化工原理(少学时)课件和辅导教程、考试重点例题复习题及课后答案2.5. 传热过程的计算.ppt

1、1,理论知识与实践相结合,2,第五节 两流体间传热过程的计算,3,一、热量衡算,无热损失：,4,式中 Q 热流体放出或冷流体吸收的热量，W； qm1,qm2 热冷流体的质量流量，kg/s； h1,h2 冷流体的进出口比焓，J/kg； H1,H2 热流体的进出口比焓， J/kg 。,热量衡算：,5,1.无相变，且Cp可视为不随温度变化时,热量衡算：,式中 cp1,cp2 热冷流体的比热容， J/(kg) ； t1,t2 冷流体的进出口温度， ； T1,T2 热流体的进出口温度， 。,6,2.有相变时：,2.1饱和蒸汽冷凝：,TS 热流体的饱和温度，。,r 热流体的汽化潜热，kJ/kg；,2.2冷

2、凝液出口温度T2低于饱和温度TS :,7,例题： 试计算压力为150kPa，流量为1500kg/h的饱和水蒸气冷凝后降温至50时所放出的热量。 解：Q=qm1r+ Cp1(T1-T2) 查水蒸气表： 150kPa时的饱和温度ts111 ，比汽化热 r2.229106J/kg，冷凝水从111 降到 50 ，平均温度为80.5 ，比热容 Cp1=4.196 103J/（kg ）。,8,传热计算的出发点和核心：,9,1. 恒温传热,二、传热平均温度差,10,2.1 一侧变温传热,一侧饱和蒸汽冷凝，另一侧冷流体被加热。,一侧热流体被冷却，另一侧冷流体沸腾。,2. 变温传热,tm与流体流向有关,11,2

3、.2 两侧均有温度的变化：,12,2.2.1 逆流和并流时的tm,t2,逆流,并流,13,以逆流为例推导,假设：（1）稳态传热、稳态流动，qm1、 qm2一定；,（2）cp1、cp2为常数；,（3）K沿管长不变化；,（4）热损失忽略不计。,14,15,16,17,讨论：（1）也适用于并流,（2）较大温差记为t1，较小温差记为t2； （3）当t1/t22，则可用算术平均值代替,（4）当t1t2,18,19,结论： (1) 就提高传热推动力而言，逆流优于并流。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。,20,(2)逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量，所以换热器

4、应当尽量采用逆流流动，尽可能避免并流流动。,21,（3）在某些生产工艺有特殊要求时，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。,22,（4）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，不论何种流动形式，只要进出口温度相同，平均温度就相等。,23,错流：两种流体的流向垂直交叉。 折流：一流体只沿一个方向流动，另一流体反复来回折流；或者两流体都反复折回。 复杂流：几种流动形式的组合。,2.2.2 错流和折流,24,：逆流时的平均温度差,错流、折流时的,25,例：通过一单壳程双管程的列管式换热器，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却

5、水进口温度15，出口温度30，问此时的传热平均温差为多少?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?,逆流时,26,如冷却水终温提到350C， 逆流时：,27,查图得：,28,讨论： 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，温度修正系数是用来表示某种流动形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0.9，至少不能使0.8。否则应另选其他流动形式，以提高 。,29,三、总传热系数,如何确定K值，是传热过程计算中的重要问题。,30,热流体 固体壁面一侧 固体壁面一侧 另一侧 固体壁面另一侧 冷流体,31,管内对流:,管外对流：,

6、管壁热传导：,对于稳态传热,32,式中 K总传热系数，W/(m2K)。,总热阻,总推动力,33,讨论： （1）当传热面为平面时，dA=dA1=dA2=dAm,（2）以外表面为基准(dA=dA1):,34,K1以换热管的外表面为基准的总传热系数； dm换热管的对数平均直径。,（4）以壁表面为基准：,（3）以内表面为基准：,近似用平壁计算,35,（5）污垢热阻,式中 R1、R2传热面两侧的污垢热阻，m2K/W。,污垢热阻Rd的倒数称为污垢系数（dirty factor）,36,（6）平壁与薄管的总传热系数计算,当传热壁为平壁或薄壁管时，,当传热壁热阻很小，可忽略，且流体清洁，污垢热阻液可忽略时，则

7、：,37,（7）换热器中总传热系数的经验值,38,39,例题：,有一列管式换热器，传热管为25mm2.5mm钢管。热空气气体在管内流动，对流传热系数为60W/(m2),冷却水在传热管外流动，对流传热系数为1500W/(m2) ,钢的导热系数为45w/m。试求：（1）总传热系数；（2）若管内气体的对流传热系数增大一倍，总传热系数会增加多少？若管外水的对流传热系数增加一倍，总传热系数会增加多少？,40,例题：,有一套管式换热器，传热管为25mm2.5mm钢管。CO2气体在管内流动，对流传热系数为40W/(m2),冷却水在传热管外流动，对流传热系数为3000W/(m2) 。试求：（1）总传热系数；（

8、2）若管内CO2气体的对流传热系数增大一倍，总传热系数会增加多少？若管外水的对流传热系数增加一倍，总传热系数会增加多少？,41,例题：见书P164,临界直径的计算公式：,42,四、 壁温的计算,稳态传热,1大，即b/Am小，热阻小，tW=TW,43,结论： TW接近于大一侧流体的温度。,2当tW=TW,44,3两侧有污垢,45,例题4-17：,在一由25mm2.5mm碳钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口500，出口400。管外为p1MPa压力的水沸腾。已知高温气体对流传热系数1250W/(m2),水沸腾的对流传热系数21000W/(m2) 。忽略污垢热阻。试求管内壁平均温度Tw及管外

9、壁平均温度tw。,46,结论：,1.由于水沸腾的2比高温气体的1大得多，所以壁温接近于大的一侧，即水沸腾温度。 2.总传热系数接近于小的一侧，即接近于高温气体的1 3.因管壁热阻很小，管壁两侧的温度差比较接近。 4.如果水侧有污垢，壁温会升高。,47,有一碳钢制造的套管换热器，其内管直径为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1230W/(m2)，水的对流传热系数2290W/(m2)。忽略污垢热阻。试求：（1）冷却水用量；（2）并流和逆流操作时所需传热面积；（3）如果逆流操作时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。,例题4-18,48,有一单管程的列管式换热器，其规格如下：管径为25mm2.5mm，管长为3m，管数为37根。今拟采用此换热器冷凝并冷却CS2的饱和蒸气，自饱和温度46冷却到10。CS2在管外冷凝，其流量为300k