5稳定传热过程计算传热计算主要有两种类型20课件

传热计算主要有两种类型：

设计计算(热负荷)

根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。

校核计算（操作型）

计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。5

稳定传热过程计算计算基础：热量衡算方程和传热速率方程。

5.1传热的基本方程热流体Wh1,Th1,cph1,Hh1Th2

Hh2冷流体Wc1,tc1,cpc1,hc1tc2hc2无热损失：——总传热速率方程式中K——局部总传热系数，w/（m2·℃

）

T——换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃t——换热器的任一截面上冷流体的平均温度，℃

t——传热温度差总传热系数与选择的对应传热面积有关

总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。Q=Ki(T-t)Si=Ko(T-t)So=Km(T-t)Sm

式中

Ki、Ko、Km——基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积

的总传热系数，

w/（m2·℃

）

Si、So、Sm——换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积，

m2

注：在工程大多以外表面积为基准。

对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有

上式即为换热器的热量恒算式。式中

Q——换热器的热负荷，kJ/h或w

W——流体的质量流量，kg/h

H——单位质量流体的焓，kJ/kg

下标c、h分别表示冷流体和热流体，下标1和2表示换热器的进口和出口。Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1)

5.2热量衡算

若换热器中两流体无相变时，且认为流体的比热不随温度而变，则有式中

cp——流体的平均定压比热，kJ/（kg·℃

）

tc——冷流体的温度，℃

th——热流体的温度，℃

Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)

若换热器中的热流体有相变，如饱和蒸汽冷凝时，则有

式中

Wh——饱和蒸汽（热流体）的冷凝速率，kg/h

r——饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kgQ=Whr=Wccpc(t2-t1)注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。

1、液体比热指单位质量液体升高1℃需要吸收的热量或降低1℃放出的热量。2、冷热流体通过间壁换热的过程为对流传热、传导传热、对流传热的串联。3、冷热流体热交换时，如果不考虑热量损失，Q热=Q冷4、冷热流体热交换时，如果考虑热量损失，Q热=Q冷+Q损1、计算流量为800kg/h的100℃的蒸汽冷凝为100℃饱和液体所放出的热量。已知100℃蒸汽的潜热为2258.4kJ/kg2、将0.5kg/s，80℃硝基苯，通过一换热器冷却到40℃，冷却水初温为20℃，出口温度不超过35℃。如热损失可以忽略，试求该换热器的热负荷及冷却水用量。已知硝基苯和水的比热分别为1.6kJ/kg·℃和4.187kJ/kg·℃。t2t1T1T2对流对流导热冷流体Q热流体定态传热：5.3总传热系数tT对流对流导热冷流体Q热流体QTWtWQ1=αi(T-Tw)Si

Q3=αo(tw-t)SoQ2=(λ/b)·(Tw-tw)Sm

Ai——内侧传热面积，m2αi——内侧对流传热系数,W/(m2·K)Ao——内侧传热面积，m2αo——内侧对流传热系数,W/(m2·K)Am——平均传热面积，m2λ——材料的导热系数，W/(m·K)δ——传热面的厚度.m定态传热：由上三式可得所以Q=Ko(T-t)So=Km(T-t)Sm=Ki(T-t)Si

因为因为总传热系数表示热阻形式总传热系数（以外表面为基准）为同理平壁或薄壁时

在计算总传热系数K时，污垢热阻一般不能忽视，若管壁内、外侧表面上的热阻分别为Rsi及Rso时，则有当传热面为平壁或薄管壁时，di、do、dm近似相等，则有5.3.2污垢热阻

当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，则可简化为若αo<<αi，则有总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制，即当两个对流传热系数相差较大时，欲提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的α。若两侧的α相差不大时，则必须同时提高两侧的α，才能提高K值。若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。由上可知：例

一列管式换热器，由Ø25×2.5mm的钢管组成。管内为CO2，流量为6000kg/h，由55℃冷却到30℃。管外为冷却水，流量为2700kg/h，进口温度为20℃。CO2与冷却水呈逆流流动。已知水侧的对流传热系数为3000W/m2·K，CO2

侧的对流传热系数为40W/m2·K。试求总传热系数K，分别用内表面积Ai，外表面积Ao表示。已知

CO2侧污垢热阻Rai=0.53×10-3m2·K/W，水侧污垢热阻Rao=0.21×10-3m2·K/W解：查钢的导热系数λ=45W/m·K

以内、外表面计时，内、外表面分别用下标i、o表示。

1、管壁及污垢热阻可略,对薄管壁来说,当两流体对流体热系数相差悬殊时如),为有效提高K值，关键在于（

）B提高

C减小垢层热阻D提高管内流体流量

2、当管壁及污垢热阻可忽略时，薄管壁求K公式可简化为：此时若，则有

。3、某化工厂，用河水在一间壁式换热器内冷凝有机蒸汽，经过一段时间运行后，发现换热器的传热效果明显下降，分析主要原因是

。A提高4、总传热系数的倒数代表

提高值的关键是

。5、总传热系数K的物理意义是什么？影响K值的主要因素有哪些？6、间壁式换热的总传热系数与两侧的对流传热及传热面的情况有关。（）7、当管壁较薄时，两侧对流传热系数相差较大时，要提高K，关键在于提高热阻大的一侧对流传热系数。（）

两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。

Δt=T-t

式中

T——热流体的温度℃；

t——冷流体的温度℃。

5.4传热平均温度差的计算

按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况，可将传热分为恒温传热与变温传热两类。

5.4.1恒温传热

在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为稳定的变温传热过程。该过程又可分为下列两种情况：

(1)间壁一侧流体恒温另一侧流体变温，如用蒸汽加热另一流体以及用热流体来加热另一种在较低温度下进行沸腾的液体

。(2)间壁两侧流体皆发生温度变化，这时参与换热的两种流体沿着传热两侧流动，其流动方式不同，平均温度差亦不同。即平均温度差与两种流体的流向有关。生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况。

5.4.2变温传热

并流

参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。

生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：

逆流

参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动。错流

参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动。

折流

简单折流：一侧流体只沿一个方向流动，而另一侧的流体作折流，使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。

并流逆流错流折流12121212图

换热器中流体流向示意图1）逆、并流时的

tmt1t2T2T1

t2tAt1T2T1逆流

t2tAt1T2T1并流t1t2T1T2T2t1t2T1dTdtdAAt

t2

t1Tt

t1

t2

t2tAt1T2T1并流（1）

tm的计算式适用于并流、逆流讨论：（3）当

t1/t2<2，可用（4）当

t1＝

t2（2）较大温差记为

t1，较小温差记为

t2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℃

逆流℃

℃

逆流操作时，因Δt2/Δt1<2，则可用算术平均值℃

由上例可知：当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的平均温度差比并流时大。

在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对冷流体的温度有限制时才采用并流操作。

注：流体流动方向的选择在一间壁式换热器中用初温为20℃的水冷却渣油，渣油的进口温度为310℃，出口温度为210℃，水的出口温度为90℃，若两流体作逆流流动，求平均温差。进出口温度分别为85℃和40℃的热流体对进口温度为20℃的冷流体进行加热，规定冷流体出口温度不超过40℃，则必须采用并流还是逆流操作？1、恒温传热，逆流和并流的传热温度差是一样的。2、一侧恒温，一侧变温，逆流和并流的传热温度差（

）A、Δtm逆>Δtm并B、Δtm逆<Δtm并C、Δtm逆=Δtm并D、无法确定3、两侧均为变温的传热过程，逆流和并流的传热温度差（

）A、Δtm逆>Δtm并B、Δtm逆<Δtm并C、Δtm逆=Δtm并D、无法确定4、完成同一加热任务，当热流体消耗量及热流体的终温相同时，由于逆流对数平均温差大于并流，故所需的传热面积必小于并流。（）

方法：先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差Δtm逆，然后再乘以校正系数φΔt,即

Δtm=φΔt·Δtm逆

校正系数φΔt与冷、热两种流体的温度变化有关，是R和P的函数，即

φΔt=f(R，P)式中

R=(T1-T2)/(t2-t1)=热流体的温降/冷流体的温升

P=(t2-t1)/(T1-t1)=冷流体的温升/两流体的最初温差

4错流和折流时的平均温度差

φΔt值恒小于1，这是由于各种复杂流动中同时存在逆流和并流的缘故。

通常在换热器的设计中规定，φΔt值不应小于0.8。若低于此值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串联使用，使传热过程接近于逆流。

根据冷、热流体进、出口的温度，依上式求出R和P值后，校正系数φΔt值可根据R和P两参数从相应的图中查得。

2管程,1壳程4管程,2壳程用一单程列管式换热器加热香蕉浆，该换热器由直径为φ25mm×2.5mm的管束组成。香蕉浆流经管程，流量为5000kg/h，比热容为3.66kJ/kg·℃，进口温度为16℃，出口温度为75℃，热水流经壳程,热水流量为10000kg/h，进口温度为95℃，热水和香蕉浆作逆流流动，已知水侧和香蕉浆侧的对流传热系数分别为1.70kW/(m2·℃)和0.85kW/(m2·℃)，管壁材料的导热系数为45W/m·℃，污垢热阻忽略不计。试求换热器的传热面积。解：依传热的基本方程式求受热面积解得th2=69.2℃有一套管式换热器，由φ57mm×3.5mm与φ89mm×4.5mm的钢管组成。果汁在细管内流动，流量为5000kg/h，由60℃冷却到30℃，果汁侧的对流传热系数为1512W/m2℃。冷却水在内管与外管之间的环隙内流动，其入口温度为20，出口温度为25。水侧的对流传热系数为6897W/m2℃

，采取逆流操作。试求冷却水用量和所需套管的长度。计算中忽略热损失及垢层热阻，已知管壁材料的导热系数为46W/m2℃,果汁的比热为2.6kW/kJ℃。解：1冷却水用量水在平均温度22.5时的比热为依题意Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)2套管长度（1）热负荷Q=Whcph(T1-T2)（2）传热系数（3）传热温度差（4）传热面积所需套管长度有一套管式换热器，由φ57×3.5mm与φ89×4.5mm的钢管组成。甲醇在细管内流动，流量为3000kg/h，由70℃冷却到40℃甲醇侧的对流传热系数αi为1500W/m2·℃。冷却水在内管与外管之间的环隙内流动，其入口温度为25℃，出口温度为30℃，水侧的对流传热系数αo为6800W/m2·℃。采取逆流操作，试求（1）冷却水的用量，（2）总传热系数K，（3）平均传热温度差，（4）所需套管的长度。计算中忽略热损失及垢层热阻，且已知管壁材料的导热系数为46W/m·℃，甲醇的平均比热为2.6kJ/