问该换热器是否合用 若在实际操作中采用该换热器 则原油的出口温度将为多少 38 5 6传热系数变化的传热过程计算 在稳态传热过程的计算中 一般均假设流体的物性及传热系数K为一平均值而在整个换热器的传热过程中维持恒定 当加热或冷却粘度较高的流体 或流体进出口温度变化较大时 流体物性的变化较显著 此时将物性和传热系数K作为常数处理时将导致传热过程计算的较大误差 减小这一误差的最简单处理方法是假定传热系数K与传热温差成线性关系 传热速率可表示为 39 5 6传热系数变化的传热过程计算 对于传热系数变化的传热过程 更严格准确的方法是采用积分方法计算传热速率 由 5 1 积分可得传热速率Q 对于任一微元段dAj的传热速率方程可以写为 40 5 6传热系数变化的传热过程计算 对于换热器的总传热面积可以表示为 分段方法计算传热过程的计算工作量较大 适合于采用计算机进行计算 对整个换热器而言的总传热速率为 式中n为换热器所分微元的总段数 41 5 7换热器 5 7 1换热器的分类5 7 2间壁式换热器5 7 3列管式换热器的选用与设计原则5 7 4换热器的传热强化途径 42 5 7 1换热器的分类 换热器种类很多 按热量交换的原理和方式 可分为混合式 蓄热式和间壁式三类 换热器还可按其用途分为加热器 冷却器 蒸发器 冷凝器和再沸器等 按换热器制造材料分为金属 陶瓷 塑料 石墨和玻璃等等 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 43 5 7 2间壁式换热器 结构 夹套装在容器外部 夹套和容器壁之间形成密闭空间 成为一种流体的通道 优点 结构简单 加工方便 缺点 传热面积A小 传热效率低 用途 广泛用于反应器的加热和冷却 1 夹套式管换热器 图P272 44 5 7 2间壁式换热器 2 管式换热器 沉浸式换热器 强化措施 可减少管外空间 容器内加搅拌器 特点 结构简单 成本低 耐腐蚀 耐高压 管外 较小 蛇管易堵塞 图P272 45 5 7 2间壁式换热器 喷淋式换热器 优点 结构简单 便于耐腐蚀 管内能耐高压 管外 比沉浸式大 缺点 冷却水喷淋不均匀影响传热效果 只能安装在室外 占地面积大 图P273 46 5 7 2间壁式换热器 套管式换热器 优点 结构简单 易于维修和清洗 适用于高温 高压流体 特别是小容积流量流体的传热 缺点 流动阻力大 金属耗量多 而且体积较大 因而多用于所需传热面积较小的传热过程 图P274 47 5 7 2间壁式换热器 列管式换热器 列管式换热器主要由壳体 管束 折流板 管板和封头等部件组成 管束安装在壳体内 两端固定在管板上 封头用螺栓与壳体两端的法兰相连 与前述几种换热器相比 它的主要优点是单位体积所具有的传热面积大 结构紧凑 传热效果好 由于结构坚固 而且可以选用的结构材料范围广 故适应性强 操作弹性较大 因此 在高温 高压和大型装置上多采用列管式换热器 48 5 7 2间壁式换热器 列管式换热器可分为以下几种主要型式 1 固定管板式换热器 壳体与传热管壁温度之差大于50 C 加补偿圈 也称膨胀节 当壳体和管束之间有温差时 依靠补偿圈的弹性变形来适应它们间的不同的热膨胀 特点 结构简单 但壳程检修和清洗困难 图P275 49 5 7 2间壁式换热器 列管式换热器可分为以下几种主要型式 2 U形管式换热器 图P275 特点 结构较浮头简单 但管程不易清洗 结构 把每根管子都弯成U形 两端固定在同一管板上 每根管子可自由伸缩 来解决热补偿问题 50 5 7 2间壁式换热器 3 浮头式换热器 特点 可完全消除热应力 便于清洗和检修 结构复杂 金属耗量较多 造价较高 管板一端不与壳体相连 可自由沿管长方向浮动 当壳体与管束因温度差而引起热膨胀时 管束连同浮头能在壳体内沿轴向自由伸缩 可完全消除热应力 图P276 51 5 7 2间壁式换热器 3 板式换热器 螺旋板式换热器是由螺旋形传热板片构成的换热器 螺旋板式换热器的结构包括螺旋形传热板 隔板 盖板 定距柱和连接管等部件 其结构因型式不同而异 各种型式的螺旋板式换热器均包含由两张厚约2 6mm的钢板卷制而成 构成一对相互隔开的同心螺旋流道 冷 热流体以螺旋板为传热面相间流动 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 维修 清洗困难 1 螺旋板式换热器 52 5 7 2间壁式换热器 2 板式换热器 板式换热器主要由一组长方形的薄金属传热板片构成 用框架将板片夹紧组装于支架上 两相邻