协会版注册化工第四章-传热过程

1、4 传热过程传热过程 1 概述概述 1.1 传热目的传热目的 加热、冷却物料加热、冷却物料 回收热量或冷量回收热量或冷量 设法促进传热设法促进传热 保温，减少热量或冷量损失保温，减少热量或冷量损失 设法阻止传热设法阻止传热 传热还溶于其它单元操作传热还溶于其它单元操作 如蒸发，精馏如蒸发，精馏 1.2传热机理传热机理 传导传导分子热运动分子热运动(自由电子迁移自由电子迁移) 接触接触 对流对流流体宏观迁移引起载热流体宏观迁移引起载热 接触接触 辐射辐射电磁波电磁波 不接触不接触 热水瓶为什么能保温？热水瓶为什么能保温？ 1.3冷热流体接触方式冷热流体接触方式 蓄热式蓄热式 直接接触式直接接触式

2、 间壁式间壁式 1.4 化工常用载热体化工常用载热体 加热最常用水蒸汽加热最常用水蒸汽 (锅炉房锅炉房)常用工业锅炉常用工业锅炉p液体液体气体气体 n t q 2.2 单层平壁导热单层平壁导热 解决：解决：温度分布温度分布 热流量热流量 条件：条件：定态定态 一维一维(横向导热不计横向导热不计) 分析：分析：取控制体取控制体 作热量衡算：作热量衡算： 进进=出出+累积累积 定态：累积定态：累积=0， Q1=Q 结合特征方程解析解结合特征方程解析解 =常数时常数时 积分积分 温度分布温度分布 线性线性, dx dt q A Q t t x dtdx A Q 1 0 x A Q tt 1 21 t

3、t AQ 或或 工程处理方法工程处理方法 多层平壁导热多层平壁导热 条件：定态一维串联过程，速率一致条件：定态一维串联过程，速率一致 结果：温差按热阻大小分配结果：温差按热阻大小分配 R t A tt Q / 21 阻力阻力 推动力推动力 过程速率过程速率 21 21 2 2 1 1 RR tt R t R t Q 例例1 已知：两层平壁已知：两层平壁1=1.4W/m, 1=100mm,2=0.14W/m, 2=200mm, t1=650, t3=50。 求：两壁接触处的温度求：两壁接触处的温度t2。 解：先定性分析，哪个斜率大解：先定性分析，哪个斜率大 热流密度热流密度 由由 得得 2 2

4、1 1 31 tt A Q q 2 /400 14. 0 2 . 0 4 . 1 1 . 0 50650 mW 22 32 / tt q 621 14. 0 2 . 0 40050 2 2 32 qtt 2.3 圆筒壁导热圆筒壁导热 分析：分析：取控制体取控制体 作热量衡算作热量衡算 定态：定态：Q入 入=Q出出 即：即： Q=qA=qA 一维传热：一维传热： 写成通式：写成通式： 其中：其中： )2(rL dr dt Q 2 1 2 12 t t r r dt r dr L Q 12 1212 21 12 21 2 /ln /ln 2 rrL rrrr tt rr ttL Q 阻阻力力 推推

5、动动力力 R t A tt Q m / 21 12 12 /lnAA AA Am 2.4 球壳导热球壳导热 通式通式 dr dt rQ 2 4 2 1 2 1 4 2 t t r r dt r dr Q 12 2121 21 21 )(4 11 )(4 rr ttrr rr tt Q 2121 4AArrA m 12 rr m A t Q / 2.5 多层壁传热多层壁传热 含义：含义： 条件：无接触热阻条件：无接触热阻 33 3 43 22 2 32 11 1 21 mmm A tt A tt A tt Q 33 3 22 2 11 1 41 mmm AAA tt 某层热阻某层热阻 某层推动力

6、某层推动力 总热阻总热阻 总推动力总推动力 速率速率 接触热阻：接触热阻： 因接触界面不可能理想光滑而造成的额外热阻因接触界面不可能理想光滑而造成的额外热阻 影响因素：界面粗糙度，影响因素：界面粗糙度， 压紧力，压紧力， 空隙中的气压空隙中的气压 计算上有困难，数据少，但概念很重要计算上有困难，数据少，但概念很重要 A C 1 多层圆筒壁导热多层圆筒壁导热 思考题：温度分布？思考题：温度分布？ 2 3 21 2 1 31 ln 2 1 ln 2 1 r r lr r l tt Q 例例2 在蒸汽管道外包两层同样厚度的保温材料在蒸汽管道外包两层同样厚度的保温材料 12, 应将哪层包在里面？应将哪

7、层包在里面？ 解：解： , 两种情况传热量不同，比较两种情况传热量不同，比较Q1与与Q2，取小的。，取小的。 比较分母比较分母 12, 所以所以Q1q静止静止 yyy qq 3.2 两种对流形式两种对流形式 自然对流与强制对流自然对流与强制对流 1. 自然对流自然对流: 由于流体内部温度不同由于流体内部温度不同,引起引起 密度不同而导致宏观流动密度不同而导致宏观流动 加热面主体加热面主体t,热流体上升热流体上升 p=gL, =t, 膨胀系数膨胀系数 , u 自然对流的冷源、热源应放在恰当的位置自然对流的冷源、热源应放在恰当的位置 2强制对流强制对流 在外力或在外力或p作用下引起流动作用下引起流

8、动 tgL p tgL p 2 2 自然对流的冷源、热源应放在恰当的位置自然对流的冷源、热源应放在恰当的位置 3.3 对流给热过程的数学描述对流给热过程的数学描述 1牛顿冷却定律牛顿冷却定律 其中：其中：TW: 壁温；壁温；T: 流体主体温度；流体主体温度； ：传热膜系数：传热膜系数 W/m2 工程处理方法工程处理方法分离变量法分离变量法 便于分解组合传热系数便于分解组合传热系数K )(TTq w )()( 21 tt tT TTq W WW W 21 /1/1 tttTTT q WWWW )(tTKq 将总过程将总过程(K的确定的确定) 分解成几个子过程分解成几个子过程 例如：在确定例如：在

9、确定K的过程中的过程中,冷热流体各有冷热流体各有 10种情况种情况, K有有100种种 为强化传热提供依据为强化传热提供依据 强化传热应从哪一侧着手强化传热应从哪一侧着手 存在问题存在问题: 中仍有中仍有T影响影响 仍要实验解决仍要实验解决 2的影响因素的影响因素 物性：物性：, , Cp, 设备因素设备因素(定性尺寸定性尺寸)：l 流动因素：强制对流：流动因素：强制对流：u 自然对流：自然对流： gt =f (, , , l, u, gt, Cp) 基本量纲基本量纲4个个(M,L,T,)，变量，变量8个，个， 无量纲准数无量纲准数=8-4=4，即，即 Nu=f(Re, Pr, Gr) 强制对

10、流强制对流Nu=f(Re, Pr); 自然对流自然对流Nu=f(Gr, Pr) ),( 2 23 tlgCplu f l 物理意义：物理意义： 表征与纯导热相比表征与纯导热相比,对流给热系数对流给热系数 增大的倍数增大的倍数 Gr由由u 得得 表征自然对流的流动状况表征自然对流的流动状况 Pr反映物性对给热过程的影响反映物性对给热过程的影响 l Nu / tgL 2 2 222 Re lu Gr n 3. 定性温度定性温度 两种：两种：膜温膜温 较本质，但使用不便较本质，但使用不便 主体平均温度主体平均温度 使用方便使用方便 4.定性尺寸定性尺寸 管内强制流动管内强制流动 d 管外自然对流管外

11、自然对流 水平放水平放d 垂直放垂直放L 2 ttW 2 21 tt 如何实验测定如何实验测定 dQ=qdA=(tW-t)ddL=qmCpdt 积分后得积分后得 Q=tmdL=qmCp(t2-t1) 通过测量通过测量 tW1, tW2, t1, t2, qm 就可以求得就可以求得 11 22 1122 ln )()( tt tt tttt t W W WW m 3.4 无相变对流无相变对流经验关联式经验关联式 1. 圆形直管内强制湍流圆形直管内强制湍流 Nu=0.023Re0.8Prb b=0.4流体被加热流体被加热, b=0.3流体被冷却流体被冷却 或或 1)经验关联式应用时要注意：经验关联

12、式应用时要注意： 适用范围适用范围: Re104, 0.7Pr160, 3040 定性温度：主体平均温度定性温度：主体平均温度 或或 特性尺寸特性尺寸:管径管径 d b d PrRe023. 0 8 . 0 湍湍 )( 2 1 21 TT )( 2 1 21 tt 影响因素分析：影响因素分析： 而而 hf 空气空气 Pr=0.7 b Prb 水水 Pr=7 b Prb 2 . 0 8 . 0 d u 5 2 d qV 8 . 1 8 . 0 d qV d u 2 2) 应用范围的拓宽应用范围的拓宽 a. 高粘度修正高粘度修正 工程处理工程处理 加热加热 , 冷却冷却 b2000Re104过渡区

13、过渡区 过 过=f湍湍 校正系数校正系数 过 过湍湍 c非圆形管非圆形管 , 14. 033. 08 . 0 )()()(027. 0 w Cpdu d 05. 1)( 14. 0 w 95. 0)( 14. 0 w 8 . 1 5 Re 106 1 f be e ud d Pr(023. 0 8 . 0 ） 实实 浸润周边浸润周边 流通面积流通面积 4 e d 3) 列管式换热器壳程传热膜系数列管式换热器壳程传热膜系数 加热加热 , 冷却冷却 正方形排列正方形排列 三角形排列三角形排列 t管中心距管中心距 14. 033. 055. 0 )()()(36. 0 w e e Cpud d 05

14、. 1)( 14. 0 w 95. 0)( 14. 0 w 0 2 0 2 ) 4 (4 d d t de 0 2 0 2 ) 42 3 (4 d d t de 2大容积自然对流大容积自然对流 Nu=A(GrPr)b 应用注意：应用注意： 定性温度：膜温定性温度：膜温 定性尺寸：垂直方向定性尺寸：垂直方向 A, b 值又与值又与(GrPr)有关。有关。 自动模化区自动模化区 与与L大小无关大小无关 讨论题：讨论题： 春天的温度分布曲线？春天的温度分布曲线？ 加一保温层后的温度分布？加一保温层后的温度分布？ 讨论题：讨论题： 春天的温度分布曲线？春天的温度分布曲线？ 加一保温层后的温度分布？加一

15、保温层后的温度分布？ 通常通常的大小顺序：的大小顺序： W/m2 气气,自然对流自然对流 510 气气,强制对流强制对流 10100 液液,自然对流自然对流 501000 液液,强制对流强制对流 500104 蒸汽冷凝蒸汽冷凝 1033104 液体沸腾液体沸腾 1036104 例例1 用饱和水蒸气加热空气用饱和水蒸气加热空气, 内壁温度内壁温度tW=140,内内 管内径管内径60mm, 流量流量qm=0.129kg/s。 求：求：传热面积传热面积A; 若空气流量加倍若空气流量加倍, t2仍为原要求仍为原要求, 则则A=? 解：解：在在100下下,查得查得=0.022mPas, Cp=1.01k

16、J/kg, =0.0321W/m 与与0.7相差不多相差不多 =122W/m2 smkg d q G m 2 2 2 /45 06. 0785. 0 129. 0 4 5 3 1019. 1 10022. 0 4506. 0 Re dG 69. 0 1021. 3 102 . 21010 Pr 2 5 p C 4 . 08 . 0 PrRe023. 0 d 4 . 08 . 05 69. 0)1019. 1( 06. 0 0321. 0 023. 0 t1=60, t2=20 , tm=36.4 当当qm=2qm A=1.35m2 212 17. 1 )( m t ttCq t Q A m p

17、m m 8 . 0 8 . 0 2 u u A t ttCq A m pm2 . 0 8 . 0 12 2 2 )(2 4.1 冷凝给热冷凝给热 1.膜状冷凝与滴状冷凝膜状冷凝与滴状冷凝 滴状 滴状约为 约为膜状 膜状的 的10倍倍 工业上滴状工业上滴状不能持久不能持久，安全起见，按，安全起见，按膜状 膜状计 计 2.垂直壁液膜层流的平均垂直壁液膜层流的平均冷凝 冷凝 WM:单位宽度冷凝量单位宽度冷凝量 热衡算热衡算 Q=WMBr=LB(tS-tW) 力平衡力平衡 取取 , 即即 实验测定：实验测定：C , r ttL W ws M )( 3 32 g WM c 3 )( 3 3232 c M

18、 gg r tL W 4 1 32 tL gr c 4 1 32 13. 1 tL gr 垂直垂直 3.水平圆管外液膜层流的水平圆管外液膜层流的冷凝 冷凝： ： 影响因素分析：影响因素分析： 物性是蒸汽的还是凝液的物性是蒸汽的还是凝液的 t对对有什么影响？有什么影响？r, , L的影响？的影响？ 应用注意：应用注意： ReCpt, qm1TS无相变对流无相变对流 当当TW5.9时时, 水平 水平垂直垂直 管排斜放更好管排斜放更好 避免避免 4 1 )(64. 0 0 d L 垂直垂直 水平水平 3.混合物冷凝混合物冷凝 1)多组分混合物全部冷凝；多组分混合物全部冷凝； 2)全部组分是可凝的，现

19、部分冷凝，未凝组分可全部组分是可凝的，现部分冷凝，未凝组分可 在凝液中部分溶解；在凝液中部分溶解； 3)从不凝性气体中冷凝可凝组分，气体不溶解于从不凝性气体中冷凝可凝组分，气体不溶解于 凝液中。凝液中。 混合物冷凝特点：混合物冷凝特点： a)沿程露点是变化的；沿程露点是变化的； b)蒸汽冷却至露点有显热传递，冷凝液也有显热蒸汽冷却至露点有显热传递，冷凝液也有显热 传递，显热传热系数比相变传热系数小得多；传递，显热传热系数比相变传热系数小得多； c)蒸汽和液体组成沿程变化，物性变化；蒸汽和液体组成沿程变化，物性变化； d)重组分须扩散通过较轻组分到达冷凝面。重组分须扩散通过较轻组分到达冷凝面。

20、混合物冷凝传热膜系数混合物冷凝传热膜系数 1)和和2)情况：情况： 按单组份关联式计算，物性按平均组成算，再乘按单组份关联式计算，物性按平均组成算，再乘 以以0.65系数；系数； 3)情况：情况： cg平均传热膜系数；平均传热膜系数； c平均凝液组成和全部凝液负荷下，平均凝液组成和全部凝液负荷下， 按单组分关联式计算的传热膜系数；按单组分关联式计算的传热膜系数； g平均气体传热膜系数；平均气体传热膜系数； Qg气体全部显热传热量；气体全部显热传热量； Qt总传热量；总传热量； gt g ccg Q Q 111 4.2 沸腾给热沸腾给热 沸腾按加热面分类：大容积沸腾沸腾按加热面分类：大容积沸腾(

21、池内沸腾池内沸腾) 管内沸腾管内沸腾(气液两相流动气液两相流动) 管内沸腾按主体温度分：管内沸腾按主体温度分： 过冷沸腾：液体主体温度过冷沸腾：液体主体温度pl, tts 液体温度要大于液体压强下的饱和温度液体温度要大于液体压强下的饱和温度 r pp lV 2 汽化核心汽化核心气泡生成之必须气泡生成之必须 同一粗糙表面同一粗糙表面,过热度越大过热度越大,汽化核心数越多汽化核心数越多 沸石的作用：提供汽化核心，防止暴沸沸石的作用：提供汽化核心，防止暴沸 2沸腾曲线沸腾曲线 3安全问题安全问题 恒恒q设备，设备，qcr特别重要特别重要 如电加热炉，喷油量一定的锅炉如电加热炉，喷油量一定的锅炉 4沸

22、腾过程的强化沸腾过程的强化 表面粗糙化，加入添加剂表面粗糙化，加入添加剂 例例1 若传热温差推动力增加一倍，试求下列条件若传热温差推动力增加一倍，试求下列条件 下传热速率是原来的多少倍？下传热速率是原来的多少倍？ 圆管内强制湍流；圆管内强制湍流； 大容积自然对流；大容积自然对流； 大容积饱和核状沸腾；大容积饱和核状沸腾； 蒸汽膜状冷凝蒸汽膜状冷凝(层流层流) 解：解： 与与t无关，无关， ， t2.5， ， 4 . 03 . 08 . 0 PrRe023. 0 d 2 t t q q 3 1 8 1 t 52. 218. 2 t t q q 3 .11 5 . 3 t t q q 4 1 t

23、68. 1 4 3 t t q q 5热辐射热辐射 过程特点：过程特点： T0 K的物体都辐射，温度越高越重要的物体都辐射，温度越高越重要 无须传递介质无须传递介质 工业背景：工业背景： 热电偶测温误差热电偶测温误差 TWTg时时,有测温误差有测温误差 Tg对流对流T, T辐射辐射TW, T2，则，则K2 强化传热须从强化传热须从小的一侧入手小的一侧入手 壁温计算：壁温计算： /0， TW=tW 结论：壁温总是接近结论：壁温总是接近值大的一边流体温度值大的一边流体温度 21 111 K )()( 21 ttTTq ww 例例1 值对值对K的影响的影响 无污垢时无污垢时, 1 2 K K/K原

24、原 20 500 19.2 1加倍加倍 40 500 37.0 1.93 2加倍加倍 20 1000 19.6 1.02 例例2 壶底温度壶底温度 为什么空壶时要烧坏？为什么空壶时要烧坏？ T=1000, t=100 tW(TW=tW)靠近哪个靠近哪个 温度温度(T、t) 21 111 K )()( 21 ttTTq ww 例例3 用蒸汽加热冷物料用蒸汽加热冷物料, 物料进口温度为物料进口温度为20,出口出口 温度为温度为50,蒸汽温度为蒸汽温度为140,物料一侧给热系数物料一侧给热系数 =1000W/m2,蒸汽一侧蒸汽一侧=104W/m2。 求：平均壁温求：平均壁温(金属壁热阻可忽略金属壁热

25、阻可忽略)。 解法解法1：物料进口处壁温：物料进口处壁温tW1,出口处壁温出口处壁温tW2, 由由 得得tW1=129.1, 由由 得得tW2=131.8, 平均壁温平均壁温tW=130.5 21 1 /1/1 /1 tT tT W 34 4 1 1010 10 20140 140 W t 34 4 2 1010 10 50140 140 W t 解法解法2：物料平均温度为：物料平均温度为 由由 ， 得得tW=130.5 实际换热中的酸露点问题实际换热中的酸露点问题 35 2 5020 t 34 4 1010 10 35140 140 W t 6.3 传热过程基本方程式传热过程基本方程式 对微

26、元体作衡算对微元体作衡算 结合过程特征方程结合过程特征方程 积分：积分：dA从从0A，d(T-t)从从T2-t1T1-t2 dtCqdTCqdQ pmpm2211 2211 11 pmpm CqCq dtdT 2211 11 )( )( pmpm CqCq tTd dAtTKdQ A pmpm dAK CqCq 0 2211 ) 11 ( 12 21 ln )(21 12tT tT tT tTd tT tT 逆流逆流 总热量衡算：总热量衡算： 传热基本方程式传热基本方程式 12 21 2211 ln 111 tT tT KACqCq pmpm )()( 21222111 ttCpqTTCpqQ

27、 mm 2211 1221 11 )()( pmpm CqCq ttTT m tKA tT tT KA tTtT 12 21 1221 ln 1 )()( 2 1 21 ln t t tt tm m tKAQ 主要影响因素：主要影响因素： K传热系数传热系数 A传热面积传热面积 tm对数平均推动力对数平均推动力 6.4 T,t的沿程变化规律和操作线的沿程变化规律和操作线 冷热流体均有相变化冷热流体均有相变化 一侧有相变一侧有相变,一侧无相变一侧无相变 tA曲线弯向的判别曲线弯向的判别 温差大斜率大温差大斜率大 dAtTKdtCqdQ pm )( 22 )( 22 tT Cq K dA dt p

28、m 2 1 21 ln t t tt tm 两侧均无相变化两侧均无相变化 操作线操作线表示同一截面表示同一截面T与与t关系关系 换热器段热量衡算的结果换热器段热量衡算的结果 操作线是直线操作线是直线, 斜率斜率 )()( 122211 ttCpqTTCpq mm )( 1 11 22 2 11 22 t Cq Cq Tt Cq Cq T pm pm pm pm 并流时并流时 , 111 tTt 222 tTt 2 1 21 ln t t tt tm m tKAQ 6.5 保温层的临界半径保温层的临界半径 问题：保温层是否无论问题：保温层是否无论大小都是增加热阻的？大小都是增加热阻的？ 平壁：平

29、壁： 越厚越厚,热阻越大热阻越大 圆管壁外：圆管壁外： ,d3, , 可能出现可能出现Rmin 21 1 1 11 )( tTA Q 32 1 2 31 1 2 1 1 1 1 ln 2 ln 2 1 )( d d d dd d dd tTLd Q 2 3 ln d d 3 1 d d 得得 小的材料包上去总是增加热阻的小的材料包上去总是增加热阻的 大的材料包上去可能会减小热阻大的材料包上去可能会减小热阻,增加热损失增加热损失 圆球壁外呢？圆球壁外呢？ 有类似的问题有类似的问题 0 )( 3 dd dR热阻 热阻 2 3 2 cr d 2 /4 cr d 例例1 某套管换热器用水冷却油，水流量

30、某套管换热器用水冷却油，水流量qm2=4000 kg/h，进口温度，进口温度t1=25，出口温度，出口温度t2=40，油进，油进 口温度口温度T1=110，出口温度，出口温度T2=75，逆流操作，逆流操作， 传热面积传热面积A=5m3。 求：传热系数求：传热系数K 解：解： t1=T1-t2=110-40=70 t2=T2-t1=75-25=50 )( 1222 ttCqQ pm kgJC p /4180 2 sJQ/107 .69)2540(4180 3600 4000 3 4 .59 50 70 ln 5070 m t KmW tA Q K m 2 3 /235 4 .595 107 .6

31、9 强化传热的途径强化传热的途径 加大面积加大面积A 提高流速提高流速, 增强湍动增强湍动, 提高提高 提高温差推动力提高温差推动力tm 例例2 热水空冷热水空冷 例例2 热水空冷热水空冷 2A2, KA 2211 2211 11 1 AA KAKA 关于关于tm 思考：思考： t1=t2时时, tm =？ 当当t1为有限值，为有限值， t2 0时，时，tm？ T1,T2,t1,t2一定时一定时,是按并流方式操作的是按并流方式操作的tm大还大还 是逆流的是逆流的tm大？大？ 当当t1+t2 =C时时, 两者越接近两者越接近, 平均值越大平均值越大 tm受小的一端温差影响大些受小的一端温差影响大

32、些 6.6 换热器的计算换热器的计算 热量衡算式热量衡算式 传热基本方程式传热基本方程式 变量：变量：Q,qm1,qm2,K,A,T1,T2,t1,t2 9个变量个变量,3个等式个等式,以热物料冷却为例以热物料冷却为例 设计型计算：已知：设计型计算：已知：qm1,T1,T2,t1,选选t2,K 求：求：qm2,Q,A 操作型计算：操作型计算：已知：已知：A,qm1,qm2,T1,t1,K 求：求：T2,t2, 已知：已知：A,qm1,T1,T2,t1,K 求：求：qm2,t2,(试差试差) )()( 12222111 ttCqTTCqQ pmpm m tKAQ 极限问题讨论：极限问题讨论： 逆

33、流时逆流时, A, 一定一定, T2=?, t2=? T2=t1?,t2=T1? qmCp为有限值为有限值, Q为有限值为有限值 Q=KAtm, 只能只能tm 0 当当 , t2max=T1 当当 , T2min=t1 当当 时呢？时呢？ 11 22 pm pm Cq Cq 1 11 22 pm pm Cq Cq 1 11 22 pm pm Cq Cq 1 11 22 pm pm Cq Cq 并流时并流时, A, 一定一定, T2=?, t2=? Q=KAtm, 只能只能tm 0 T2=t2 11 22 pm pm Cq Cq 2211 122111 22 pmpm pmpm CqCq tCq

34、TCq tT )()( 12222111 ttCqTTCq pmpm 复杂流动时的复杂流动时的tm, 如：单壳程如：单壳程, 双管程双管程 工程上处理工程上处理 tm =tm逆 逆 修正系数修正系数 设计时设计时 0.8,可可 认为流型不合适认为流型不合适 ),(),( 11 12 12 21 PRf tT tt tt TT f 传热单元法传热单元法有时便于问题分析有时便于问题分析 传热单元数传热单元数 ， 热容量流率比热容量流率比 ， 热效率热效率 ， 逆流时逆流时 , 01 由定义可得由定义可得 输出与输入为线性顺变关系输出与输入为线性顺变关系 11 1 pm Cq KA NTU 22 2

35、 pm Cq KA NTU 22 11 1 pm pm Cq Cq R 11 22 2 pm pm Cq Cq R 11 21 1 tT TT 11 12 2 tT tt )1( 1 )1( 1 11 11 1 RNTU RNTU eR e 11112 )1(tTT 12122 )1(tTt 设计计算中的选择设计计算中的选择 -依据：技术上可行依据：技术上可行, 经济上优化经济上优化 1.评价换热器好坏的主要指标：评价换热器好坏的主要指标：p, K 2.冷却水出口温度选择：冷却水出口温度选择： t2选大了选大了, 易结垢易结垢, tm小小, A, 设备费用大；设备费用大； t2选小了选小了,

36、qm2用量大用量大, 操作费用大。操作费用大。 经济上权衡定经济上权衡定t2。一般。一般tm 10。 3.t1的确定的确定,如用河水如用河水,冬天冬天t1低低,夏天夏天t1高高,取哪个？取哪个？ 4.选流向：逆流：选流向：逆流：tm大大,qm2用量小用量小, 温度范围宽；温度范围宽； 并流：壁温较均匀并流：壁温较均匀,出口温度出口温度t2不会过高不会过高,适合于热适合于热 敏性物料、高粘性液体敏性物料、高粘性液体 5. 选流速：选流速：K和和p的权衡的权衡. 例：单管程改双管程例：单管程改双管程 , 管程、壳程都尽量达到湍流管程、壳程都尽量达到湍流 6. 选结构：选结构： 固定管板式固定管板式

37、温差较小时用温差较小时用; 温差温差2000 )( 122 2 ttC Q q p m m tK Q A 估估 估估 b d PrRe023. 0 8 . 0 管内管内 3 1 55. 0 PrRe36. 0 e d 壳程壳程 K计算 计算，P P计算计算 是否是否 P P计算 计算 Q衡算衡算 Q能力能力有机液有机液 K有机液 有机液u0.8 , 得得t2=109.5 74. 12) ( 8 . 08 . 0 u u K K 2 1 21 1222 ln )()( )( tT tT tTtT KAttCq pm KA tT tT Cq pm 2 1 22 ln AK tT tT Cq pm

38、ln 2 1 22 74. 1 100130 80130 ln 130 80130 ln 2 K Kt 仍为单管程仍为单管程, K值不变值不变 得得T=153.6 相当于相当于426kPa(表表) 2 1 22 2 1 22 ln ln tT tT CqKA tT tT Cq pmpm 100130 80130 5 .109 80 T T 2 1 2 1 tT tT tT tT 例例2 一逆流套管换热器一逆流套管换热器,热空气走管内热空气走管内, 冷水走环隙，冷水走环隙， 热空气一侧传热阻力控制热空气一侧传热阻力控制, 冷、热流体进出口温度冷、热流体进出口温度 为为t1=30, t2=45,

39、T1=110, T2=80。 求：当热空气流量求：当热空气流量qm1加倍时，加倍时，T2, t2=? 思路：先解旧工况的数群思路：先解旧工况的数群 和和 的值，的值， 再用新工况的再用新工况的 和和 求求T2,t2。 11 22 pm pm Cq Cq 22pm Cq KA 11 22 pm pm Cq Cq 22pm Cq KA 解：解： 新工况：新工况：qm1=2qm1 2 3045 80110 11 22 pm pm Cq Cq )()( 12222111 ttCqTTCq pmpm )1(ln 11 22 2212 21 pm pm pm Cq Cq Cq KA tT tT )12(

40、3080 45110 ln 22 pm Cq KA 26. 0 22 pm Cq KA 1 2 2 2 11 22 11 22 pm pm pm pm Cq Cq Cq Cq K1qm10.8 因因 tm=T1-t2=T2 -t1 Q=qm2Cp2(t2-t1)=KA(T1-t2) , t2=55.1 T2=84.9 74. 12) ( 8 . 08 . 0 1 1 m m q q K K 46. 026. 074. 1 22 pm Cq AK )( 21 22 12 tT Cq AK tt pm )110(46. 030 22 tt )301 .55(110)( 12 11 22 12 tt

41、 Cq Cq TT pm pm 例例3 乙醇过冷冷凝乙醇过冷冷凝 已知：已知：r汽化 汽化,Cp乙醇乙醇,qm1,K1,K2,A 求：面积是否够？求：面积是否够？ 解题方法：分两段解题方法：分两段A计 计=A1+A2 乙乙乙乙水水水水 rqtCq mpm )50( 5078 78 ln )5078()78( 11 t t AK )4078()20( 乙乙乙乙水水水水pmpm CqtCq 2040 78 ln )2040()78( 22 t t AK 6.8 非定态传热非定态传热 已知：已知：G(kg),qm(kg/s),Cp, t初 初,t终终,T,K,A, 假定管道及换热器的滞留油量可忽略不

42、计，槽内假定管道及换热器的滞留油量可忽略不计，槽内 油品温度均匀。油品温度均匀。 求：求： 解：取解：取d时段进行热衡算时段进行热衡算, 换热器传热量等于槽内油品升温所需热量换热器传热量等于槽内油品升温所需热量 )( 2 ttCq d dt GCQ pmp 2 2 ln tT tT tt KA pmC q KA tT tT 2 ln teTet pmpm Cq KA Cq KA )1( 2 )(1( 2 tTett pmC q KA dttCqdtGC pmp )( 2 dtTeCq pmC q KA pm )(1( 0 )1(deq tT dt G pmC q KA m t t 终终 初初

43、终终 初初 tT tT eq G pmC q KA m ln )1( 传热章练习：传热章练习： 一、填空一、填空 1在沿球壁的一维定态传热过程中，热流量在沿球壁的一维定态传热过程中，热流量Q沿沿 半径增大方向半径增大方向 ，热流密度，热流密度q沿该方向沿该方向 ， （增大，减少，不变）。（增大，减少，不变）。 2在一维定态传热过程中，二层的热阻分别为在一维定态传热过程中，二层的热阻分别为R1 和和R2，推动力为，推动力为t1和和t2，若，若R1, = , 2，1=2，则应，则应 该将导热系数为该将导热系数为 的材料包于内层，更有利于保的材料包于内层，更有利于保 温。温。 解答：解答： 一、一、

44、1不变，减少。不变，减少。 2104，当，当 流量增加一倍，管径不变，则流量增加一倍，管径不变，则为原来的为原来的 倍；倍； 将管径减小一半，流量不变，则将管径减小一半，流量不变，则为原来的为原来的 倍；倍； 若流量、管径不变，而将管程数增加一倍，则若流量、管径不变，而将管程数增加一倍，则为为 原来的原来的 倍。（忽略物性变化）倍。（忽略物性变化） 7用饱和水蒸气在套管换热器内加热冷空气，此用饱和水蒸气在套管换热器内加热冷空气，此 时，管壁温度接近于时，管壁温度接近于 的温度。的温度。 解答：解答： 一、一、4.流动流体的载热使壁面处温度梯度增加流动流体的载热使壁面处温度梯度增加 50，1；-

45、0.25，0.75；2.5，3.5 6 20.8=1.74，21.8=3.48，20.8=1.74 7蒸汽侧蒸汽侧 8 . 1 8 . 0 d qV 8蒸汽冷凝分蒸汽冷凝分 状冷凝和状冷凝和 状冷凝，工业设计状冷凝，工业设计 时按时按 状冷凝考虑；大容积饱和沸腾分状冷凝考虑；大容积饱和沸腾分 状沸腾状沸腾 和和 状沸腾，操作应控制在状沸腾，操作应控制在 状沸腾下进行。状沸腾下进行。 9某无相变逆流传热过程，已知某无相变逆流传热过程，已知T1=60， t2=30，(qmCp)2/(qmCp)1=1，则，则tm= 。 10用饱和蒸汽加热冷流体（冷流体无相变），用饱和蒸汽加热冷流体（冷流体无相变），

46、 若保持加热蒸汽压降和冷流体若保持加热蒸汽压降和冷流体t1不变，而增加冷不变，而增加冷 流体流量流体流量qm2，则，则t2 ，Q ，K ，tm 。 解答：解答： 一、一、8滴，膜，膜；核，膜，核滴，膜，膜；核，膜，核 9tm=t1=t2=T1-t2=30 10Q=KAtm , 11冷热流体在换热器无相变逆流传热，换热器冷热流体在换热器无相变逆流传热，换热器 用久后形成垢层，在同样的操作条件下，与无垢用久后形成垢层，在同样的操作条件下，与无垢 层时相比，结垢后换热器的层时相比，结垢后换热器的K ，tm ，t2 ， Q 。（上升，不变，下降，不确定）。（上升，不变，下降，不确定）。 12冷热流体的

47、进出口温度冷热流体的进出口温度t1，t2，T1，T2相同时，相同时， tm并 并 tm逆逆(,=,)。 。 13.利用水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。利用水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。 要求热流体的温度要求热流体的温度T1、T2及流量及流量qm1不变。今因冷不变。今因冷 却水进口温度却水进口温度t1增高，为保证完成生产任务，提增高，为保证完成生产任务，提 高冷却水的流量高冷却水的流量qm2，则，则K ，tm ，Q 。 (上升，不变，下降，不确定上升，不变，下降，不确定)。 解答：解答： 一、一、11, , 12 13 Q=qm1Cp1(T1-T2)=KAtm , , 不变不变 二

48、、作图题：二、作图题： 1某换热器原工况操作线如图，试将新工况操作某换热器原工况操作线如图，试将新工况操作 线定性画在原图中，并证明之。线定性画在原图中，并证明之。 二、二、1. 解：解： 2某逆流换热器的某逆流换热器的(qmCp)2(qmCp)1，试定性绘出，试定性绘出 两种流体沿传热面的温度分布曲线及操作线。两种流体沿传热面的温度分布曲线及操作线。 2. 3试定性在同一图中绘出两个换热器的操作线。试定性在同一图中绘出两个换热器的操作线。 3. 三、找错三、找错 热辐射中，热辐射中，(A)灰体是一种理想物体灰体是一种理想物体， (B)黑体也是一种特殊的灰体黑体也是一种特殊的灰体， (C)温度

49、相等时，黑体与灰体的辐射能力相同温度相等时，黑体与灰体的辐射能力相同， (D)对太阳能的辐射，实际物体也可看作灰体。对太阳能的辐射，实际物体也可看作灰体。 三、解：三、解： C, D 四、计算题四、计算题 1进入某间壁式换热器的冷、热流体温度为进入某间壁式换热器的冷、热流体温度为 t1=50,T1=200, 已知换热器的总热阻已知换热器的总热阻1/KA=0， 试求下列条件下冷流体的出口温度。试求下列条件下冷流体的出口温度。 并流操作并流操作(qmCp)2/(qmCp)1=2； 逆流操作逆流操作(qmCp)2/(qmCp)1=2； 逆流操作逆流操作(qmCp)2/(qmCp)1=0.5。 四、四

50、、1. 解：解：t2=T2= T2= t1= 50, t2=T1= 200 100 21 2 11 2211 122111 tT CqCq tCqTCq pmpm pmpm 1122 21 12 / pmpm CqCq TT tt 125 2 50200 50 2有一单程列管式换热器有一单程列管式换热器, 其管束由其管束由269根长根长 3m，d=25mm的管子组成。现欲用此换热器将流的管子组成。现欲用此换热器将流 量为量为8000kg/h的常压空气从的常压空气从10加热至加热至110, 已知定性温度下已知定性温度下,空气的空气的Cp=1.01kJ/kg, =2.0110-2mPas, =2.

51、8710-2W/m, 试问试问: 若壳程通若壳程通120饱和蒸汽，此换热器是否适用？饱和蒸汽，此换热器是否适用？ （蒸汽管壁及垢层热阻可忽略不计）。（蒸汽管壁及垢层热阻可忽略不计）。 2. 解：解： =65.8W/m2 K 2=65.8W/m2 smkgG 2 2 /8 .16 025. 0785. 0269 3600/8000 4 5 1009. 2 101 . 2 8 .16025. 0 Re dG 707. 0 1087. 2 1001. 21010 Pr 2 5 p C 4 . 08 . 0 2 PrRe023. 0 d 4 . 08 . 04 707. 0)1009. 2( 025. 0 0287. 0 023. 0 =41.7 A换热器 换热器=26933.140.025=63.4m2