第四章-传热3-传热计算-资料课件

传热平均温度差的计算换热器的热量衡算总传热速率方程总传热系数的计算传热计算4.4.1换热器的热量衡算间壁换热器的换热对流传热（间壁两侧流体）导热（固体间壁、层流内层4.4.1换热器的热量衡算（一）无相变（显热）例：P143例4-51.饱和蒸汽冷凝qmh、qmc－热、冷流体的质量流量，kg/s；rh－热流体饱和蒸气的比汽化焓（汽化潜热，相变热）J/kg。cpc－冷流体的平均质量定压热容（平均比热容），J/（kg.℃）。4.4.1换热器的热量衡算（二）有相变化（潜热）热流体为饱和蒸气，被冷凝，而冷流体无相变化：4.4.1换热器的热量衡算若冷凝液出口温度Ｔ2<饱和温度Ｔs时，有：（２）饱和液体沸腾热流体无相变化，冷流体被加热沸腾，有相变化：例：Ｐ144例4-6。Ｈh1、Ｈh2－热流体进、出换热器的焓，J/kg；Ｈc1、Ｈc2－冷流体进、出换热器的焓，J/kg。4.4.1换热器的热量衡算（三）焓差法载热体有相变，也有温度变化，则可用：传热速率Q是换热器本身在一定操作条件下的换热能力,是换热器本身的特性，二者是不相同的。4.4.2总传热速率方程

换热器的热负荷Q＇是由生产工艺条件决定的,是对换热器换热能力的要求。换热器的传热速率Ｑ值必须≥热负荷Ｑ＇！4.4.2总传热速率方程式中：Δtm：流体的平均温度差，℃；K：比例系数（传热系数），W/(m2.℃)。与间壁两侧液体的对流传热系数有关。实际是整个传热过程的平均值；

S：换热器的传热面积，m2。4.4.2总传热速率方程说明：(1)管径有内径di、外径do和平均直径dm=0.5(di+do);(2)传热面积有管内表面积Si、管外表面积So和平均表面积Sm。4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算（一）恒温传热温差表示与流向无关！（二）变温传热饱和液体沸腾饱和蒸汽冷凝4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算1．一侧变温传热逆流并流2.双侧变温4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算（三）平均温度差Δtm逆流并流4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算讨论：

5)在Q及K分别相同的条件下，采用逆流换热可以节省传热面积，故工业生产中多采用逆流操作。4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算1）习惯上将较大温差记为t1，较小温差记为t23）当t1＝t2时,4）t1、t2，T1、T2相同的条件下2）

时,

(误差<4%)

例

现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为100℃,出口温度为160℃；某反应物在管内流动，进口温度为250℃，出口温度为180℃。试分别计算并流与逆流时的平均温度差。℃解:并流:4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算逆流操作时,Δt1/Δt2=90/80<2,可以用算术平均值,Δtm=(Δt1+Δt2)/2=(90+80)/2=85℃逆流：℃4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算自己解析教材Ｐ153例4-8。流向的选择4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算(1)逆流和并流是两种极端情况。在流体进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，并流最小，其它流动型式的Δtm介于两者之间。从传热推动力来言，逆流最佳。(2)在热负荷Q、K相同时，采用逆流可以较小的传热面积S完成相同的换热任务。4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算(4)逆流时，传热面上冷热流体间的温度差较为均匀。(3)在热负荷Q、S相同时，逆流可以节省加热和冷却介质的用量或多回收热。错流是指两流体在间壁两侧彼此的流动方向垂直；一种流体作折流流动，另一种流体不折流，或仅沿一个方向流动。若两种流体都作折流流动或既有错流又有折流，称为复杂折流。复杂折流错流简单折流（四）折流和错流的平均温度差Δtm4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算Underwood和Bowan图算法:1）先按逆流计算对数平均温差tm逆2）求平均温差校正系数φ3）求平均传热温差查图φ4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算管程：管内流动的行程；流体流过管束一次为单管程，往返多次为多管程。壳程：管外流动的行程；流体流过壳体一次为单壳程，往返多次为多壳程。4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算温差修正系数φ＜1，即Δtm＜Δtm逆。换热器设计时φ值不应小于0.8，否则不经济。增大φ的方法一是更换换热器，另一办法就是改用多壳程。4.4.3

传热平均温度差Δtm的计算作业P177

4-16。（一）总传热速率计算式(取微元进行分析）4.4.4

总传热系数的计算管外对流：4.4.4

总传热系数的计算管壁热传导：对于稳定传热：管内对流：K—总传热系数，W/（m2·K）

4.4.4

总传热系数的计算对圆筒壁传热面

（1）以内表面为基准，即取上式中dS=dSi，则4.4.4

总传热系数的计算（2）以外表面为基准dS=dS0（在换热器系列化标准中常如此规定）（3）以管壁平均表面为基准4.4.4

总传热系数的计算（二）污垢热阻

Rsi、Rso——传热面内、外两侧的污垢热阻，m2·K/W。

取经验值,

可查阅有关手册为消除污垢热阻的影响，应定期清洗换热器。

注意：单位4.4.4

总传热系数的计算几点讨论：1)当传热面为平面薄管壁时，dS=dSi=dS0=dSm，则：

4.4.4

总传热系数的计算2）对于薄管壁,且管壁和污垢热阻可以忽略的情况下:K取决于对流传热系数中小的一个！4.4.4

总传热系数的计算获取K的途径：⑴查取K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K值作为设计依据(Ｐ147表4-10）(2)试验测定4.4.4

总传热系数的计算例：教材P147例4-7。作业P177

4-7、4-8。4.4.5传热计算基本思路：热量衡算方程和传热速率方程联解。思考题：有相变时有什么差别？热量衡算方程不同?以无相变传热为例一）设计型计算4.4.5传热计算以热流体冷却为例1、命题方式：设计任务：Wh，T1，T2设计条件：冷却介质，进口温度t1目的：S或n，l2、计算方法求：Δtm（选择t2）、αi或αo

→

S例题4-9、4-10(教材P154)二）操作型计算第一类命题：某一操作条件变化对换热结果的影响。例如：流体流量变化，冷、热流体进口温度变化等。对比法求解例4-11（P156）4.4.5传热计算特点：换热器一定，即传热面积一定第二类命题（不要求掌握）规定换热结果，计算需要的换热条件。例如：规定换热结果，计算需要的冷流体的流量和出口温度。试差方法：先用算术平均代替对数平均求初值。4.4.5传热计算（二）操作型计算讨论：

1)一般金属壁的大，δ/（Sm）小，tw=Tw

三）壁温计算4.4.5传热计算2)当tw=Tw，得说明传热面两侧的温度差之比等于两侧热阻之比，即哪侧热阻大，温差便大；壁温TW、tW接近于（大）热阻小的一侧流体的温度

3）如果两侧有污垢，还应考虑污垢热阻的影响。4.4.5传热计算三）壁温计算【例设计型】在套管换热器中用20℃的冷却水将某溶液从100℃冷却至60℃，溶液流量为1500kg/h，溶液比热为3.5kJ/(kg·℃)，已测得水出口温度为40℃，试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。若已知并流和逆流时总传热系数K=1000W/(m2·℃)，求并流操作和逆流操作所需的传热面积。4.4.5传热计算解：逆流和并流的平均温差分别是：传热负荷为：逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是：4.4.5传热计算【例设计型】有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为φ89mm×3.5mm，流量为2000kg/h的苯在内管中从80℃冷却到50℃。冷却水在环隙从15℃升到35℃。苯的对流传热系数αh=230W/（m2·K），水的对流传热系数αc=290W/（m2·K）。忽略污垢热阻。试求：①冷却水消耗量；②并流和逆流操作时所需传热面积；③如果逆流操作时所采用的传热面积与并流时的相同，计算冷却水出口温度与消耗量，假设总传热系数随温度的变化忽略不计。(P1774-9)4.4.5传热计算解

①苯的平均温度，

℃

比热容cph=1.86×103J/（kg·K）水的平均温度℃，比热容cpc=4.178×103J/（kg·K）。

热量衡算

(忽略热损失)

W冷却水耗量kg/h4.4.5传热计算=4.35×10－3+7.46×10－5+3.18×10－3

=7.54×10－3m2·K/W②以内表面积Si为基准的总传热系数为Ki，碳钢的导热系数=45W/（m·K）Ki=133W/（m2·K）4.4.5传热计算并流操作

m2℃80501535℃℃4.4.5传热计算逆流操作

m28050℃1535℃℃4.4.5传热计算③逆流操作

S1=6.81m2，设冷却水出口温度为t'2

t'2=46.6℃℃逆流操作8050℃15t'2℃℃4.4.5传热计算水的平均温度t’=（15+46.6）/2=30.8℃，c'pc=4.174×103J（kg·℃）冷却水耗量逆流操作比并流操作可节省冷却水：kg/h若使逆流与并流操作时的传热面积相同，则逆流时冷却水出口温度由原来的35℃变为46.6℃，在热负荷相同条件下，冷却水消耗量减少了36.6%。4.4.5传热计算【例设计型】在单管程列管式换热器中用0.3MPa(表压)的饱和蒸汽将流量为2000kg/h的某溶液从20℃加热至80℃，溶液走管程，蒸汽走壳程，冷凝水于饱和温度下排出，换热器内装有23根Ø25×2.5mm的管子，已知溶液的比热Cpc=2.8kJ/(kg·K)，密度r=850kg/m3，总传热系数K=1000W/(m2·K),传热温差近似取为蒸汽的饱和温度与溶液的平均温度之差，溶液的平均温度取为进、出口温度的算术平均值。忽略换热器的热损失，试确定：⑴溶液在管内的流速；⑵蒸汽的消耗量；⑶换热管的长度。4.4.5传热计算解：⑴溶液的体积流量：管程流通截面积：管内平均流速：⑵查得表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝潜热rh=2140kJ/kg,蒸汽消耗量4.4.5传热计