4.4 传热过程计算ppt课件

4.4传热过程计算,传热过程计算,设计计算,操作型计算(校核计算),根据生产要求的热负荷,确定换热器的面积,对已定的换热器进行校核计算,如传热量,流量,温度.,一、热量衡算二、总传热速率方程和总传热系数三、传热平均温度差四、壁温的计算五、传热面积的计算六、传热效率传热单元数法,第4节传热过程计算,或用后面所讲的,第4节传热过程计算,一、热量衡算,假设间壁式换热器绝热良好，热损失可以忽略时：,（A）热负荷的计算有以下三种方法：（1）焓差法利用流体换热前、后焓值的变化计算热负荷的计算式如下：或式中热负荷，W；热、冷流体的质量流量，kg/s；热流体进、出口的焓，J/kg；冷流体进、出口的焓，J/kg。焓的数值决定于流体的物态和温度。,4-30a,（C）载热体的选用（易控温、不分解、便宜、毒性小）若要加热一种冷流体，同时又要冷却另一种热流体，只要两者温度变化的要求能够达到，就应尽可能让这两股流体进行换热。利用生产过程中流体自身的热交换，充分回收热能。但是当工艺换热条件不能满足要求时，就需要采用外来的载热体与工艺流体进行热交换。,二、总传热速率方程,热传导和对流传热速率方程计算时,需要知道壁温,要求联立求解解决方法：直接使用已知的热，冷流体温度进行计算。,这种以两流体温度差为传热推动力的传热速率方程，称为总传热速率方程,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,具体推导如下：,首先是总传热速率微分方程：,（3）管内对流,（1）管外对流,（2）管壁热传导,对于稳定传热,局部总传热系数,所选截面上热流体的平均温度,4-34：总传热速率微分方程式！,所选截面上冷流体的平均温度,通过dS面积上的传热速率为：,其次是：总传热速率方程,式中K平均总传热系数；tm平均温度差。,总传热速率方程（4-43）,一定要记住：总传热系数必须和所选择的传热面积相对应：,在工程计算中，K一般是指基于外表面的总传热系数,4-35,总传热系数的计算：,总传热系数K,（4-39）,掌握!,如何由右式推导出左式,4-39a:,4-39b:,4-40:,如何记该些公式呢?,总传热系数K,常见的列管式换热器的传热系数经验值的大致范围:(P229,表4-6),由表可见，值变化范围很大，化工技术人员应对不同类型流体间换热时的值有一数量级概念。设计时可根据实际情况选取中间的某一数值.,当有污垢热阻时的总传热系数K,污垢热阻实际生产中的换热设备，因长期使用在固体壁面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，使传热系数降低。,常见流体的污垢热阻,当有污垢热阻时的总传热系数K的计算：,基于管外表面积的总传热系数K为：,（4-41）,提高总传热系数的途径:,（oi）,（io）,（4-42）,提高总传热系数的途径:,总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制；,要提高K，关键要提高对流传热系数较小一侧的。,例4-4：某管壳式换热器由25mm2.5mm的钢管组成。热空气流经管程，冷却水在管间与空气呈逆流流动。已知：管内侧空气的对流传热系数i=50W/（m2C）；管外侧水的对流传热系数o=1000W/（m2C）；钢的导热系数=45W/（mC）；求:(1)不考虑污垢热阻时，基于管外表面积的总传热系数Ko；(2)考虑污垢热阻时的，基于管外表面积的总传热系数Ko；(3)考虑污垢热阻时的，按平壁计算的总传热系数Ko。,解:读懂题目的意思，画出示意图。,根据题意选用公式（基于管外表面积）,根据已知的数据，代入公式求解。,小结：,总传热速率微分方程,通过dS面积上的传热速率为：,局部总传热系数,所选截面上热流体的平均温度,所选截面上冷流体的平均温度,(4-35):,总传热系数K,(4-41):,三、传热平均温度差tm,(4-34),(4-44),当恒温传热时：传热温度差不随位置而变的传热,4-43（P229）,（1）逆流和并流时的tm,并流,逆流,变温传热时平均温差tm计算:,画出示意，同侧相减，大减小！取大者为t2,当t2/t12，则可用算术平均值代替；,当t1t2,画出示意，同侧相减，大减小！取大者为t2,解：（1）逆流：画出示意图：,243,155,145,128,98,27,即：t2=98C；t1=27C,（2）并流：画出示意图：,243,155,128,145,115,10,即：t2=115C；t1=10C,习题4-7的讲解P290,根据题意选用公式,列出已知，求未知项。,解：读题意，画出示意图,：逆流时的平均温度差,（2）错流、折流时的,图4-19对数平均温度差校正系数,（a）单壳程,图4-19对数平均温度差校正系数,（b）二壳程,图4-19对数平均温度差校正系数,（c）三壳程,图4-19对数平均温度差校正系数,（d）四壳程,图4-20对数平均温度差校正系数,（e）错流,（3）不同流动型式的比较：,a）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。b）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。,c）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t0.9，至少不能使t0.8。否则应另选其他流动型式，以提高t。,四、壁温的计算（P261）,稳态传热,1）大，即b/Sm小，热阻小，tW=TW,TW接近于T，即大热阻小,接近流体的温度。,3）两侧有污垢,2）当tW=TW，得,已知：管内、外流体的平均温度T、t，忽略管壁热阻求：壁温tW方法：试差法步骤：,假设tW,求管内、外的i、0,核算tW,例4-18：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12000W/(m2)及1100W/(m2)。管内、外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005(m2)/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。,五、传热面积的计算（P235）,1传热系数K为常数,其中：,2传热系数K为变数,积分：,不能用解析法求解时，可采用数值积分、图解积分或分段计算的方法。将每段中的物性、传热系数Kj视为常量，分段计算传热温差tmj和相应的热流量Qj及传热面积Sj，,或,总传热面积：,作业：P290：6P291：12、13,1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。,换热器中热、冷流体各自温度变化理论上最大的温差：,六、传热效率传热单元数法（P238,自学）,11.9,由:,知:最大可能传热量应为Wcp值较小的流体在最大温度变化下传递的热量，,即,式中最小热容量流率,若,则,若,则,2传热单元数NTU（NumberofTransferUnits）,由:,则,假定为常数，,得:,令传热单元长度，m,传热单元数,(NTU)c：基于冷流体的传热单元数,所以,当时,，即,由,所以，传热单元长度是温度变化与该段换热器内的平均推动力相等时的换热器长度。,得,传热系数K愈大，即热阻愈小，传热单元长度愈小。换热时所需要的传热面积也愈小。换热器的长度（对于一定的管径）等于传热单元数和传热单元长度的乘积。一个传热单元可视为换热器的一段。,传热单元数的含义：（1）对于已知的换热器,利用处理的物料而言，它表示该换热器的换热能力的大小。K与A大，表示换热器的能力大，可完成更高的换热要求。（2）对已知流体的换热器而言，它表示换热要求的高低与换热的难易程度。换热要求高，即流体进出口的温差大；传热的推动力小，换热所