化工基础44_间壁式热交换的计算91905

1、化化 工工 基基 础础教学目的：教学目的：重点难点：重点难点：4 4.4 .4 热交换的计算热交换的计算学习总传热方程及其推导，比较不同传学习总传热方程及其推导，比较不同传热形式，并计算各种换热方式的温差，热形式，并计算各种换热方式的温差，了解强化传热过程的途径。了解强化传热过程的途径。总传热方程及传热温差的计算总传热方程及传热温差的计算 三个串联传热环节：三个串联传热环节： 热流体侧的对流传热热流体侧的对流传热 间壁的热传导传热间壁的热传导传热 冷流体侧的对流传热冷流体侧的对流传热4.4 问壁式热交换的计算问壁式热交换的计算 1传热总方程传热总方程 如图，如图，传热过程是传热过程是热流体给热

2、热流体给热间壁导热间壁导热冷流体给热冷流体给热的串联过程的串联过程。 热流体的对流传热：热流体的对流传热： 管壁热传导：管壁热传导： 冷流体的对流传热冷流体的对流传热)(111wTTAh)(2wwmtTA)(223ttAhw对于稳定传热：对于稳定传热：321换热器内进行的大都是定态传热过程：换热器内进行的大都是定态传热过程： 221111AhwAwwAhwtttTTTm221111AhAAhmtT或 间壁式换热器的传热总方程，适用于传热面为等温间壁式换热器的传热总方程，适用于传热面为等温面的间壁式热交换过程面的间壁式热交换过程。 说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性说明定态传热总过程的推

3、动力和阻力亦具加和性令令1RKA，则传热总方程为：，则传热总方程为： KA t式中式中K传热系数称总传热系数，传热系数称总传热系数， 12KmW总阻力总推动力RtRtii总传热方程：总传热方程：tKA 通过公式计算通过公式计算K 查取相关手册选用经验值查取相关手册选用经验值(基于管外表面积基于管外表面积) 通过实验测定通过实验测定K2. 传热系数传热系数K K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。热器的类型等。表表43化工中常见传热过程的化工中常见传热过程

4、的K值范围值范围 1)当换热器的间壁为单层平面壁时，当换热器的间壁为单层平面壁时，A1=A2=Am=A，则传热系数为：则传热系数为： 2)若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，A1A2Am，即，即传热系数与传热面积对应时：传热系数与传热面积对应时： 2211111AhAAhmKA21111hhKtKAtTKAhhtTA)(11)(21221111AhAAhmtTtAKAhAAAhtTAm112211111)(tAKAhAAhAtTAmmmmm2211)(tAKhAAAhAtTAm222211221)(lrA112lrA222lrAmm21212ln)(rrrrrm

5、rm 对数平均半径，对数平均半径，Am 对数平均面积对数平均面积22111111AhAAAhKm22112211hAAAhAKm22111AhAAhAKmmm 若无特殊说明，均为基于管外表面积的若无特殊说明，均为基于管外表面积的K2，其计算，其计算式为：式为： 3)若间壁为多层平面壁以及间壁两侧有污垢积存若间壁为多层平面壁以及间壁两侧有污垢积存时，传热系数为：时，传热系数为： 式中式中12,hhRR分别表示壁面两侧污垢热阻系数，分别表示壁面两侧污垢热阻系数， m m2 2K KW W-1-1 22112121hAAAhAmK 2111121hRRhKhih4)4)冷热两流体通过间壁进行热交换的

6、冷热两流体通过间壁进行热交换的总热阻等于两个对流热总热阻等于两个对流热阻与一个导热热阻之和阻与一个导热热阻之和，这和串联电路的欧姆定律类似。，这和串联电路的欧姆定律类似。若导热热阻很小，则若导热热阻很小，则总传热系数总是更接近总传热系数总是更接近数值较小数值较小的给热系数，欲提高的给热系数，欲提高K K值，关值，关键是提高键是提高较小的给热系数。较小的给热系数。21111hhK21111hhK211hK若若h h1 1 h h2 22hK 若若h h1 1 h h2 2111hK1hK 获取获取K K的其它途径：的其它途径： 查取查取K值值 在有关传热手册和专著中载有某些情况下在有关传热手册和

7、专著中载有某些情况下K的经验数值，的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依值作为设计依据，表据，表-列出了一些条件下经验列出了一些条件下经验K值的大致范围，供设计时参考。值的大致范围，供设计时参考。 实验测定实验测定 通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算K值：值：实验测定可以获得较为可靠的实验测定可以获得较为可靠的K值。值。由计算方法得到的由计算方法得到的K值往往与查取值往往与查取的和实测的的和实测的K值相差较大，这主要是由于计算给热系数

8、值相差较大，这主要是由于计算给热系数的关联式有一定的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确等原因所致，因此，使用计算的误差和污垢热阻不易估计准确等原因所致，因此，使用计算的K值时应值时应慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的K值。值。tAK例例 题题例例夹套反应釜的内径为夹套反应釜的内径为80cm，釜壁碳钢釜壁碳钢( =50W.m-1.K-1)板板厚厚8mm,衬搪瓷厚衬搪瓷厚3mm ( =1.0W.m-1.K-1)，夹套中通饱和水夹套中通饱和水蒸气蒸气(h=10000W.m-2.K-1)加热，水蒸气温度为加热，水蒸气温度为120，釜内，釜内为有

9、机物为有机物(h=250W.m-2.K-1)，温度为温度为80。求该条件下单位。求该条件下单位面积的传热速率和各热阻占总热阻的百分数。面积的传热速率和各热阻占总热阻的百分数。解：解：因内径因内径0.8m外径外径0.822m,可近似作为平面壁，则可近似作为平面壁，则2111/hhtA0001. 011h00016. 050008. 011003. 01003. 022004. 012h可见：主要热阻在搪瓷衬里和有机物这一侧。可见：主要热阻在搪瓷衬里和有机物这一侧。如果忽略水蒸气和碳钢的热阻，计算结果只相差如果忽略水蒸气和碳钢的热阻，计算结果只相差3.6%。例例 在列管加热器中在列管加热器中,20

10、,20原油流经管内原油流经管内( (h=200W.mh=200W.m-2-2.K.K-1-1) )，管管外用外用120120饱和水蒸气加热饱和水蒸气加热( (h=10000W.mh=10000W.m-2-2.K.K-1-1) )，管子为管子为 4848mmmm2mm2mm无缝钢管无缝钢管( ( =50=50W.mW.m-1-1.K.K-1-1) )，管内油垢层厚为管内油垢层厚为1 1mm mm ( ( =1.0=1.0W.mW.m-1-1.K.K-1-1) )。求通过每米管长的传热速率。若将求通过每米管长的传热速率。若将h h1 1、h h2 2分别提高一倍，则传热速率有何变化？分别提高一倍，

11、则传热速率有何变化？解：解：12211.16.211)(2/mkWrhrrhtTlm时当4001h1.67.3mkWl时当200002h1.18.2mkWl可见：提高原来可见：提高原来h已经很大的这侧流体的传热膜系数，对已经很大的这侧流体的传热膜系数，对总传热的影响是不大的；总传热的影响是不大的；而降低热阻大的这侧流体的热阻，而降低热阻大的这侧流体的热阻，对传热速率的提高则是有意义的。对传热速率的提高则是有意义的。3传热过程的平均温度差传热过程的平均温度差 冷、热流体温度差沿换热器壁面的分布情况，决冷、热流体温度差沿换热器壁面的分布情况，决定了整个换热过程的温度差。定了整个换热过程的温度差。

12、（1）定态恒温传热）定态恒温传热 定态恒温传热是指换热器间壁两侧冷、热两流体定态恒温传热是指换热器间壁两侧冷、热两流体温度在壁面的任何位置、任何时间都不变化，即两流温度在壁面的任何位置、任何时间都不变化，即两流体的温度差沿换热面处处相等，恒定不变。体的温度差沿换热面处处相等，恒定不变。tTtK或或流动形式 并流 ：逆流 ：错流 ：折流 ：两流体平行而同向的流动 两流体平行而反向的流动 两流体垂直交叉的流动 一流体只沿一个方向流动，而另一流体 反复折流 （2）定态变温传热）定态变温传热 定态变温传热时，换热器间壁一侧流体或两侧定态变温传热时，换热器间壁一侧流体或两侧流体的温度流体的温度各点的温度

13、不随时间而变化各点的温度不随时间而变化,但但沿传热面沿传热面的不同位置发生变化，两流体间的温度差的不同位置发生变化，两流体间的温度差t沿换热沿换热器壁面位置变化，且与两流体相对流向有关。器壁面位置变化，且与两流体相对流向有关。热热冷冷冷热假定： 换热器（1）在稳定情 况下操作,内管走热流体, 温度由T1降到T2，套管环隙走冷流体,温度由t1升到t2,两流体以相反方向流动。以以两个套管式换热器为例，来看一下t的变化 ,（1） 工业上冷、热流体在换热器内的相对流向主要有逆流工业上冷、热流体在换热器内的相对流向主要有逆流和并流。和并流。换热器（2）内管走的热流体温度由T1降到T2，环隙冷流体，温度由

14、t1升到t2，只是两流体的流向相同。-并流（2）我们分别求它们的平均温度差:算术平均值:逆流时: t =T1t2; t =T2t1;并流时: t =T1t1; t =T2t2 ;算术平均值只有当 时才能适用,这时误差小于4% 221tttm2/21tt(2)对数平均温度差;当t1 /t2 2时,要才用对数平均温度差,才能比较确切地反映温度变化的实际情况。其计算式为：2121lntttttm例：例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由用冷却水将热流体由100冷却至冷却至40，冷却水进口，冷却水进口温度温度15，出口温度，出口温度3

15、0，试求在这种温度条件下，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。逆流和并流的平均温度差。解解 ： 逆流时：逆流时： 热流体：热流体： 40100 冷流体：冷流体： 15 30 70 251212,lntttttm逆2570ln2570C07 .43并流时：并流时： 热流体热流体 ：冷流体冷流体 ：40100 301585 101212,lntttttm并1085ln1085C035在并流和逆流时，虽然两流体的进、出口温度不变，但逆流时的在并流和逆流时，虽然两流体的进、出口温度不变，但逆流时的tm比并流的大。因此在换热器的传热量比并流的大。因此在换热器的传热量Q及总传热系数及总传热系数K

16、值相同的条件值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积。下，采用逆流操作，可以节省传热面积。逆流的另一优点是节省加热介质或冷却介质的用量。例如，将一逆流的另一优点是节省加热介质或冷却介质的用量。例如，将一定流量的冷流体从定流量的冷流体从20加热到加热到60，而热流体的进口温度为，而热流体的进口温度为90，出口温度不作规定。此时，采用逆流时，热流体的出口温度可以降至出口温度不作规定。此时，采用逆流时，热流体的出口温度可以降至接近接近20，而采用并流时，则只能降至接近于，而采用并流时，则只能降至接近于60。这样，逆流时。这样，逆流时加热介质用量就较并流时的为少。加热介质用量就较并流时的为少。由

17、以上分析可知，逆流优于并流，因而工业生产中换热器多采用由以上分析可知，逆流优于并流，因而工业生产中换热器多采用逆流操作。但是在某些生产工艺的要求下，若对流体的温度有所限制，逆流操作。但是在某些生产工艺的要求下，若对流体的温度有所限制，例如规定冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得例如规定冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低于某一温度，则宜采用并流操作。低于某一温度，则宜采用并流操作。 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工艺热负荷L。 通过热负荷的计算，可以确定换热器所

18、应具有的通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的传热速率，再依据此传热速率可计算换热器所需的传传热速率，再依据此传热速率可计算换热器所需的传热面积等热面积等。 （1）热负荷）热负荷热负荷的计算根据工艺特点有两种情况：热负荷的计算根据工艺特点有两种情况： 流体在传热中只有相变的场合流体在传热中只有相变的场合 LqmL式中式中 qm流体的质量流量，流体的质量流量，kgs-1； L流体的相变热流体的相变热kJkg-1流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合L=qmcp(t2-t1)式中式中cp流体的比定压热容，流体的比定压热容，kJkg-1K-1； t1,t

19、2流体传热前后的温度，流体传热前后的温度，K；若换热器中两种流体无相变化，且流体的比定压热若换热器中两种流体无相变化，且流体的比定压热容不随温度变化或可取平均温度下的比定压热容时：容不随温度变化或可取平均温度下的比定压热容时：L,12,21()()p hm cp ccTTqcttm,hq式中式中L换热器的热负荷，换热器的热负荷，kJs-1；,p hp ccc分别指热、冷流体的比定压热容，分别指热、冷流体的比定压热容，kJkg-1K-1； 1221, ,T T t t分别指热流体的进、出口温度和冷流体的分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、出口温度，进、出口温度，K。 若换热器中的热流体有相变

20、，如饱和水蒸气的冷若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸气的冷凝时：凝时： L,21()m cp cLqcttmq（2）热量衡算）热量衡算例例 用用134的饱和水蒸气的饱和水蒸气(304kPa)通入夹套通入夹套,使沸腾的甲苯气使沸腾的甲苯气化成甲苯蒸气送往反应器化成甲苯蒸气送往反应器,甲苯沸点为甲苯沸点为110.6(气化热气化热363.5 kJ.kg-1),加热面为加热面为1m2,每小时气化每小时气化200kg甲苯甲苯.求传热系数求传热系数K。若保温后尚有若保温后尚有10%热损失，求水蒸气每小时消耗量。热损失，求水蒸气每小时消耗量。根据需要传热速率应为：根据需要传热速率应为：kW2 .20360

21、02005 .363由总传热方程得：由总传热方程得：12.863)6 .110134(120200KmWtAK水蒸气凝结热水蒸气凝结热2.16103kJ.kg-1，消耗水蒸气量：消耗水蒸气量：10 .373600216010. 12 .20hkgqm定态定态:解解:mhmcmtKALqLq,4.5 换热器的选择及传热过程的强化换热器的选择及传热过程的强化1换热器的选择换热器的选择 冷、热流体的流量、进出口温度、操作压力等；冷、热流体的流量、进出口温度、操作压力等； 冷、热流体的物性参数；冷、热流体的物性参数； 冷、热流体的工艺特点、腐蚀性、悬浮物含量等。冷、热流体的工艺特点、腐蚀性、悬浮物含量

22、等。 换热器的选择，是在换热器系列化标准中确定换热器的选择，是在换热器系列化标准中确定合适的换热器类型和规格的过程。合适的换热器类型和规格的过程。换热器的选择首先要考虑以下事项。换热器的选择首先要考虑以下事项。（1）了解换热任务，掌握基本数据及特点。）了解换热任务，掌握基本数据及特点。 （2）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。如选定列管换热器，对换热流体流动空间可按下列原则如选定列管换热器，对换热流体流动空间可按下列原则确定。确定。 不洁流体或易结垢、沉淀、结晶的流体走管程；不洁流体或易结垢、沉淀、结晶的流体走管程；需提高流速以增大对流传热系

23、数的流体走管程；需提高流速以增大对流传热系数的流体走管程；腐蚀性流体走管程，以免腐蚀壳体和管束；腐蚀性流体走管程，以免腐蚀壳体和管束；压力高的流体走管程，管子耐压性好；压力高的流体走管程，管子耐压性好； 饱和蒸气宜走管程，便于排出冷凝液；饱和蒸气宜走管程，便于排出冷凝液； 粘度大或流量较小的流体宜走壳程，可在低粘度大或流量较小的流体宜走壳程，可在低 Re（Re100）达到湍流；）达到湍流； 需冷却的流体一般选壳程，便于散热。需冷却的流体一般选壳程，便于散热。 流体定性温度，查取或计算定性温度下有关物流体定性温度，查取或计算定性温度下有关物性数据；性数据； 由传热任务计算热负荷；由传热任务计算热

24、负荷； 作出适当选择，并计算对数平均温度差；作出适当选择，并计算对数平均温度差； 选取总传热系数、估计换热面积，由此可试选选取总传热系数、估计换热面积，由此可试选适当型号的换热器；适当型号的换热器； 核算总传热系数；核算总传热系数； 估算传热面积。估算传热面积。在换热器型式和规格确定中，计算的主要内容有：在换热器型式和规格确定中，计算的主要内容有：2传热过程的强化传热过程的强化 传热过程的强化目的是充分利用热能，提高换热传热过程的强化目的是充分利用热能，提高换热器单位面积的传热速率；力图以较小的传热面积或较器单位面积的传热速率；力图以较小的传热面积或较小体积的换热器完成一定的传热任务。小体积的

25、换热器完成一定的传热任务。 强化传热过程的主要途径有三条。强化传热过程的主要途径有三条。 （1）增大传热面积）增大传热面积A 增大间壁式换热器传热面积增大间壁式换热器传热面积A，可提高过程的传，可提高过程的传热速率。但增大热速率。但增大A，设备投资费用增大。改进传热面，设备投资费用增大。改进传热面结构，采用螺纹管、波纹管代替光滑管，或采用新型结构，采用螺纹管、波纹管代替光滑管，或采用新型换热器如翅片管式换热器，可以实现单位体积的传热换热器如翅片管式换热器，可以实现单位体积的传热面积增大的效果面积增大的效果用螺纹管或螺旋槽管用螺纹管或螺旋槽管传热量的增加率低于传热面积的增加率。传热量的增加率低于传热面积的增加率。增加传热面积一般是指增大单位体积内的传热面积。增加传热面积一般是指增大单位体积内的传热面积。圆管外表面上加螺旋翅片圆管外表面上加螺旋翅片反应釜内加浸没式蛇管。反应釜内加浸没式蛇管。多孔物质结构多孔物质结构采用小直径管采用小直径管 当工艺规定冷、热流体温度时，采用逆流换热可获当工艺规定冷、热流体温度时，采用逆流换热可获得较大的得较大的tm，亦可改用严格逆流的套管换热器或螺旋，亦可改用严格逆流的套管换热器或螺旋板换热器实现板换热器实现tm的增大。的增大。12111Khh 提高提高h和和、降低、降低都能使都