化工原理.传热过程的计算

第五节传热过程的计算,无热损失：,Q热流体放出或冷流体吸收的热量，W；qm1,qm2热冷流体的质量流量，kg/s；h1,h2冷流体的进出口焓，J/kg；H1,H2热流体的进出口焓，J/kg。,1.无相变，且Cp可视为常数,热量衡算式：,式中：cp1,cp2热冷流体的比热容，J/(kg)；t1,t2冷流体的进出口温度，；T1,T2热流体的进出口温度，。,2.有相变时,2.1饱和蒸汽冷凝：,TS热流体的饱和温度，。,r热流体的汽化潜热，kJ/kg；,2.2冷凝液出口温度T2低于饱和温度TS:,1.恒温传热,二、传热平均温度差,2.1一侧恒温、一侧变温,一侧饱和蒸汽冷凝，另一侧冷流体被加热。,一侧热流体被冷却，另一侧冷流体沸腾。,2.变温传热,2.2两侧均有温度的变化：,冷热流体的四种流向,2.2.1逆流和并流时的tm,t2,逆流,以逆流为例推导,假设：（1）稳态传热、稳态流动，qm1、qm2一定；,（2）cp1、cp2为常数；,（3）K沿管长不变化；,（4）热损失忽略不计。,讨论：（1）也适用于并流,（2）较大温差记为t1，较小温差记为t2（3）当t1/t22，则可用算术平均值代替,（4）当t1t2，,结论：(1)就提高传热推动力而言，逆流优于并流。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。,（3）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。,（4）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，不论何种流动形式，只要进出口温度相同，平均温度就相等。,三、总传热系数,如何确定K值，是传热过程计算中的重要问题。,热流体固体壁面一侧固体壁面一侧另一侧固体壁面另一侧冷流体,管内对流:,管外对流：,管壁热传导：,对于稳态传热,式中K总传热系数，W/(m2K)。,总热阻,总推动力,讨论：（1）当传热面为平面时，dA=dA1=dA2=dAm,（2）以外表面为基准(dA=dA1):,K1以换热管的外表面为基准的总传热系数；dm换热管的对数平均直径。,（4）以壁表面为基准：,（3）以内表面为基准：,近似用平壁计算,（5）污垢热阻,式中R1、R2传热面两侧的污垢热阻，m2K/W。,污垢热阻Rd的倒数称为污垢系数（dirtyfactor）,（6）平壁与薄管的总传热系数计算,当传热壁为平壁或薄壁管时，,当传热壁热阻很小，可忽略，且流体清洁，污垢热阻液可忽略时，则：,（7）换热器中总传热系数的经验值,例题：,有一套管式换热器，传热管为25mm2.5mm钢管。CO2气体在管内流动，对流传热系数为40W/(m2),冷却水在传热管外流动，对流传热系数为3000W/(m2)。试求：（1）总传热系数；（2）若管内CO2气体的对流传热系数增大一倍，总传热系数会增加多少？若管外水的对流传热系数增加一倍，总传热系数会增加多少？,四、壁温的计算,稳态传热,1大，即b/Am小，热阻小，tW=TW,结论：壁温总接近于大的一侧流体的温度,2当tW=TW,有一碳钢制造的套管换热器，其内管直径为89mm3.5mm，流量为2000kg/h的苯在内管中从80冷却到50。冷却水在环隙从15升到35。苯的对流传热系数1230W/(m2)，水的对流传热系数2290W/(m2)。忽略污垢热阻。试求：（1）冷却水用量；（2）并流和逆流操作时所需传热面积；（3）如果逆流操作时采用的传热面积与并流时的相同，并且热流体的出口温度不变，计算冷却水出口温度与消耗量，假设总传热系数随温度的变化忽略不计。,例题,有一单管程的列管式换热器，其规格如下：管径为25mm2.5mm，管长为3m，管数为37根。今拟采用此换热器冷凝并冷却CS2的饱和蒸气，自饱和温度46冷却到10。CS2在管外冷凝，其流量为300kg/h，比汽化热为350kJ/kg。冷却水在管内，进口温度为5，出口温度为32。逆流流