化学工程传热学课件总复习 (2)

1、复习复习 了解列管换热器的选择设计步骤了解列管换热器的选择设计步骤 （1）选择加热剂）选择加热剂 和冷却剂和冷却剂 （2）根据设计任务，确定基本数据（包括两流体的流量、进出）根据设计任务，确定基本数据（包括两流体的流量、进出 口温度、定性温度下的有关物性、操作压力等口温度、定性温度下的有关物性、操作压力等 （3）确定流体在换热器内的流动通道。）确定流体在换热器内的流动通道。 （4）确定并计算热负荷。）确定并计算热负荷。 （5） 平均温度差的计算。平均温度差的计算。 （6） 根据两流体的温度差和设计要求，确定换热器的形式。根据两流体的温度差和设计要求，确定换热器的形式。 （7）选取总传热系数，并

2、根据传热基本方程初步算出传热面积，）选取总传热系数，并根据传热基本方程初步算出传热面积， 以此作为选择换热器型号的依据，并确定初选换热器的实际换热以此作为选择换热器型号的依据，并确定初选换热器的实际换热 面积面积A实 实，以及在 ，以及在A实 实下所需的传热系数 下所需的传热系数K需 需。 。 一一. . 化工生产中常用的加热剂及冷却剂化工生产中常用的加热剂及冷却剂 载热体：为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供载热体：为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供 给或取走热量，此流体称为载热体。给或取走热量，此流体称为载热体。 冷却剂：起冷却作用的载热体称为冷却剂。冷却剂：起冷却作

3、用的载热体称为冷却剂。 加热剂：起加热作用的载热体称为加热剂加热剂：起加热作用的载热体称为加热剂 二、确定流体在换热器内的流动通道二、确定流体在换热器内的流动通道 P139页页 三三. 热负荷的确定热负荷的确定 1 1. .无相变时热负荷的确定无相变时热负荷的确定 Q=ms1cp1(T1-T2)=ms2cp2(t2-t1) 2 2. .有相变时热负荷的确定有相变时热负荷的确定 例如饱和蒸汽冷凝，而冷流体无相变化，则例如饱和蒸汽冷凝，而冷流体无相变化，则 Q=ms1r+cp1(Ts-T2)= ms2 cp2(t2-t1) 3.会求加热剂的用量或冷却剂的用量会求加热剂的用量或冷却剂的用量 四四.

4、平均传热温差的计算平均传热温差的计算 小 大 小大 t t tt tm ln t大 大/t小小2时，工程计算中，可取 时，工程计算中，可取 2 小大 tt tm 两侧变温错流和折流时两侧变温错流和折流时tm 先按逆流计算对数平均温度差先按逆流计算对数平均温度差tm逆 逆，再乘以一个校正系数， ，再乘以一个校正系数， 即即 tmtm逆 逆 式中式中 温度差校正系数，其大小与流体的温度变化温度差校正系数，其大小与流体的温度变化 有关，有关，一般不宜小于一般不宜小于 0.80.8。 可表示为两参数可表示为两参数P和和R的函数：的函数： f（P，R），根据），根据P和和 R两参数由图查取两参数由图查取

5、 两流体的最初温度差 冷流体的温升 11 1 2 tT tt P 冷流体的温升 热流体的温降 12 21 tt TT R 折流过程的折流过程的 算图算图 错流过程的错流过程的 算图算图 五五.列管换热器换热形式的确定列管换热器换热形式的确定 列管换热器各类型结构及其优、缺点列管换热器各类型结构及其优、缺点 六六.选定经验选定经验K值，初步估算其面积值，初步估算其面积 m tK Q A估 估 【例例2-3】 505mm的不锈钢管，热导率的不锈钢管，热导率1为为16W/(m.K)，外包一层石棉，外包一层石棉 ， 热导率热导率2为为0.2W/(m.K)，若，若内壁温度为内壁温度为350，保温层外壁温

6、度为，保温层外壁温度为100，每，每 米管长的热损失不超过米管长的热损失不超过397W/m，试求保温层的厚度。，试求保温层的厚度。 m r m rrrr tt LQ W/397 2.02 )25/ln( 162 )20/25ln( 100350 W/397 2 )/ln( 2 )/ln( / 3 2 23 1 12 31 解：由题给条件知：解：由题给条件知：r1=20mm, r2=25mm, 1= 16W/(m.K), 2= 0.2W/(m.K),t1=350,t3=100 ，Q/L= 397W/m。 载热体输送管道的保温载热体输送管道的保温 )25/ln( 3 r =2.199 r=2.19

7、9 r3 3=55mm =55mm 保温层的厚度为：保温层的厚度为：r3-r2=30mm 课后习题课后习题 33 3 3 A b t x / m t2 t1 t/ t2 t3 t4 多层平壁稳态导热温度分布 1. 解：由题给条件知：解：由题给条件知：b1=0.23m, b3=0.23m, 1= 1.05W/(m.), 2= 0.144W/(m.), 3= 0.94W/(m.),t1=1300,t4=50 3 3 2 2 1 1 41 bbb tt A Q 2 2 43 2 2 32 1 1 21 b tt b tt b tt A Q r1 r2 r3 r4 t1 t2 t3 t4 1 2 3

8、课后习题课后习题 2.解：由题给条件知：解：由题给条件知：r1=27mm, r2=30mm, r3=30+30=60mm, r4=30+30+30=90mm, 1= 16W/(m. ), 2= 0.04W/(m. ), 3= 0.16W/(m. ),t1=-100,t4=20 3 34 2 23 1 12 41 2 )/ln( 2 )/ln( 2 )/ln( rrrrrr tt L Q 课后习题课后习题 6.解解: 热负荷热负荷:Q= Q冷 冷= ms2cp2(t2-t1) = 11003.81000(60-20)=1393.33kW 求对数平均温度差：求对数平均温度差：逆流时 逆流时 热流体

9、温度热流体温度 127 127 冷流体温度冷流体温度 20 60 t1=107 t2=67 因为：因为： t1/t22，所以：，所以： tm逆 逆= 87 2 11 tt 求总传热系数求总传热系数K： )./1034 1 d ddd 1 2 m ooo （mW R b d R d K o So i Si ii o 工艺条件要求的换热器的传热面积为：工艺条件要求的换热器的传热面积为： 2 1 5.15m tK Q A m 换热器实际的换热面积为：换热器实际的换热面积为： 2 02 17mLdnA 7.解解: 热负荷热负荷:Q= Q冷 冷= ms2cp2(t2-t1)=（ （2.5104/3600

10、）41000（80-20）=1666.7kw 逆流时逆流时 热流体温度热流体温度 110 110 对数平均温度差：对数平均温度差： 冷流体温度冷流体温度 20 80 t1=90 t2=30 6.54 30 90 ln 3090 ln 2 1 21 t t tt t m ） 2 /(2035 6 .5415 10007 .1666 mW tA Q K m 若换热器使用一年后，由于污垢热阻增加，将会使换热器若换热器使用一年后，由于污垢热阻增加，将会使换热器 的总传热系数下降（的总传热系数下降（K），传热速率下降（），传热速率下降（Q） ，冷流体出口，冷流体出口 温度升高温度升高(t2 )。 Q=

11、ms2cp2(t2 -t1)=（2.5104/3600）41000（72-20）=1444.4kw 3.60 38 90 ln 3890 ln 2 1 21 t t tt t m ）./(1597 3.6015 1444400 2 mW tA Q K m 若要保证冷流体出口温度仍为若要保证冷流体出口温度仍为80 ,即热负荷仍为即热负荷仍为Q ，总传，总传 热系数为热系数为K ，传热速率下降（，传热速率下降（Q） ，求，求 tm” ”。 。 6.69 159715 1666700 AK Q t m 设加热蒸汽温度为设加热蒸汽温度为X 6.69 )80( )20( ln )80()20( X X

12、XX t m 解得：解得：X=123.9 有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾 有相变对流传热的特点有相变对流传热的特点 相变过程中产生大量相变热（潜热）；相变过程中产生大量相变热（潜热）； 6. 有相变化的对流传热有相变化的对流传热 无相变相变 一般： 相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂； (1)(1)蒸汽冷凝蒸汽冷凝 饱和蒸汽饱和蒸汽ts和冷壁面和冷壁面tw接触（接触（tstw） 蒸汽放出潜热蒸汽放出潜热在壁面凝成液体在壁面凝成液体膜状液体和滴状液体膜状液体和滴状液体 a、膜状冷凝（可润湿）、膜状冷凝（可润湿） 壁面形成液

13、膜，蒸汽只能在液膜表面冷凝，与直接接壁面形成液膜，蒸汽只能在液膜表面冷凝，与直接接 触壁相比，附加了液膜的热阻。触壁相比，附加了液膜的热阻。越厚，传热效果越差。越厚，传热效果越差。 b b、滴状冷凝（不润湿）、滴状冷凝（不润湿） 壁面大部分的面积直接暴露于蒸汽中。因没液膜阻碍，传热壁面大部分的面积直接暴露于蒸汽中。因没液膜阻碍，传热 系数很大。系数很大。 膜状冷凝膜状冷凝 滴状冷凝滴状冷凝 蒸汽在水平管外蒸汽在水平管外膜状冷凝的膜状冷凝的 4/1 0 3/2 32 725. 0 tdn gr n n水平管束在垂直列上的管数；水平管束在垂直列上的管数； 特性尺寸：管外径特性尺寸：管外径d do

14、o； 定性温度：定性温度：取取t tS S 下的值，其余为膜平均温度。 下的值，其余为膜平均温度。 c. 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 冷凝液膜两侧的温度差：冷凝液膜两侧的温度差： 流体物性的影响：流体物性的影响： 不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。 蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热 过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱 和蒸汽冷凝处理。和蒸汽冷凝处理。 蒸气流速的影响：流速不大时，影响

15、可忽略；蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略； 流速较大时，且与液膜同向，流速较大时，且与液膜同向，增大；增大； 流速较大时，且与液膜反向，流速较大时，且与液膜反向， 减小。减小。 tttt ws 均影响、r （2）液体的沸腾传热）液体的沸腾传热 对液体加热时，液体内部伴有由液相变为气相，即对液体加热时，液体内部伴有由液相变为气相，即 在液相内部产生气泡的过程，称为在液相内部产生气泡的过程，称为液体沸腾液体沸腾（又称沸腾（又称沸腾 传热）。工业上液体沸腾的方法有两种：一种是将加热传热）。工业上液体沸腾的方法有两种：一种是将加热 壁面浸没在无强制对流的液体中，液体受热沸腾，称为壁面浸没在无强制

16、对流的液体中，液体受热沸腾，称为 池内沸腾池内沸腾；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为 管内沸腾管内沸腾。 沸腾过程沸腾过程： 液体传递：加热面时：无气泡产生，热量 自然对流 s tt 力进入液体。心上产生，长大后凭浮时：气泡首先在汽化核 s tt 过热度过热度，汽化核心数，汽化核心数，气泡产生和长大的速度，气泡产生和长大的速度， 使沸腾加剧，使沸腾加剧，沸腾传热膜系数沸腾传热膜系数。 自然对流沸腾 说明：由于气泡产生，使液体扰动说明：由于气泡产生，使液体扰动 因此：因此： 0.11.010102103 h A B C DE F 自然对流自然对流核状

17、沸腾核状沸腾膜状沸腾膜状沸腾 稳稳 定定 区区 不稳不稳 定膜定膜 状状 沸腾温度差和表面传热系数关系沸腾温度差和表面传热系数关系 t = (tw-ts)/ 大容积饱和沸腾曲线大容积饱和沸腾曲线 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素 ,物性： , ,P压力： 次方成正比。度差的在核状沸腾区，与温温度差32: 加热壁面的影响：加热壁面的影响：粗糙壁面粗糙壁面, ，光滑的壁面，光滑的壁面, ； 被油脂污染的壁面被油脂污染的壁面, ，清洁表面，清洁表面, ； 水平管束沸水平管束沸 腾传热，上排管腾传热，上排管 。 二二. 传热过程强化的途径传热过程强化的途径 增大传热系数，可以提高换热器的传热速率。

18、增大传热系增大传热系数，可以提高换热器的传热速率。增大传热系 数，实际上就是降低换热器的总热阻。间壁两侧流体间传热数，实际上就是降低换热器的总热阻。间壁两侧流体间传热 总热阻等于两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻及管壁导热总热阻等于两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻及管壁导热 热阻之和。由此可见，要降低总热阻，必须减小各项分热阻。热阻之和。由此可见，要降低总热阻，必须减小各项分热阻。 但不同情况下，各项分热阻所占比例不同，故应具体问题具但不同情况下，各项分热阻所占比例不同，故应具体问题具 体分析，设法减小占比例较大的分热阻。体分析，设法减小占比例较大的分热阻。 3 3增大传热系数增大传热系数 一般

19、来说，在金属换热器中壁面较薄且导热系数高，不会成一般来说，在金属换热器中壁面较薄且导热系数高，不会成 为主要热阻。为主要热阻。 污垢热阻是一个可变因素，在换热器刚投入使用时，污垢热阻污垢热阻是一个可变因素，在换热器刚投入使用时，污垢热阻 很小，可不予考虑，但随着使用时间的加长污垢逐渐增加，便可成很小，可不予考虑，但随着使用时间的加长污垢逐渐增加，便可成 为阻碍传热的主要因素。为阻碍传热的主要因素。 减小污垢热阻的具体措施有：提高流体的流速和扰动，以减减小污垢热阻的具体措施有：提高流体的流速和扰动，以减 弱垢层的沉积；加强水质处理，尽量采用软化水；加入阻垢剂，弱垢层的沉积；加强水质处理，尽量采用软化水；加入阻垢剂， 防止和减缓垢层形成；采用机械或化学的方法及时清除污垢。防止和减缓垢层形成；采用机械或化学的方法及时清除污垢。 当壁面热阻和污垢热阻均可忽略时当壁面热阻和污垢热阻均可忽略时 oi K 111 要提高要提高K值必须提高流体的值必须提高流体的值。当两值。当两相差很大时，例如相差很大时，例如 用水蒸气冷凝放热以加热空气，则用水蒸气冷凝放热以加热空气，则1/K1/小 小，此时欲提高 ，此时欲提高K值，值， 关键在于提高关键在于提高小的那一侧流体的小的那一侧流体的。若。若i与与0较为接近，此