《化工原理教学课件》传热计算

1、化工原理化工原理 主讲教师：童汉清主讲教师：童汉清 一、热量衡算方程式一、热量衡算方程式 1、显热与潜热、显热与潜热 显热概念：温度变化，状态不变。显热概念：温度变化，状态不变。 显热计算：比热物理性质，显热计算：比热物理性质，CP：kJ/(kgoC) Q = W CP(t1-t2) 潜热概念：温度不变，状态变化。潜热概念：温度不变，状态变化。 潜热计算：汽化潜热物理性质，潜热计算：汽化潜热物理性质，R：kJ/kg Q = W R 2、热量衡算方程式、热量衡算方程式 1冷热流体均无相变冷热流体均无相变 热流体的放热量热流体的放热量 = W1 Cp1T1T2 冷流体的吸热量冷流体的吸热量 = W

2、2 Cp2 t2 t1 假设不计热损失，那么：热流体的放热量假设不计热损失，那么：热流体的放热量 = 冷流体的吸热量冷流体的吸热量 Q = W1 Cp1T1T2 = W2 Cp2t2 t1 2热流体有相变，冷流体无相变热流体有相变，冷流体无相变 热流体的放热量热流体的放热量 = W1 Cp1T1T2 + W1 R 冷流体的吸热量冷流体的吸热量 = W2 Cp2 t2 t1 假设不计热损失，那么：热流体的放热量假设不计热损失，那么：热流体的放热量 = 冷流体的吸热量冷流体的吸热量 Q = W1 Cp1T1T2 + W1 R = W2 Cp2t2 t1 假设热损失为假设热损失为Q损，那么：损，那么

3、： Q = W1 Cp1T1T2 + W1 R = W2 Cp2t2 t1 +Q损损 3冷流体有相变，热流体无相变冷流体有相变，热流体无相变 热流体的放热量热流体的放热量 = W1 Cp1T1T2 冷流体的吸热量冷流体的吸热量 = W2 Cp2 t2 t1 + W2 r 假设不计热损失，那么：热流体的放热量假设不计热损失，那么：热流体的放热量 = 冷流体的吸热量冷流体的吸热量 Q = W1 Cp1T1T2 = W2 Cp2t2 t1 + W2 r 假设热损失为假设热损失为Q损，那么：损，那么： Q = W1 Cp1T1T2 = W2 Cp2t2 t1 + W2 r +Q损损 4冷热流体均有相变

4、冷热流体均有相变 热流体的放热量热流体的放热量 = W1 Cp1T1T2 + W1R 冷流体的吸热量冷流体的吸热量 = W2 Cp2 t2 t1 + W2 r 假设不计热损失，那么：热流体的放热量假设不计热损失，那么：热流体的放热量 = 冷流体的吸热量冷流体的吸热量 Q = W1Cp1T1T2 +W1R= W2Cp2t2 t1 +W2 r 假设热损失为假设热损失为Q损，那么：损，那么： Q=W1Cp1T1T2 +W1R=W2Cp2t2 t1+W2 r +Q损损 二、传热速率方程式二、传热速率方程式 11 W S 1 TT Q 热 1平面壁的传热速率平面壁的传热速率 m wW 壁 S b tT

5、Q 22 W 冷 S 1 tt Q 对于平面壁对于平面壁 QQQQ 冷壁热 SSSS 21壁 21 21 wwww 2 www 1 w 11 11 11 b StT SS b S tttTTT S tt S b tT S TT Q ）（ 总 21 111 b K 设设 那那 么么 tSKtTSKQ 平面壁的传热速率平面壁的传热速率 21 11 b StT Q ）（ 总 对于圆筒壁对于圆筒壁 QQQQ 冷壁热 ooii ooii wwww oo www ii w 11 11 11 SS b S tT SS b S tttTTT S tt S b tT S TT Q m m m 总 对于圆筒壁：传

6、热面积以圆管外外表为基对于圆筒壁：传热面积以圆管外外表为基 准进行计算。准进行计算。 ooiio 111 SS b SSK m tSKtTSKQ 外外 ooii 11 SS b S tT Q m 总 圆筒壁的传热速率圆筒壁的传热速率 那那 么么 设设 三、总传热系数三、总传热系数K 1、总传热系数、总传热系数K的物理意义的物理意义 温度差为温度差为1oC时，单位时间内通过单位面时，单位时间内通过单位面 积的传热量。积的传热量。 单位：单位：W/m2oC 总传热系数总传热系数( (简称传热系数简称传热系数)K)K是评价换热器性能是评价换热器性能 的一个重要参数，又是换热器的传热计算所需的根的一个

7、重要参数，又是换热器的传热计算所需的根 本数据。本数据。 K K的数值与流体的物性、传热过程的操作条的数值与流体的物性、传热过程的操作条 件及换热器的类型等诸多因素有关，因此件及换热器的类型等诸多因素有关，因此K K值的变动值的变动 范围较大。范围较大。 2、总传热系数、总传热系数K的来源的来源 1计算计算 平面壁的传热速率平面壁的传热速率 21 11 b StT Q ）（ 总 21 111 b K tSKtTSKQ 圆筒壁的传热速率圆筒壁的传热速率 ooii 11 SS b S tT Q m 总 ooiio 111 SS b SSK m tSKtTSKQ 外外 设计中应考虑污垢热阻的影响，即

8、设计中应考虑污垢热阻的影响，即 ooo siso oiiimo 11ddbd RR Kddd 管壁外外管壁外外 表污垢热表污垢热 阻阻 管壁内外表管壁内外表 污垢热阻污垢热阻 总传热系数计算式总传热系数计算式 某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。 污垢热阻污垢热阻( (又称污垢系数又称污垢系数) ) 对现有的换热器，通过实验测取有关的数据，对现有的换热器，通过实验测取有关的数据， 如流体的流量和温度等，然后用总传热速率方程式如流体的流量和温度等，然后用总传热速率方程式 计算得到计算得到K值。值。 实测的实测的K值不仅可以为换热器的设计提供依据，值不仅

9、可以为换热器的设计提供依据， 而且可以了解换热器的性能，从而寻求提高设备传而且可以了解换热器的性能，从而寻求提高设备传 热能力的途径。热能力的途径。 2实验测定实验测定 某些情况下管壳式换热器的总传热系数K的经 验值列于表4-6。 从表4-6可看出，通常经验值的范围较大， 设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。假设 为降低操作费，可选较小的K值；假设为降低设备 费，可选较大的K值。 二、总传热系数 3选用实际生产的经验数据选用实际生产的经验数据 提高总传热系数途径的分析提高总传热系数途径的分析 总热阻总热阻= =管内热阻管内热阻+ +管内垢阻管内垢阻+ +壁阻壁阻+ +管外垢阻管外垢阻+ +

10、管外热阻管外热阻 oo o o siso oiiim 11ddbd RR Kddd 壁壁 阻阻 总热总热 阻阻 管内管内 热阻热阻 管内管内 垢阻垢阻 管管 外外 垢垢 阻阻 管管 外外 热热 阻阻 3、提高、提高K值的途径值的途径 假设传热面为平壁或薄管壁，那么假设传热面为平壁或薄管壁，那么 siso io 111b RR K 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 io 111 K 1000;10 21 10 1000 1 10 1 1 11 1 21 K 设设 那那 么么 现提高现提高 10000 2 那那 么么 100 1 假设提高假设提高 那么那么 10 100

11、00 1 10 1 1 11 1 21 K 100 1000 1 100 1 1 11 1 21 K i K 管壁内侧对流传热控制管壁内侧对流传热控制 io , 假设 管壁内、外侧对流传热控制管壁内、外侧对流传热控制相当 假设管壁两侧对流传热热阻很假设管壁两侧对流传热热阻很 小，而污垢热阻很大小，而污垢热阻很大 污垢热阻控制污垢热阻控制 若 io ，则 假设 io 那么 o K 管壁外侧对流传热控制管壁外侧对流传热控制 欲提高K值，强化传热，最有效的方法是减小控 制热阻。 K值总是接近且永远小于值总是接近且永远小于 中的小者。中的小者。 当两侧对流传热系数相差较大时，当两侧对流传热系数相差较大

12、时，K近似等近似等 于于 中小者。中小者。 o , i o , i 当冷热流体对流给热系数相差较大时，当冷热流体对流给热系数相差较大时，K 值取决于较小的对流给热系数，所以，要提高值取决于较小的对流给热系数，所以，要提高 总传热系数值，关键在于从热阻较大的一侧入总传热系数值，关键在于从热阻较大的一侧入 手，设法增加较小的对流给热系数。手，设法增加较小的对流给热系数。 四、平均温度差的计算四、平均温度差的计算 1、恒温差传热、恒温差传热 壁面两侧进行热交换的冷热流体，其温度不壁面两侧进行热交换的冷热流体，其温度不 随时间及位置而变化。随时间及位置而变化。 2、变温差传热、变温差传热 采用对数平均

13、值计算平均温度差传热平均推采用对数平均值计算平均温度差传热平均推 动力。动力。 (1) 并流并流 冷热流体流动方向相同。冷热流体流动方向相同。 22 11 2211 2 1 21 lnln tT tT tTtT t t tt tm 并 (2) 逆流逆流 冷热流体流动方向相反。冷热流体流动方向相反。 12 21 1221 2 1 21 lnln tT tT tTtT t t tt tm 逆 (3) 错流错流 冷热流体流动方向垂直。冷热流体流动方向垂直。 (4) 折流折流 并流、逆流共存。并流、逆流共存。 错流和折流的平均温度差错流和折流的平均温度差 安德华安德华Underwood鲍曼鲍曼Bowm

14、an图算法：图算法： 先按逆流操作算出对数平均温度差，再由曲线图先按逆流操作算出对数平均温度差，再由曲线图 差出校正系数。差出校正系数。 / mtm tt 曲线图横坐标曲线图横坐标 11 12 tT tt P 冷热流体的最初温差 冷流体的温升 曲线图纵坐标曲线图纵坐标 12 21 tt TT R 冷流体的温升 热流体的温降 3、对数平均值与算术平均值、对数平均值与算术平均值 例：例：A=8，B=6 2 BA 算术平均值算术平均值 对数平均值对数平均值 B A ln BA 7 2 68 算术平均值算术平均值 95.6 6 8 ln 68 对数平均值对数平均值 假设：假设：A=80，B=6 算术平

15、均值算术平均值 43 2 680 对数平均值对数平均值 57.28 6 80 ln 680 2 ln 21 2 1 21 tt t t tt 结论结论1、对数平均值永远小于算术平均值、对数平均值永远小于算术平均值 结论结论2、A、B相差越大，对数平均值比算术平相差越大，对数平均值比算术平 均值小的程度越大。均值小的程度越大。 4、逆流推动力与并流推动力逆流推动力与并流推动力 245 oC 175 oC 120 oC 160 oC 并流：并流： Ct o m 9.51 10 125 ln 10125 160175 120245 ln 160175120245 并 逆流：逆流： 245 oC 17

16、5 oC 160 oC 120 oC Ct o m 9.68 55 85 ln 5585 120175 160245 ln 120175160245 逆 结论：结论：逆流推动力大于并流推动力逆流推动力大于并流推动力 例例2：每小时：每小时500的常压苯蒸汽用直立列管换热器加的常压苯蒸汽用直立列管换热器加 以冷凝，并冷却到以冷凝，并冷却到30oC。冷却介质为。冷却介质为20oC的冷水，冷的冷水，冷 水的出口温度不超过水的出口温度不超过45oC，冷热流体呈逆流流动。苯，冷热流体呈逆流流动。苯 蒸汽的冷凝温度为蒸汽的冷凝温度为80 oC，汽化潜热为，汽化潜热为390kJ/kg，平均，平均 比热为比热

17、为1.86kJ/(kgoC)，并估算出冷凝段的传热系数为，并估算出冷凝段的传热系数为 500W/(m2oC)，冷却段的传热系数为，冷却段的传热系数为100 W/(m2oC)。 试求所需传热面积及冷却水用量。假设采用并流操作，试求所需传热面积及冷却水用量。假设采用并流操作， 所需的冷却水用量为多少？所需的冷却水用量为多少？ 例例3：某容器内盛有温度为：某容器内盛有温度为105oC的甲苯的甲苯1400kg，于其，于其 中装有外外表积为中装有外外表积为2的蛇管换热器，蛇管内通入的蛇管换热器，蛇管内通入13oC的的 冷 水 ， 以 外 外 表 积 为 基 准 的 总 传 热 系 数 为冷 水 ， 以 外