《化工原理》课件 章节3-4传热过程计算

1、第 3 章 传热3.4.1 换热器的热量平衡方程3.4.2 总传热系数3.4.3 总传热速率方程3.4.4总传热速率方程与热量平衡方程的联用3.4.5 平均传热温差的计算3.4.6 传热过程的设计型计算3.4.7传热过程的操作型计算3.4.8 设备壁温的计算3.4 传热计算2022/8/24传热计算 设计计算 校核计算 根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。 判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。 依据：总传热速率方程和热量恒算2022/8/24 热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化的相互关

2、系 对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即： 换热器的热量衡算式应用：计算换热器的传热量 若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时 3.4.1 换热器的热量平衡方程2022/8/24 若换热器中热流体有相变化，例如饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下离开。 若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器 2022/8/243.4.2 总传热系数3.4.2.1 总传热系数K的定义流体通过管壁的传热包括： 2) 通过管壁的热传导 3) 管外冷流体与管外壁的对流传热 1) 管内热流体与管内壁的对流传热2022/8/24

3、利用串联热阻叠加原则：间壁换热器总传热速率为： 2022/8/24若以外表面为基准，即dA=dA1 基于外表面积总传热系数计算公式2022/8/24基于外表面积总传热系数计算公式同理： 换热面为平面时2022/8/243.4.2.2 总传热系数的大致范围P135表372022/8/243.4.2.3 污垢热阻 在计算传热系数K值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。 若管壁内外侧表面上的污垢热阻分别用Rs2和Rs1表示，根据串联热阻叠加原则， 2022/8/24当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，若则总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控

4、制。提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的。两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，才能提高K值。污垢热阻为控制因素时，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。2022/8/24例：有一列管换热器，由252.5的钢管组成。CO2在管内流动，冷却水在管外流动。已知管外的1=2500W/m2K，管内的2= 50W/m2K 。（1）试求传热系数K；（2）若1增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大的百分率；（3）若增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增大的百分率。2022/8/24解：（1）求以外表面积为基准时的传热系数取钢管的导热系数=45W/mK，冷却水测的污垢热阻Rs1=0.5

5、810-3 m2K/WCO2侧污垢热阻Rs2=0.510-3 m2K/W则：2022/8/24(2)1增大一倍，即1 =5000W/m2K时的传热系数KK值增加的百分率2022/8/24（3）2增大一倍，即2 =100W/m2K时的传热系数K值增加的百分率2022/8/243.4.3 总传热速率方程 通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出：总传热速率微分方程 or 传热基本方程 K局部总传热系数，（w/m2） 物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。2022/8/24 当取t和k为整个换热器的平均值时，对于整个换热器，传热基本方

6、程式可写成：K换热器的平均传热系数，w/m2K 或总传热热阻 注意：其中K必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。2022/8/24传热基本方程可分别表示为：式中： K1、K1、Km分别为管内表面积、外表面积和内外侧的平均表面积的传热系数，w/m2K A2、A1、Am换热器管内表面积、外表面积和内外侧的平均面积，m2。 注：工程上大多以外表面积为计算基准，K1不再加下标“1”2022/8/243.4.4 总传热速率方程与热量平衡方程的联用2022/8/243.4.5 平均温度差的计算恒温差传热：传热温度差不随位置而变的传热 变温差传热：传热温度差随位置而改变的传

7、热 传热流动形式 并流 ：两流体平行而同向的流动 逆流 ：两流体平行而反向的流动 错流 ：两流体垂直交叉的流动 折流 ：一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流 2022/8/24（1）逆流时的传热温差 假定： 换热器在稳定情况下操作； 流体的比热容均为常量，且传热系数k沿换热面而不变； 换热器无热损失 2022/8/24微元面积dS的传热情况两流体的温差为t 通过微元面dS的传热量为 ： 将（c）、(d)代入(e)式 2022/8/24用 分别表示换热器两端的温差， 并对(f)积分得 2022/8/24联立(b)和(f)得： 积分 ：即： 2022/8/24将（g）式代入 对数平均温度差

8、2022/8/24若两流体并流流动，同样可得到相同的结果。注意：在应用对数平均温度差计算式时，通常将换热器两端温度差t中数值大的写成t2，小的写成t1 当时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。 （2）逆流时的传热温差 2022/8/24例：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100冷却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。解 ： 逆流时： 热流体： 冷流体： 70 252022/8/24并流时： 热流体 ：冷流体 ：85 10可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。2022/8/24(3) 错流

9、和折流时的平均温度差先按逆流时计算对数平均温度差tm逆，在乘以考虑流动型式的温度修正系数，得到实际平均温度差tm。错流和折流时的平均温度差其中计算P,R的值后,可查图得到t的值 2022/8/24(4)关于平均温差的讨论 (1) 在进、出口温度相同的条件下,逆流的平均温度差最大,并流的平均温度差最小,其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。因此，就提高传热推动力而言，逆流优于并流及其他形式流动。当换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。 (2)逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。 换热器应当尽量采用逆流流动，尽可能避免并流流动。 在某些生产工艺有特殊要求

10、时，如要求冷流体被加热时不得超过某一温度或热流体冷却时不得低于某一温度，应采用并流操作。 2022/8/24 当换热器有一侧流体发生相变而保持温度不变时，就无所谓并流和逆流了，不论何种流动型式，只要进出口温度相同，平均温度就相等。 (3)采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数，其代价是平均温度差相应减小，温度修正系数t是用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，一般在设计时最好使t 0.9，至少不能使t 0.8。否则应另选其他流动型式，以提高 t 。2022/8/24 例：通过一单壳程双管程的列管式换热器，用冷却水冷却热流体。两流体进出口温度与上例相同，问此时的传热平均

11、温差为多少?又为了节约用水，将水的出口温度提高到35，平均温差又为多少? 解：逆流时 2022/8/24又冷却水终温提到350C，逆流时： 查图得：2022/8/243.4.6 传热过程的设计型计算（传热面积）（1）由传热任务计算换热器的热负荷 （2）作出适当的选择并计算传热平均温差（3） 计算冷、热流体对管壁的对流传热系数及总传热系数K（4）由传热速率方程计算传热面积2022/8/243.4.7 传热过程的操作型计算计算两种流体的出口温度2022/8/243.4.8 设备壁温的计算2022/8/24习题课-设计型问题举例 例1 在套管式油冷却器里，热油在252.5mm的金属管内流动，冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆为216kg/h，油的进、出口温度