化工原理第4章复习

1、第第4章章 传热过程及换热器传热过程及换热器 4.1化工生产的传热过程及常见换热器1.化工生产中的传热过程化工生产中的传热过程n加热或冷却n换热n保温直接接触式间壁式蓄热式2.热量传递的基本方式热量传递的基本方式对流传热：对流传热：流体流过固体表面的时候，热量从流体传到固体表面或从固体表面传到流体中，此过程称为对流传热。强制对流强制对流自然对流自然对流传导传热（热传导）、对流、辐射1.热传导基本方程热传导基本方程傅立叶傅立叶 定律定律4.2传导传热传导传热3. 间壁式换热器间壁式换热器；或热传导速率，式中sjwddq/2ma导热面积，；或温度梯度，mkmcddt/)/()/(kmwcmw 或导

2、热系数，ddtaddqddtaq（4-1）（4-2）2.间壁式换热器壁面的稳定热传导间壁式换热器壁面的稳定热传导对上式积分得：5.2热传导热传导 （1）平壁的定态热传导）平壁的定态热传导4.2传导传热传导传热ddtaq)(21ttaqrtatatt)/()/(21（4-3）（4-4）（1）稳定温度场； （2）一维温度场。5.2热传导热传导 （2）圆筒壁的定态热传导）圆筒壁的定态热传导4.2传导传热传导传热drdtrlddtaq2分离变量积分：21212ttrrdtrlrdr整理得：1221ln1)(2rrttl（4-5）5.2热传导热传导 4.2传导传热传导传热12rr mmrlrrrrla2

3、ln)(212121212lnrrrrrm 热阻推动力rtattm)(21对数平均半径5.2热传导热传导（3）多层平壁的定态热传导）多层平壁的定态热传导4.2传导传热传导传热3141332211321iiiattaaattt总阻力总推动力niiinatt111aaatttttt332211433221:)( : )( : )(3332221114132141mmmabababttrrrtt总热阻总推动力nimiiinadttq1115.2热传导热传导 4.2传导传热传导传热同理对于多层圆筒壁有：niiiinrrttl1111ln1)(2或4.3 对流传热对流传热 1. 对流传热机理对流传热机理

4、thahat)/(1（4-12）牛顿冷却定律或给热方程h对流传热系数（给热系数），单位：w/(m2k)4.3 对流传热对流传热 2. 对流传热系数的影响因素及其求取对流传热系数的影响因素及其求取 流体的种类和物性流体的种类和物性流动形态流动形态层流和湍流层流和湍流引起流动的原因（自然对流、强制对流）引起流动的原因（自然对流、强制对流）传热面的形状，大小和位置传热面的形状，大小和位置) ,(ldutcfhp影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：（4-13）hlnu lurepcpr223tglgrcbpatglcluchl)()()(223努塞尔特准数，

5、待定准数 雷诺准数，流动形态对对流传热的影响普兰特准数，流体物性对对流传热的影响格拉斯霍夫准数，自然对流对对流传热的影响4.3 对流传热对流传热 cbagranuprremnuprre023. 08 . 0mpcdudh)()(023. 08 . 050/2160pr7 . 010000redlsmpa，适用范围：流体在管内的强制对流流体在管内的强制对流流体在圆形直管内的强制对流时流体在圆形直管内的强制对流时（4-16）（4-15）当流体被加热时m取0.4，被冷却时取m0.34.4间壁式热交换的计算间壁式热交换的计算 1.传热总方程传热总方程thahat)/(1（4-12）传热总方程（传热基本

6、方程）总阻力总推动力rtrtii:,1则传热总方程为令rkatka（4-18）k总传热系数 w/（m2k）总传热系数总传热系数 2.总传热系数总传热系数k21111hhk2211111ahaahkamk是衡量换热器的重要指标当换热器的壁面为单层平壁时当换热器的壁面为单层平壁时（4-19）（4-20）当换热器的壁面为单层圆筒壁时当换热器的壁面为单层圆筒壁时总传热系数总传热系数 22112211haaahakm22112211hdddhdkm2111121hrrhkhih以换热管外表面为基准时（4-21）即若间壁为多层平壁以及间壁两侧有污垢时若间壁为多层平壁以及间壁两侧有污垢时（4-22）总传热系

7、数总传热系数 221211221121hrddddrdhdkhmh当换热器的壁面为单层圆筒壁两侧有污垢时当换热器的壁面为单层圆筒壁两侧有污垢时通常换热器的传热面积以外表面为基准，所以k2的下标2可省略22121121121hrddddrdhdkhmh3.传热过程的平均温度差传热过程的平均温度差mtttt)(ttka（1）定态恒温差传热）定态恒温差传热（2）定态变温差传热）定态变温差传热平均温度差平均温度差tm的计算的计算211ttt2121lntttttm122ttt（4-23）4.热负荷及热量衡算热负荷及热量衡算生产工艺对换热器换热能力的要求称为换热器的工艺热负荷生产工艺对换热器换热能力的要

8、求称为换热器的工艺热负荷l热负荷及热量衡算热负荷及热量衡算（1）热负荷）热负荷流体在传热中只有相变的场合lqmlmql（4-25）流体的质量流量，kg/s流体的相变热，kj/kg )()(12,21,ttcqttcqcpcmhphml热负荷及热量衡算热负荷及热量衡算流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合)(12ttcqpml21,ttpc流体的定压熱容，kj/(kgk)流体传热前后的温度，k（2）热量衡算）热量衡算h表示热流体，c表示冷流体（4-27）（4-26）传热过程的计算传热过程的计算 22112211hdddhdkmmtka)()(12,21,ttcqttcqcpcmhphml212

9、1lntttttm9在一列管换热器中，用水蒸气加热原油。管子规格为25mm2.5mm，管内原油的表面传热系数为1000 wm-2k-1，管内污垢层的热阻系数rh,1=1.5 10-3m2kw -1；管外水蒸气加热原油，管外水蒸气冷凝的表面传热系数为10000 wm-2k-1，管外污垢热阻及管壁的热阻可忽略不计，试求传热系数及各部分热阻占总热阻的百分数。解:基于管外表面的k2用下式计算2121 ,112211hddrdhdkh1 -2-32kmw3101000012025105 . 1201000251k管内污垢层热阻与总热阻之比 管外水蒸气冷凝的热阻与总热阻之比 581. 0310120251

10、05 . 1132121 ,kddrh031. 031011000011122kh管内原油热阻与总热阻之比3875. 031012010002512112kdhd11.在管长为1m的单程套管换热器中，用水冷却热油，两种流体并流换热，油的初温为150，终温为100；水的初温为15，终温为40.欲用加长换热器管子的方法，使油的出口温度降至80，试求此时的管长。假设在两种情况下，油和水的质量流量、进口温度、物性参数和传热系数均不变化，热损失可忽略；换热器除管长外，其余尺寸也不变化。 解：根据热量衡算方程)()(12,21,ttcqttcqcpcmhphml当管长为1m时5 . 01001501540

11、2112,ttttcqcqcpcmhphm油的出口温度降至80时水的出口温度为t25015801505 . 05 . 05 . 012122112,ttttttttcqcqcpcmhphm1m时的平均温度差 5 .9260135ln60135ln2121tttttm热负荷结合传热方程 mhphmhphmmtkttcqattcqtka)()(21,21, 加长后的平均温度差：8 .6930135ln30135ln2121tttttm热负荷结合传热方程mhphmhphmmtkttcqattcqtak)()(21,21,mtttttttkttcqtkttcqaallmmmhphmmhphm86. 1

12、5 .921001508 .6980150)()()()(212121,21, 12列管换热器的管束由若干长为3m，规格为25mm2.5mm的钢管组成。要求将质量流量为1.25 kgs-1的苯由80冷却到30，20的水在管内与苯逆流流动。已知水侧和苯侧的表面传热系数为850wm-2k-1和1700 wm-2k-1，污垢热阻可忽略。若维持水的出口温度不超过50，试求所需的列管数。取苯的比定压热容为1900 jkg-1k-1，密度为880 kgm-3，管壁的热导率= 45wm-1k-1。 解：首先计算热负荷wttcqhphml1190003080190025. 1)(21,472170015 .2

13、245250025. 0208502511122112hdddhdkm换热器的传热系数 wm-2k-12 .181030ln1030ln2121tttttmmtka28 .132 tkamlnda59314. 3025. 08 .13ldan计算平均温度差根据传热速率方程计算所需传热面积所需列管数为n，则根 14. 在列管换热器中，用原油与重热油换热，原油的初温为20，质量流量为10000kgh-1比定压热容为2.2 kjkg-1k-1。重油从180冷却到120，质量流量为14000kgh-1，比定压热容为1.9 kjkg-1k-1，设在逆流和并流操作时的传热系数k均

14、为200wm-2k-1，求逆流和并流操作的传热面积比。)()(12,21,ttcqttcqcpcmhphml5 .92201201802 . 2100009 . 114000)(121,2tttcqcqtcpcmhphm10020120, 5 .875 .9218021tt6 .931005 .87ln1005 .87ln2121,tttttm 逆解：先求出原油的出口温度逆流时的平均温度差，此时5 .275 .92120,1602018021tt2 .755 .27160ln5 .27160ln2121,tttttm 并mtka24. 12 .756 .93，并，逆逆并mmttaa并流时的平均

15、温度差，此时逆流和并流操作时的传热面积比15.要求每小时冷凝500kg乙醇蒸气，并将冷结液冷却至30。乙醇的冷结温度为78.5，凝结热为880 kjkg-1 ，液体乙醇的平均比定压热容为2.8kjkg-1k-1。乙醇蒸气在该条件下的表面传热系数为3500wm-2k-1，乙醇液体的表面传热系数为700wm-2k-1。冷却水（逆流）的初始温度为15，排除温度为35，水的表面传热系数为1000wm-2k-1。管壁及污垢层的热阻可忽略。水的比定压热容为4.2kjkg-1k-1。试计算热交换器应有的换热面积。（提示：计算时先求出冷却水用量，再将冷凝区和冷却区分开计算）kw2 .1223600880500lqmlkwttcqhphml86.18305 .788 . 23600500)(21,解：乙醇冷凝放热量乙醇冷却放热量)(12,ttcqcpcmlskgttcqcplcm/68. 115352 . 486.182 .122)(12,3tkwttcqttcqcpcmhphm86.18)()(13,21,67.17152 . 468. 186.1886.181,3tcqtcpcm计算