《理学化工原理》PPT课件.ppt

1、第四章 热量传递及设备,4.5 传热过程计算,化工原理,第五节 总传热速率和传热过程的计算,4-5-1 总传热速率方程 4-5-2 热量衡算 4-5-3 总传热系数 4-5-4 平均温度差 4-5-5 壁温的估算 4-5-6 传热效率法,4-5-1 总传热速率方程,dQ = K (T-t) dA = Kt dA,Ai, A0, Am,4-5-2 热量衡算,若换热器内两种流体均无相变，且流体的比定压热容 不随温度变化时，热量衡算可表示为：,若换热器中流体有相变化，例如饱和蒸气冷凝，冷凝液 在饱和温度下离开。 式中：r为饱和蒸气的潜热，J/kg; Cp,c为冷却剂的比定压热容，J/kg K,若冷凝

2、液温度低于饱和温度离开换热器 式中：Cp,h为冷凝液的比定压热容，J/kg K； ts为饱和蒸汽温度，,各部分传热速率方程：,管内侧流体：,管壁导热：,管外侧流体：,各部分传热速率方程：,管内侧流体：,各部分传热速率方程：,管内侧流体：,各部分传热速率方程：,管内侧流体：,管壁导热：,各部分传热速率方程：,管内侧流体：,管外侧流体：,管壁导热：,各部分传热速率方程：,管内侧流体：,4-5-3 总传热系数,1总传热系数K值的计算,对稳态传热:,式中，K 总传热系数，W/m2K。 注意： K 与 A 对应，选Ai、Am 或 A0,故稳态传热时，,总传热系数计算公式,传热系数和传热面积,K 传热系数

3、，表示换热设备性能的重要参数。,(1) K的计算 在实际生产中以外表面积A0作为传热面积。,K的来源： 实验测定； 取生产实际的经验数据； 计算求得。,2污垢热阻,Ri 和 RO,实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻：,圆管中：,平壁：,3控制热阻,从上面的式子可以看出，提高总传热系数，需设法减小热阻，而传热过程中各层热阻的值并不相等，其中热阻最大的一层就是传热过程中的控制热阻。只有设法降低控制热阻，才能较大的提高传热速率。 当管壁热阻均可忽略时：,【例题】,4-5-4 平均温度差,几点假设： 稳态传热 两流体的比定压热容均为常数 K为常数 忽略热损失 （1） 恒温传热（两侧流体温度恒定）,整台换

4、热器分析，并建立传热速率方程,沿管长某截面取微元传热面积dA，,传热速率方程：,热量衡算方程：,（2）并流或逆流变温传热,当qmhcph、 qmccpc=常数时， Q-T、 Q-t为线性关系， 所以， Q-(T-t)也为线性关系。,说明：,并流：, 逆流：,进、出口条件相同时，,工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）。,【例题】,3错流和折流时平均温度差,【例题】,查图4-39,4不同流动形式的比较,【例题】 有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为89mm3.5mm，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ah=230W/（m2K），水的

5、对流传热系数 ac=290W/（m2K）。忽略污垢热阻。试求：冷却水消耗量；并流和逆流操作时所需传热面积；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。,解 苯的平均温度,比热容cph=1.86103J/（kgK） 苯的流量qm,h=2000kg/h，水的平均温度,水的比热容cpc=4.178103J/（kgK）。 热量衡算式为,热负荷,冷却水消耗量,（忽略热损失）,以内表面积Ai为基准的总传热系数为Ki，碳钢的导热系数,=45W/（mK）,=4.35103+7.46105+3.18103 =7.54103m2K/W Ki=133

6、W/（m2K），本题管壁热阻与其它传热阻力相比很小，可忽略不计。,传热面积,传热面积,逆流操作 Si=6.81m2，,设冷却水出口温度为t2，则,，,t2=8033.4=46.6 水的平均温度t=（15+46.6）/2=30.8，cpc=4.174103J（kg） 冷却水消耗量,逆流操作比并流操作可节省冷却水：,50 t2 15,35,4-5-5 壁温的估算,4-5-6 传热效率-传热单元数法 设计型计算无须试差法,操作型计算需用试差法。 设计型计算,总之，对于设计型计算冷、热流股的温度都已知，或者可以通过热流量衡算达到已知，无须试差。, 操作型计算 已有一台面积为A的换热器，若用其加热某流体

7、，,若采用1955年由凯斯导出的传热效率及传热单元数法，则能避免试差而方便地求得其解。,(1) 传热效率和传热单元数, 传热效率,逆流：,哪一侧流体能获得最大的温度变化（T1-t1）max， 这将取决于两流体热容量流率(qmcp)的相对大小。,并流：,传热单元数NTU (The Number of Transfer Units ), 传热效率和传热单元数的关系,传热单元数物理意义：单位传热推动力引起的温度变化； 表明了换热器传热能力的强弱。,单程并流为例，假设冷流体为最小值流体,为便于工程计算，将、NTU、R之间关系绘制成曲线,(3) 应 用已知R和NTU，可求得， 进而求t2 和t2 ， 可避免试差计算。,注意：,设计型计算：已知th1，th2，tc1 ，qmc，qmh，K，求传热面积A； 采用对数平均温度差法,操作型计算： 已知th1 ，tc1，qmc，qmh，K，A 求th2 、tc2、Q。 采用传热效率法，不必试算。,【例题】 在一传热面积为15.8m2的逆流套管换热器中，用油加热冷水。油的流量为2.85kg/s，进口温度为110；水的流量为0.667kg/s，进口温度为35。油和水的平均比热容分别为1.9kJ/(kg)及4.18 kJ/(kg)。换热器的总传热系数为320W/（m2）试求水的出口温度及传热量。,解：本题用NTU法计算。 qhcph=2.85190