化工原理第四章第四节.ppt
2023/10/3,例：有一列管式换热器，用冷却水使流量为2000kgh-1的硝基苯从82冷却至27，冷却水由15升至35，试求冷却水用量。已知硝基苯的平均定压比热cp1=1.58kJkg-1-1，水的平均定压比热cp2=4.179kJkg-1-1。设备热损失可忽略。,2023/10/3,已知：,qm1,T1、,T2、,t2、,t1、,cp1、,cp2,求：,qm2,2023/10/3,第四节 总传热过程的分析计算,2023/10/3,热量衡算,总传热速率方程,总传热系数,平均温度差,传热计算举例,传热面积的计算,总传热过程的计算,2023/10/3,一、热量衡算,冷、热流体在间壁式换热器中进行热交换时，若热损失可忽略，则在单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：,应用：计算换热器的传热量（热负荷）。,Q1单位时间内热流体放出的热量，W或kW。,Q2单位时间内冷流体吸收的热量，W或kW。,2023/10/3,（1）比热法,qm1热流体的质量流量，kgs-1。,cp1热流体的平均定压比热，Jkg-1-1。,1、冷、热流体在传热过程中均不发生相变化,热流体单位时间内放出的热量为：,2023/10/3,工程上，以定性温度下的定压比热代替平均定压比热进行计算。,冷流体单位时间内吸收的热量为：,qm2冷流体的质量流量，kgs-1。,cp2冷流体的平均定压比热，Jkg-1-1。,2023/10/3,热流体单位时间内放出的热量为,冷流体单位时间内吸收的热量为,H1、H2分别为热流体在温度为T1、T2时的焓值，Jkg-1。,h1、h2分别为冷流体在温度为t1、t2时的焓值，Jkg-1。,（2）热焓法,2023/10/3,（1）冷、热流体均仅发生相变化,冷流体吸收的热量为：,r1饱和蒸汽的冷凝潜热，Jkg-1。,r2饱和液体的汽化潜热，Jkg-1。,2、冷、热流体在传热过程中发生相变化,热流体放出的热量为：,2023/10/3,a、热流体仅发生相变化，不发生温度变化,b、热流体发生相变化同时发生温度变化,（2）冷、热流体有一侧发生相变化，另一侧不发生相变化。,若热流体发生相变化：,2023/10/3,例：试计算压力为150kPa、流量为1500kgh-1的饱和水蒸气冷凝至50的水时所放出的热量。,解：由附录7（P332）查得，饱和水蒸气在压力为150kPa时的温度为TS=111，冷凝潜热为rh=2229kJkg-1。,依题意知，冷凝水由TS=111降温至50，则定性温度为,蒸汽冷凝时，要放出潜热，又要放出显热。,2023/10/3,由附录3查得水在80.5时的定压比热为,所以,2023/10/3,也可写成：,K换热器的平均总传热系数，Wm-2-1。,总传热热阻,经推导：,二、总传热速率方程,2023/10/3,注意：其中K必须和所选择的传热面积A相对应。,若间壁为圆筒壁，则以不同传热面积为基准的总传热速率方程为：,2023/10/3,三、总传热系数,1、总传热系数K的来源,（1）生产实际的经验数据：表4-7（P332）,（2）实验测定,（3）分析计算,2023/10/3,2、总传热系数K的计算,总传热系数的通式,以传热面积A1为基准的总传热系数为,表明：传热过程的总热阻=各串联热阻的叠加,2023/10/3,若传热面为平壁，总传热系数为：,对于圆筒壁，以管外表面为基准的总传热系数为,2023/10/3,基于外表面积总传热系数计算公式,那么：,2023/10/3,在总计算传热系数K时，一般不能忽略污垢热阻，常采用污垢热阻的经验值（P149表4-6）,对于平壁，若壁面两侧的污垢热阻分别为Rd1和Rd2，则,3、污垢热阻,2023/10/3,对于圆筒壁，若圆筒壁内、外表面的污垢热阻分别用Rdi和Rd0表示，则,2023/10/3,例：有一套管换热器，由252.5 mm的钢管组成。CO2在管内流动，1=40 Wm-2-1。冷却水在管外流动2=3000 Wm-2-1，钢管的导热系数=45 W m-2-1，冷却水测的污垢热阻Rd2=0.2110-3 m2W-1，CO2侧的污垢热阻Rd1=0.5310-3 m2W-1。（1）试求总传热系数；（2）保持其他条件不变，试分别计算将1提高一倍时的Ki值；将2提高一倍时的Ki值。,2023/10/3,解：,（1）以外表面积为基准的总传热系数为,2023/10/3,以内表面积为基准的总传热系数为,2023/10/3,i增大一倍，即i=80 Wm-2-1 时的Ki,(2),总传热系数增加了：,2023/10/3,当0增大一倍，即0=6000 Wm-2-1 时的Ki,总传热系数增加了：,2023/10/3,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，,若,则,可简化为：,2023/10/3,总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制（控制热阻），即对流传热系数较小的那一侧。,那么,提高K值，提高对流传热系数较小一侧的。,两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的。,污垢热阻为控制因素时，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。,2023/10/3,四、传热的平均温度差,2023/10/3,（一）恒温差传热的平均温度差,冷、热流体温度在壁面的任何位置都不变化，即两流体温度差沿换热面处处相等。,如一侧液体恒温沸腾，另一侧饱和水蒸气冷凝,2023/10/3,高温侧冷凝、低温侧升温,高温侧降温、低温侧沸腾,1、一侧流体温度变化的平均温度差,（二）变温差传热的平均温度差,2023/10/3,2、两侧流体温度都发生变化的平均温度差,2023/10/3,错流,折流,2023/10/3,以逆流为例，换热器两端温度差分别为t1（较大）、t2（较小）。,（1）逆流和并流时的平均温度差,经推导：,2023/10/3,若t1/t22，,并流：,2023/10/3,例：现用一列管式换热器加热原油，原油进口温度为100，出口温度为150，某反应物作为加热剂，进口温度250，出口温度180，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。,2023/10/3,解：,逆流时：,热流体：,冷流体：,并流时：,热流体：,冷流体：,2023/10/3,先按逆流时计算对数平均温度差tm逆，再乘以考虑流动型式的温度修正系数，得到实际平均温度差tm。,可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。,（2）错流和折流时的平均温度差,图算法,2023/10/3,其中,2023/10/3,例：通过一单壳程双管程列管式换热器将热流体由120冷却至75，冷流体进口温度20，出口温度50，问此时的传热平均温差为多少?,逆流时,解：,2023/10/3,（3）不同流动型式的比较 1）在进、出口温度相同的条件下，逆流的平均温度差最大，并流的平均温度差最小，其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。就提高传热推动力而言，逆流优于并流及其他形式流动。当换热器的传热量Q、总传热系数K相同的条件下，采用逆流操作，所需A最小。,2023/10/3,当给定加热任务，qm2、t2、t1确定，T1一般已知，qm1仅由T2决定。,2）逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。,2023/10/3,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。,2023/10/3,当换热器有一侧流体发生相变且保持温度不变时，就无所谓并流和逆流了，不论何种流动型式，只要进、出口温度相同，平均温度差就相等。,2023/10/3,3）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型式在给定工况下接近逆流的程度。一般在设计时应使0.9，若0.8，应采用其他措施，以提高。,2023/10/3,五、传热面积的计算,若传热系数K为常数或可取整个换热器的平均值,其中：,2023/10/3,例：某列管换热器，管束由252.5mm的钢管组成。CO2在管内流动，流量为5kgs-1，温度由60冷却至25。冷却水走管间，与CO2呈逆流流动，流量为3.8kgs-1，进口温度为20。已知管内CO2的定压比热cp1=0.653kJkg-1-1，对流传热系数i=260Wm-2-1，管间水的定压比热cp2=4.2kJkg-1-1，对流传热系数o=1500Wm-2-1。若热损失、管壁及污垢热阻均可忽略不计，试计算换热器的传热面积。,2023/10/3,（2）计算平均温度差,T,解：（1）计算冷却水的出口温度,t,2023/10/3,（3）计算总传热系数,2023/10/3,（4）计算传热面积,则：,2023/10/3,1、用绝对压力为300kPa的饱和水蒸气将体积流量为80m3/h的苯胺从80加热到100。饱和水蒸气的冷凝潜热r为2168 kJ/kg，蒸气冷凝的饱和温度为133.3，苯胺在平均温度下的密度为955 kg/m3，比热容为2.31 kJ/（kg）。试计算：（1）水蒸气用量（kg/h）；（2）当总传热系数为800 W/（m2）时所需传热面积。,六、传热计算举例,2023/10/3,2、有一单壳程双管程列管式换热器，用温度为20，流量为30t/h的冷水使流量为20t/h的乙二醇从80冷却到40，乙二醇的平均比热容Cph=2.6 kJ/（kg），冷却水的平均比热容Cpc=4.174 kJ/（kg），设总传热系数K=1200 W/（m2），试计算所需传热面积A。,
