【化工原理 课件】4.4传热过程的计算

4 4传热过程的计算4 4 1总传热系数和总传热速率方程4 4 2热量衡算和传热速率方程间的关系4 4 3传热平均温度差4 4 4壁温的计算4 4 5换热器的设计型和操作型计算 4 4 1总传热系数和总传热速率方程 K 总传热系数 W m2 K 一 总传热系数 管内对流 管外对流 管壁热传导 稳态传热 1 平壁A A1 A2 Am 讨论 2 以外表面为基准 A A1 K1 以外表面为基准的总传热系数 W m2 K dm 对数平均直径 m 以内表面为基准 d1 d2 2可用算术平均值 以壁表面为基准 3 1 K的意义 K的大小 A的基准 控制热阻 如h2 h1 不计壁阻 如h1 h2 不计壁阻 K接近h小一侧流体的值 例4 7 已知h1 40W m2 K h2 5000W m2 K 不计壁阻 可如按平壁计算的K值 1 h1不变 h2提高到104W m2 K 2 h2不变 h1提高到80W m2 K 3 h2不变 h1提高到500W m2 K 计算上面各种情况下的K值 1 2 3 强化传热 应提高h小一侧流体的h 二 污垢热阻 R1 R2 传热面两侧的污垢热阻 m2 K W 消除垢阻 定期清洗换热器 三 总传热速率方程 K 平均的总传热系数 tm 平均温度差 总传热速率方程 求KQ的计算求 tm 4 4 2热量衡算和传热速率方程间的关系 无热损失 热流体qm1 T1 cp1 H1 T2H2 冷流体qm2 t1 cp2 h1 t2h2 无相变时 相变时 传热计算的出发点和核心 热负荷 对设备换热能力的要求传热速率 设备在一定条件下的换热能力 一 恒温传热 二 变温传热 tm与流体流向有关 4 4 3传热平均温度差 1 逆 并流时的 tm 以逆流为例推导 tm 假设 1 稳态流动 传热 q1m1 qm2一定 2 cp1 cp2为常数 为tm的值 3 K沿管长不变化 4 热损失忽略不计 dA段内热量衡算 dA段内传热速率方程 总热量衡算 对数平均温差 1 tm的计算式也适用于并流 讨论 3 当 t1 t2 2 可用 4 当 t1 t2 2 较大温差记为 t1 较小温差记为 t2 2 错 折流时的 tm 查图4 43 P185 1 tm tm逆 0 9 若 0 8 温差损失大 传热不稳定 应改变流型 三 流向的选择 例4 8 冷 热流体的进出口温度分别为t1 15 C t2 30 C T1 100 C T2 40 C 求 1 分别采用逆 并流时的 tm 2 如采用单壳程双管程的列管换热器时的 tm 1 采用逆流时的 tm 采用并流时的 tm 2 采用单壳程双管程的列管换热器时的 tm 假设冷流体走管程 热流体走壳程 有 查图4 43 0 9 1 传热推动力 tm 逆流最佳Q K一定时 所需的A小 K A一定时 传热速率及负荷增加可节省载热体的用量 温差较大 在传热面上 冷 热流体间的 t均匀 2 采用并流 易于控制出口温度 t2max T2 热敏物质 T2min t2 易固化物 3 采用其他流型的目的 提高h 4 仅单侧变温 tm与流型无关 4 4 4壁温的计算 稳态传热 1 大 b Am小 壁阻小 tW TW TW接近于T 即h大 热阻小 侧流体的温度 3 两侧有污垢 2 当tW TW 4 4 5换热器的设计型和操作型计算 一 设计型计算 设计条件 qm1 T1 T2设计目的 A选择条件 1 流向 2 t1 4 u K DPf 3 t2 qm2 二 操作型计算 1 判断现有换热器是否适用 A实际 A需要可用 反之不可用 2 工况变化时对传热过程的影响 基本方程 热量衡算式和传热速率方程 试差法 tm计算式的非线性 e NTU法 二 e NTU法 传热效率 传热单元数法 1 传热效率e a 若冷流体的qmcp较小 则 b 若热流体的qmcp较小 则 2 影响传热效率e的因素 a 传热单元数 e随传热单元数的增大而增大 b 两侧流体的总热容之比 令 e随R的增大而减小 c 换热器的结构形式 查阅相关的图表 图4 45 4 47 表4 8 例4 9 用120 C的饱和水蒸气将流量为36m3 h某稀溶液在单壳程双管程列管换热器中的管程从温度为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 00009 m2 C W 若维持溶液原流量及进口温度 其出口温度为多少 若要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 1 2 首先计算K 两种计算方法 a 试差法 设冷流体出口温度为90 两者不符 重新假设出口温度为92 5 重复计算后 得到冷流体的出口温度为92 b e NTU法 b 查图 得到 若要保证溶液原出口温度 可采取措施 a 提高蒸汽侧的温度 b 减小冷流体的流量 c 增加传热面积 增加管子数量 例4 10 欲在直立式单程列管换热器的壳程将流率为0 35kg s 温度为80 C的饱和苯蒸汽冷凝并冷却到30 C 苯在80 C时的冷凝热为394kJ kg 液苯的比热1 8kJ kg C 换热器由38根直径为 25 2 5mm 长为2m的无缝钢管组成 苯蒸汽在管外冷凝传热系数h1 1400W m2 C 液苯在管外对流传热系数h2 1200W m2 C 冷却水在管内与苯逆流流动 其温度由20 C升至30 C 试计算 1 冷却水的用量 钢的导热系数 45W m C 2 如管内水的对流传热系数为1717W m2 C 问该换热器是否能满足要求 1 2 蒸汽冷凝段所需要的传热面积A1