化工原理（第2版）上册 课件 5-6 传热问题的解决

1传热问题的解决5.6.1总传热系数5.6.2热量衡算式和总传热速率方程5.6.3换热器的平均传热温差5.6.4设计型问题的解决5.6.5操作型问题的解决5.6.6传热效率－传热单元数法5.6.7传热过程强化传热－传热问题的解决24.6.1总传热系数一段换热管微元，①管外流体

管外壁②管外壁管内壁③内壁

管内流1总传热系数的定义——三个串联的子过程传热－传热问题的解决－总传热系数定态时，dQ1/(KdA)圆管，取A=A1K1—(以外表面为基准的)总传热系数，W/(m2∙K)如果A取A21/K2=……总传热QQ，对流传热Q，导热，对流传热下标：1-管外；2-管内②K的值~所取传热面(积)平壁(或管壁很薄)，d1=d2=dm③

K：换热器的平均值2污垢热阻1/K—总热阻定性温度3管外管内说明

平均的

常取管外表面，即A=A1传热－传热问题的解决－总传热系数＝∑分热阻Rs

和K的大致范围—经验值使用……，Q

，表现为

T2

或t2

换热表面，污垢层控制热阻——对总热阻1/K的贡献显著高于其他热阻——污垢热阻(Rs)Q内外K=K1t2T1T2t1Tt污垢层污垢层①K的物理意义40.090.1760.2640.1761.0561.760.26～0.530.14劣质(不含油)

往复机排出液体处理过的盐水有机物燃料油焦油气体空气溶剂蒸汽0.090.090.210.580.260.260.580.052水(u<1m／s，t＜50℃)

蒸馏水海水清净的河水未处理的凉水塔用水巳处理的凉水塔用水巳处理的锅炉用水硬水、井水水蒸汽优质(不含油)污垢热阻/（m2·K/kW）

流体

污垢热阻/(m2·K/kW）

流体

常见流体的污垢热阻565.6.2换热器的热量衡算式和总传热速率方程

热流体：qm1,T1,T2,cp1冷流体：qm2,t1,t2,cp2Q放=Q吸—W(1)两流体均无相变化定态传热，忽略热损失，(2)饱和蒸汽冷凝为饱和液体(3)饱和蒸汽冷凝(段)+冷却(段)，T1＝Ts

＝T2—T1=Ts>T21热量衡算式传热－传热问题的解决－热量衡算方程和总传热速率方程qm2,t2qm1,T1qm1,T2qm2,t1Ttt

t2

t1

lt1t2T2T1Ts

t2t

t1

lt1t2T2T1Ts

t2

t1

lt1t2T2T1冷却段冷凝段—一侧恒温7—以无相变逆流为例推导2总传热速率方程——换热器整个传热面上的传热速率Qqm2,t2qm1,T1qm1,T2qm2,t1Tt微元段(小虚框)：

tT~t—线性(T-t)~T—线性

t1

t21/tm—总传热速率方程，W。单位时间内通过A的传热量大虚框：tT

t

t2

t1

lt1t2T2T1Q传热－传热问题的解决－热量衡算方程和总传热速率方程8，两端温差的对数平均值—换热器的平均传热温差(平均推动力)其中

tm的大小~流式3方程的联立Q放＝Q吸＝Q传—解决两流体换热问题总传热速率方程(对各流式均适用；tT

t

t2

t1

lt1t2T2T1传热－传热问题的解决－热量衡算方程和总传热速率方程注意A与K的对应)

~

tm=……无相变：冷凝为饱和液：冷凝+冷却：9(1)逆流—平行而反向(2)并流—平行而同向（3）错流—两流体流向垂直5.6.3换热器的平均传热温差

1常见流式及其Δtm计算T1T2t2t1(4)折流T1T2t1t21-2型T1T2t21-3型t1T1T2t1t22-4型T1T2t1t2

t1

t2对数平均T1T2t2t1

t1

t2对数平均传热－传热问题的解决－换热器的平均传热温差

10①先按逆流算

tm逆

②在图中查温差校正系数

横参数③错流和折流的

tm

计算(Underwood&Bowman)

单壳程、偶管程列管换热器温差校正系数传热－传热问题的解决－换热器的平均传热温差11传热－传热问题的解决－平均传热温差122相关讨论

当1<

t1/t2<2

T1、T2、t1、t2一定时—可用算术平均代替对数平均

tm：并<其它<逆推动力—逆流最优，最小的A完成一定的Q

逆流时，可能t2>T2

并流的优点

节省热、冷剂量—被加热的冷流体不易过热

采用折流或错流

K

但

tm折,错<

tm逆权衡！，或多回收热量一般要求

>0.9不许

<0.8

一侧恒温时t2t1T1T2t1t2

lt1t2T2T1，＝tm逆传热－传热问题的解决－换热器的平均传热温差，

tm与流式无关，压降大135.6.4设计型问题的解决问题：冷却剂用量？①传热任务

热负荷

传热任务：②选择冷却剂t2、流式等③剩下的……由Q＝KA

tm

A需例如，qm1的热流体，T1

T2

A需<A实际？选型：……传热－传热问题的解决－设计型问题的解决1问题描述和基本解决方法求

1、

2判断：已有的换热器能否完成任务？判断说明：

计算

tm

、冷却剂

qm2、或说明、或选型

K；换热管长l、管数n、管程数N压降<规定值？通过计算给出142列管式换热器选型(1)相关条件选择②流道的选择

③流速的选择④流式的选择⑤换热管规格及排列方式的选择①冷却(加热)剂出口温度的选择所选t2或T2

tm

A(2)试算——在候选系列中找出合适的(4)校核A实>A需传热－传热问题的解决－设计型问题的解决流体：管程？壳程？~

(K)、压降、污垢热阻~

tm、

(K)、压降管长:1.5、2、3.0、4.5、6.0、9m；管径：192，252、252.5mm⑥折流板的选择圆缺高度和板间距和qm

管长l、管数n、管程数N…(3)初选压降<规定值(15%~25%的裕度)；15流体管程壳程理由易结垢的√易清洗腐蚀性强的√避免管、壳同时腐蚀黏度大的√

大饱和蒸汽√凝液易排、清洁压强高的√耐压被冷却的√易散热流量小的√

大T－t较大时

大的√减小热应力0.2～1.5>0.53～150.5～3>15～30一般液体易结垢液体气体壳程管程流速/(m·s-1)流体种类列管式换热器常见的流速范围1.51.82.4100～3535～1

10.60.751.1>15001500～500500～100最大流速/(m·s-1)液体黏度/(mPa

s)最大流速/(m·s-1)液体黏度/(mPa

s)液体黏度~管程最大流速流道的选择传热－传热问题的解决－设计型问题的解决165.6.5操作型问题的解决

——已有换热器已知：结构和尺寸(A,l,N,n…)；T2、t2或Q？(1)逆流、无相变时传热－传热问题解决－操作型问题的解决1第一类问题＝KA

tm热量衡算式—流体出口温度关系式求运行结果：操作条件(T1,t1,qm1,qm2)17——T2~t2线性关系(4)两侧都不恒温，且存在折流，(2)并流时(3)一侧温恒(蒸汽冷凝饱和液体)

直接解出t2

或T试差！传热－传热问题解决－操作型问题的解决联立

T2和t2

Q

lt1t2T2T1T(另一侧可以为折流)(不必试差tm用算术平均1<

t1/t2<2)联立

T2和t218已知：

换热器的结构与尺寸；求：

qm2、t22第二类问题（以逆流为例）出口温度关系式非线性试差！①假定t2

qm2②qm1、qm2

1、

2

K③出口温度关系式

t’2

④t2与t’2足够接近？No!返回①Yes,计算结束!说明：②如果

tm用算术平均—线性方程与热量衡算式联立，无需试差

qm2、t2传热－传热问题解决－操作型问题的解决qm1,

T1,

T2,t1①即使一侧恒温，也要试差。193壁温的计算已知T1、T2、t1、t2、A、

1、

2

求

tm和K

Q

求平均温度T=(T1+T2)/2

t=(t1+t2)/2往往是：TW

tW壁温接近于……

大的流体温度对换热管(以热流体在管外为例)平均值传热－传热问题解决－操作型问题的解决205.6.6

传热效率-传热单元数法—解决操作型问题(以逆流无相变为例—热流体的热容流量比—热流体的传热效率—热流体的传热单元数传热－传热问题的解决－传热效率-传热单元数法qmcp—热容流量R1NTU1(

~NTU

法)下标2冷流体t2t1T1T2出口温度关系式：；下标：热-1，冷-2)第二类问题，仍要试差21

-NTU法：第一类操作型上页式

R2和NTU2

2的计算式，求出

2

2的定义式，求出口温度(t2)

热衡算式，求另一流体出口温度(T2)第二类操作型需联解NTU和

的计算式，试差！说明参数—RNTU

一侧恒温

换热器的传热效率＝Q实际/Qmax逆流时并流时传热－传热问题的解决－传热效率-传热单元数法针对某流体(冷流体)，

-NTU

关系图，，认为R＝0，=qmcp较小的流体的

第二类问题，仍要试差后两种流式必须查图22传热－传热问题的解决－传热效率-传热单元数法235.6.7传热过程的强化

1增加传热面积A

①选用更大的换热器；②采用结构紧凑的换热器；2提高传热温差

tm①尽可能采用逆流②采用T较高的加热剂或t较低的冷却剂；③提高加热剂或冷却剂的流量——提高总传热速率传热－传热问题的解决－传热过程的强化强化传热增加A、提高

tm和K③采用翅片管、螺纹管……多台串、并联灵活地增加A(套管式、平板式等)；24（1）如果Rs很大，考虑如何延缓（2）提高

，3提高总传热系数