化工原理 第五章 传热过程计算和换热器ppt课件

1.第5章传热过程和换热器计算，5.1传热过程分析，5.2传热过程基本方程，5.3传热过程平均温差计算，5.4传热效率和传热单元数计算，5.5传热系数设计和运行问题计算，5.6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， 热流体和冷流体通过分隔壁进行热交换的传热过程分为三个步骤：图5-1流体通过分隔壁的热交换，(1)热流体通过对流的传热，(2)热量通过热传导从分隔壁的热侧传递到冷侧； (3)冷流体通过对流传热带走隔墙的热量。图5-1还显示了沿传热方向从热流体到冷流体的温度分布。3，5.2传热过程基本方程，5.2.1热平衡方程，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热平衡方程，反映了传热过程中冷、热流体温度变化之间的相关性。根据能量守恒原理，如果在传热过程中忽略热损失，单位时间内热流体释放的热量等于冷流体吸收的热量。对于整个换热器，热平衡公式如下：图5-2为稳态逆流双管换热器，热流体流经管，冷流体流经环形间隙。其中q是整个热交换器的传热率，或热交换器的热负荷，w；h代表单位质量流体的焓值，kJ/kg；下标1和2分别表示流体的入口和出口。图5-2双管换热器的传热过程，热平衡方程5 . 5 . 2 . 1，对于换热器的微元部分，传热面积为dA，满足冷、热流体之间的传热，其中m为冷、热流体的质量流量，kg/s；DH代表每单位质量流体的焓增量，单位为千焦/千克；DQ是微元传热面积dA上的传热率，w下标h和c分别表示热流体和冷流体。如果热交换器中存在热损失，热交换器中的热传递速率为，其中q h是热流体向环境的热耗散，w；QC是冷流体向环境的散热量，w，6，5.2.2传热率方程，如前图5-2所示，在换热器中，任何微元段dl对应于隔墙的微元传热面积dAo，热流体向冷流体的传热率可表示为，微分传热率方程，其中k代表局部传热系数w/(m2)；Th和tc分别是热流体和冷流体的局部平均温度，。(5-1)，7，5.2.2传热率方程，从传热阻力的概念出发，传热率方程也可以写成，其中R=1/KA是换热器的总传热阻力，/w，其中k代表总平均传热系数，称为总传热系数或传热系数，w/(m2)；a是热交换器的总传热面积；Dtm代表冷、热流体之间的平均传热温差，。对于整个换热器，传热速率方程可写成(5-1a)，8，5.2.3总传热系数和壁温的计算，1。总传热系数的计算，以及图5-2双管换热器的传热过程。如图5-2所示，两种流体被布置成通过分隔壁进行热交换。在热交换器中，选择任何微型元件段dl，并且分隔壁内外的传热面积分别为dAi和dAo。壁的导热系数为l，壁厚为b，内外流体的温度分别为th和tc，对流换热系数分别为ai和ao。隔墙内外的温度分别为twh和twc。根据牛顿冷却定律和傅立叶定律，计算了内侧、分隔壁、外侧、(5-2a)、(5-2b)、(5-2c)、9、5.2.3的总传热系数和壁温。在稳态条件下，(5-3)，热交换器总传热面积上的传热率w可以，如总传热系数Ki对应于Ai，11，5.2.3和壁温。对于内径和外径分别为di和do、长度为L的圆管，总传热系数Ko也可表示为，其中dm表示管壁的平均直径，m。在工程中，圆管的外表面通常作为传热过程中传热面积的计算基础。对于厚度为b的平壁，总传热系数k可表示为，12，5.2.3。计算了总传热系数和壁温。2.污垢热阻。如果隔墙内外两侧的污垢热阻分别用Rsi和Rso表示，总传热热阻可表示为，根据串联热阻的叠加原理，工业上常用流体的污垢热阻的近似范围为0.910-4 17.610-4 (m2k)/w，13，5.2.3总传热系数和壁温的计算，3。换热器总传热系数的范围在计算换热器的传热时，通常需要先估算传热系数。表5-1列出了普通管式换热器传热系数的一般经验值范围。14、5.2.3总传热系数和壁温的计算，4。壁温的计算，在选择换热器的类型和材料时，应知道隔墙的壁温。根据公式(5-2a)，可以写出热流体侧的壁温计算公式。从公式(5-2b)和公式(5-2c)还可以写出冷流体侧的壁温计算公式，上述关系式表明，当隔墙的传热系数较大时，可以认为隔墙两侧的壁温大致相等，隔墙的温度接近对流传热系数较大一侧的温度。15、5.2.3总传热系数和壁温的计算，例5-1-空气冷却器，空气横向流过管道外壁，对流传热系数ao=100W/(m2)。冷却水流入管道，ai=6000W瓦/(平方米)。冷却水管为f252.5mm钢管，导热系数l=45W/(m)。试着找出(1)这种情况下的总传热系数；(2)如果管外空气侧的对流传热系数加倍，而其他条件保持不变，总传热系数的变化是什么？(3)如果管道冷却水侧的对流传热系数增加一倍，其他条件保持不变，总传热系数的变化是什么？16、5.2.3总传热系数和壁温的计算。讨论表明，通过增强空气侧的对流传热而增加的总传热系数比冷却水侧的显著得多。因此，为了提高特定传热过程的总传热系数，有必要首先比较传热过程中各环节的局部热阻，并加强局部热阻最大的环节，从而显著提高总传热系数。17，5.3传热过程中平均温差的计算，1。恒温差传热。在热交换器中，当分隔壁两侧的流体发生相变时，两种流体的温度将分别保持不变。这种传热称为恒温差传热。在恒温差热传递中，由于两种流体之间的温差在任何地方都相等，所以热传递过程中的平均温差是经历相变的两种流体的饱和温度之差。2.变温差传热。如果在分隔壁的传热过程中流体的一侧没有相变，则流体的温度沿着流动方向变化，并且传热温差也随着流体的流动位置而变化。这种情况下的传热称为变温差传热。在变温差传热的情况下，传热过程中平均温差的计算方法与流体的流动方式有关。18，5.3 hea中平均温差的计算传热过程中的平均温差为19，5.3，通过将微量元素面积dA的传热量代入方程(5-6 1)TM获得：(5-6)，即比较方程(5-9)和上述方程，可以获得平均传热温差的表达式，并且传热过程中的平均温差为21，5.3，通过在整个传热面积a上积分上述方程获得， 即传热过程中平均温差的计算为20，5.3，即，通过将上述方程代入方程(5-6)、(5-6)，即比较方程(5-9)和上述方程，得到平均传热的表达式(4)当t1=T2时，(2)通常将较大的温差记录为t1，将较小的温差记录为T2；3)当t1/t22时，TM可以用算术平均值代替；工程计算可接受4%的误差。即：22，5.3传热过程平均温差的计算；2.错流和折流之间的传热温差，如图P255和图5-4所示，根据冷、热流体的相对流向，流体相互垂直交叉流动，称为错流；如果一种流体只朝一个方向流动，而另一种流体被反复阻挡，则两侧流体之间的顺流和逆流交替进行，这称为简单阻挡。23、5.3传热过程平均温差的计算通常采用图形算法，分为三个步骤：(1)首先根据逆流计算对数平均温差Tm的倒数；(2)计算平均温差修正系数；计算平均传热温差：平均温差修正系数为1，这是由于管式换热器中增加了折流板和采用了多管程，使得换热的冷、热流体在换热器中被折流或错流，导致纯逆流时实际平均传热温差低于传热温差。24、5.3传热过程中平均温差的计算，3。比较不同的流量布置方式，当入口和出口温度条件相同时，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，而对于其他流量布置方式，平均温差介于两者之间。在实际换热器中，应尽可能采用逆流，以避免平行流动。然而，平行流仍然在一些特殊情况下使用，以满足特定生产过程的需要。使用挡板和其他复杂流动的目的是提高传热系数，但成本是降低平均传热温差。25，5.4传热效率和传热单元数量，1。传热效率，热交换器传热效率e被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小，则传热效率e是，如果冷流体的热容量小，则传热效率e是，26，5.4传热效率和传热单元的数量， 如果热交换器的传热效率e是已知的，热交换器的传热速率q可以根据冷、热流体的入口温度确定，即，2。 传热单元的数量。在换热器的微元传热面积dA上，可以得到热平衡方程和传热率方程。对于冷流体，传热效率和传热单元的数量满足、27、5.4的要求。当传热系数k和比热cpc不变时，可以得到积分公式，其中NTUc(NumberofTransferUnit)称为冷流体的传热单元数，Dtm为热交换器的对数平均温差。同样，基于热流体的传热单元的数量可以被表示。在热交换器中，传热单元的数量定义为28，5.4传热效率和传热单元的数量。3.传热效率与传热单元数的关系如下：逆流式换热器，热流体的热容量小，冷流体的热容量小，因此，上述两者之间的关系为1.设计型计算。对于设计型计算，可采用对数平均温差法或传热效率-传热单元数法、LMTD法、31，5.5换热器计算的设计型和运行型问题。根据已知的三个末端温度，通过热平衡方程计算另一个末端温度。(2)根据选定的热交换器类型计算传热系数k；(3)根据规定的冷、热流体的入口和出口温度计算参数p和r；(4)从计算的p和r值和流动布置模式以及从j-p和r曲线确定温度校正系数j；由热平衡方程计算传热率Q，计算对数平均温差Dtm与最终温度成逆流；根据传热速率方程计算传热面积。对于换热器计算的设计和运行问题，e-NTU方法1。根据已知的三个末端温度，从热平衡方程计算另一个末端温度。2.根据选定的热交换器类型计算传热系数K；3.根据规定的冷、热流体入口和出口温度计算参数E和Cr；4.NTU是由计算的当量和当量比值确定的。从所选的流型中检查E-NTU图。NTU可能需要通过NTU关系反复计算；5.计算所需的传热面积。33、5.5换热器计算的设计和运行问题，例5-2在管式换热器中，苯以1.25公斤/秒的流量在换热器的管内流动，并从80冷却到30；冷却水在管道之间与苯逆流流动。冷却水入口温度为20，出口温度不超过50。如果已知热交换器的传热系数为470瓦/(平方米)，苯的平均比热为1900焦耳/(公斤)。如果忽略换热器的热损失，则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的传热面积。34、5.5换热器的设计和运行问题计算，2。运行计算，对于换热器的运行计算，其特点是给出了换热器，计算类型主要有以下两种，对于指定的换热任务，检查给定的换热器是否适用。(2)对于给定的热交换器，当某一操作条件改变时，调查冷、热流体的传热速率和出口温度的变化；或达到规定工艺条件所需的调整措施。35，5.5换热器计算的设计和操作问题。对于运行计算，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，传热系数K由已知的换热器类型计算得出；(2) NTU和铬是根据已知条件计算的；(3)通过计算公式或计算图，由计算出的NTU值和相对湿度值以及流量布置方式确定E；(4)出口温度通过计算一侧流体的传热率和热平衡方程或以下两个公式计算得出，36，5.5换热器计算的设计和运行问题，LMTD法，假设出口温度，另一出口温度根据热平衡方程计算；(2)根据已知的热交换器类型计算传热系数k；(3)计算逆流平均温差Dtm；(4)根据流动布置模式从p和r的值以及从j-p和r曲线确定j；(5)通过计算传热率；通过热平衡方程，根据已知的传热速率q和(mccpc)、(mchph)计算出口温度；比较第一步中假设的出口温度。如果不一致，将重复计算，直到出口温度的计算值与假设值之间的偏差满足精度要求。对于换热器计算的设计和运行问题，例5-3使用锅炉给水来冷却管式换热器中的原油。据了解，换热器传热面积为100m2，原油流量为8.33kg/s，温度要求从150降低到65。锅炉给水流量为9.17公斤/秒，入口温度为35；原油当高粘度流体被加热或冷却时，或者当流体的入口和出口处的温度变化很大时，流体的物理性质变化很大。当物理性质和传热系数K作为常数处理时，传热过程的计算会产生较大的误差。(1)减少此误差的最简单方法是假设传热系数K与传热温差成线性关系。传热率可表示为，39，5.6传热过程中