传热系数及平均温差.ppt
化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 1,21 Overal coefficientand and mean temperature difference of heat transfer,A.Calculation of heat loadB.Rate of heat transfer and overal co-efficientC.Varying temperature drop and mean temperature differenceD.Example,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 2,A.热负荷的计算,对稳态传热过程（间壁换热器任一侧流体）作热量（或焓）衡算，有：,物料带入焓+加入净热量=物料带出焓,Hi+Q=Ho,Q=Ho-Hi=H,其中：Q物料从换热器获得净热，称热负荷，W Hi、Ho 物料带入、带出焓，W，焓基 准为273K的液态,在恒压、无化学反应情况下，有：,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 3,H,无相变 H=mscpt,有相变 H=msr,其中：ms 流体质量流量，kg/s cp 流体平均比热容，J/kg.r 流体相变热，J/kg t流体进、出口温差，（注意与传热推动 力的区别）,对间壁换热器两侧流体，忽略散热损失，有：,热流体放热=冷流体吸热,Q1=-Q2,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 4,用上面两式可以：计算热负荷Q；计算冷却介质 或加热介质用量。,B.传热速率与总传热系数,a.Newton冷却定律与传热速率的微分式,以套管换热器为例，取一微元管壁，如图所示，.,两侧对流给热部分，可以用Newton冷却定律描述：,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 5,1、2分别为热、冷流体的对流给热系数，W/m2.，包含了影响对流给热各种因素，点特性,热流顺序传过热流体、壁面、冷流体，在稳态下，应有：,可得：,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 6,在工程上，传热速率写作：,K总传热系数，包含整个传热过程的影响因素，W/m2.，,具有点特性,比较上面两式，得：,可见，K是有基准面的。,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 7,b.传热系数与热阻,在工程上，常以换热器管外表面为基准，即dA=dA2，则,当管壁较薄时，上式可写为：,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 8,如管壁热阻较对流热阻很小时，则有：,由式1/K=1/1+b/+1/2知，K由各环节热阻加和 而成，因此原则上减少任一环节热阻，均可提高K值，增大传热速率。,如各环节热阻有不同数量级时，1/K值由其中最大热阻决定，如套管换热器中，b/通常很小，可以略之，则1/K1/1+1/2，当12时，则有K 2，反之K 1在串联过程中，存在控制环节，这为强化传热提供了途经，。,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 9,污垢热阻，。如内、外壁污垢热阻分别用R1、R2表示，则：,在换热器设计计算中，常需先估计K值，计算后，再校核K值。所以，应了解不同情况的K值大致范围。,传热系数测定实验装置如下图所示。,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 10,传热系数测定实验装置,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 11,C.变温降与平均温度差,从dQ=KdA(T-t)，及传热过程知：推动力t=T-t 沿传热面变化变温降，且K具有点特性。,如t、K能以平均值代之，则传热速率方程可写为：,Q=KAtm,K值可以通过计算平均1、2等实现（下次课讨论），A与K的基准对应；下面讨论tm关系式。,流体在换热器中温度变化规律如图所示。,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 12,在dA内，热流股给出热量：dQ=-ms1cp1dT,在dA内，冷流股取得热量：dQ=ms2cp2dt,对上面图示两种情况，如取一微元传热面积(虚线处)，两股流体的温差为：,t=T-t,d(t)=dT-dt,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 13,对微元传热面积dA，有：,dQ=KdAt KdAt=-d(t)/,如K可视为常数，则：,则：,积分之，得：,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 14,并流时t1=T1-t1，t2=T2-t2；,逆流时t1=T1-t2，t2=T2-t1；,如果t1/t22时，tm=(t1+t2)/2,如进、出口温度相同，tm逆 tm并设计时，一般选逆流。,但对热敏性物料，为控制流体温度，有时采用并流（并流时t2T2）。,另外，Q=KAtm,则：,所以,对数平均温差,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 15,传热速率方程dQKdA(T-t)中的K、(T-t)都是点特性，如将其在整个换热器中平均化，将使传热计算十分方便，这是一种工程处理方法。,传热系数K可以用传热过程总热阻等于串联热阻加和的原理得到，一般传热系数以管的外表面为基准面。串联过程可能具有控制环节，此时1/K 数值取决于各环节中热阻较大的一环，欲提高K值，应设法减小控制环节的热阻。,tm的妙处所在是其数值只与两流体在换热器两端处的温差有关，而与温度的中间变化无关，原因是tm关系的导出是以t与t（或T）是线性关系为前提。就提供传热推动力而言，逆流总是优于并流。,【本讲要点】,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 16,D.例,a.保温层的临界半径,如图所示，为一252mm的蒸汽管道，外包=0.8W/(m.K)的保温层，保温层外界是大气，温度 t=30，给热系数0=10W/(m2.K)。管内蒸汽侧给热系数i=1000W/(m2.K)，温度T=130。钢管导热系数管=50W/(m.K)。问：是否在任何条件下，保温层都是越厚越好？,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 17,解：设保温层半径为 r，每米管长总热阻为：,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 18,随保温层 厚度 r,保温层导热热阻,外表面给热热阻,产生最小热阻的保温层半径可对下式求导并等于零求得：,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 19,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 20,可见，保温层不是在任何条件下都是越厚越好。,例：当 r80mm时，保温层厚度 R Q损,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 21,确定管根数实质上是需先由传热速率方程确定传热面积；,b.列管换热器列管根数及管程数计算,一卧式列管冷凝器，由252.5mm、长3m的钢管组成。水以1m/s的流速在管内从20被加热至40，比热容为4.18kJ/(kg.)。流量为2.5kg/s、温度为80的烃蒸气在管外冷凝成同温度下的液体，其冷凝潜热为315kJ/kg。已测得烃蒸气冷凝给热系数为1000W/(m2.)，管内热阻为管外热阻的50%，污垢热阻又为管内热阻的54%。忽略管壁热阻及换热器的热损失。试确定换热管的总根数及管程数。,解：,管程数的确定，需先算出每一程的管数 这可通过冷却水流量及水在管内流速求取。,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 22,总管数 n,传热量:,Q=mshr=2.5315103=787500W,传热系数：,252.5mm、长3m钢管,管内水流速1m/s,2040,cp=4.18kJ/(kg.)；ms=2.5kg/s、T=80烃蒸气在管外冷凝,r=315kJ/kg,0=1000W/(m2.)；R内/R外=50%,R污/R内=54%,忽略管壁热阻及换热器的热损失。,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 23,平均温差：,传热面积：,总管数：,管程数 Np,252.5mm、长3m钢管,管内水流速1m/s,2040,cp=4.18kJ/(kg.)；ms=2.5kg/s、T=80烃蒸气在管外冷凝,r=315kJ/kg,0=1000W/(m2.)；R内/R外=50%,R污/R内=54%,忽略管壁热阻及换热器的热损失。,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 24,管程数 Np,252.5mm、长3m钢管,管内水流速1m/s,2040,cp=4.18kJ/(kg.)；ms=2.5kg/s、T=80烃蒸气在管外冷凝,r=315kJ/kg,0=1000W/(m2.)；R内/R外=50%,R污/R内=54%,忽略管壁热阻及换热器的热损失。,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 25,每根管子内冷水的流量：,每程内管子根数：,管程数：,冷却水总量：,252.5mm、长3m钢管,管内水流速1m/s,2040,cp=4.18kJ/(kg.)；ms=2.5kg/s、T=80烃蒸气在管外冷凝,r=315kJ/kg,0=1000W/(m2.)；R内/R外=50%,R污/R内=54%,忽略管壁热阻及换热器的热损失。,化工原理-传热原理/21.传热系数与平均温差 26,252.5mm、长3m钢管,管内水流速1m/s,2040,cp=4.18kJ/(kg.)；ms=2.5kg/s、T=80烃蒸气在管外冷凝,r=315kJ/kg,0=1000W/(m2.)；R内/R外=50%,R污/R内=54%,忽略管壁热阻及换热器的热损失。,
