化工原理讲稿(上册)-应化第五章传热.ppt

一、间壁两侧流体的传热,间壁式换热器及其传热过程,第五节 两流体间的传热计算,传热过程分析：,热流体与壁面的对流传热；管壁的导热；管壁与冷流体侧的对流传热。,第五节 两流体间的传热计算,二、换热器的热负荷及热量衡算方程式,热负荷,定义：,单位时间冷、热流体间交换的热量,计算：,比热法、热焓法,第五节 两流体间的传热计算,很显然，在不计换热器的热损失时，换热器的热负荷等于单位时间内热流体放出的热量或冷流体吸收的热量。,热流体放出热量：,冷流体吸收热量：,如果只发生单纯的温度变化，则：,如果只发生单纯的相变化，则：,冷流体吸收热量：,热流体放出热量：,当流体既有相变化又有温度变化时，则：,热流体放出热量：,冷流体吸收热量：,第五节 两流体间的传热计算,比热法:,热流体放出热量：,冷流体吸收热量：,第五节 两流体间的传热计算,热焓法:,如果忽略热损失（Qf=0），则有：,如果热损失不能忽略(Qf0)，则根据热负荷的定义确定：,第五节 两流体间的传热计算,热量衡算方程式,以套管换热器为例：,热流体放出热量：,冷流体吸收热量：,能量守恒：,Q1Q2+Qf,Qf=0,Q1Q2,第五节 两流体间的传热计算,例：在一套管换热器中，用冷却水将1.25kg/s的苯由350K冷却至300K，冷却水在252.5的内管中流动，其进出口温度分别为290K和320K，忽略热损失，试求冷却水的消耗量及冷却水侧的对流传热系数？,第五节 两流体间的传热计算,热负荷是指需要换热器所完成的传热任务，反映了生产上的要求。换热器能否完成工艺上要求的传热任务，取决于换热器的传热速率，换热器的传热速率系指单位时间内通过换热器传热面所传递的热量，反映了在一定操作条件下换热器的传热能力；而故一个设计合理、能满足生产上要求的换热器，其传热速率等于或略大于热负荷。,第五节 两流体间的传热计算,三、传热速率方程式,第五节 两流体间的传热计算,热流体与壁面的对流传热；管壁的导热；管壁与冷流体侧的对流传热。,在逆流套管换热器中取微元管段dl进行分析：,热流体对管内壁的对流传热速率：,管内壁至管外壁的导热速率：,第五节 两流体间的传热计算,管外壁到冷流体的给热速率：,对于稳定传热过程：,可得：,第五节 两流体间的传热计算,利用加比定律：,如果1、2、均不随管长l而变，且温差可以用一平均值（T-t）m表示，则可积分得：,第五节 两流体间的传热计算,令：,以tm 表示(T-t)m，则有：,传热速率方程式,第五节 两流体间的传热计算,Q=KAtm,Q=KiAitm=KmAmtm=KoAotm,圆筒壁：AiAmAo,平壁：Ai=Am=Ao,第五节 两流体间的传热计算,传热速率方程式与牛顿冷却定律的比较,第五节 两流体间的传热计算,四、总传热系数K,总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响。,物理意义：,表征间壁两侧流体传热过程的强弱程度。,K=f（流体物性、操作条件、换热器本身特性等）,第五节 两流体间的传热计算,传热系数K 的确定方法,选用经验数据,注意应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据。,第五节 两流体间的传热计算,通过实验测定现有换热器的流体流量和温度，再由传热基本方程计算 K 值：,实验测定的 K 值较为可靠。实测 K 值的方法不仅是为了在缺乏工业实验数据时提供设计依据，而且还可以借助实测的 K 值判断换热器的工作状况，从而寻求强化传热的措施。,实验测定：,第五节 两流体间的传热计算,计算得到：,第五节 两流体间的传热计算,令：A=Ao，K=Ko：,令：A=Ai，K=Ki：,对圆形管道：,由公式：,说明：,总传热系数K并不是i，o，(/)的平均值，Kmin(i，o，/)；,控制热阻：,总热阻=1/KA，串联传热，推动力与阻力具有加合性；,若o i，1/i可忽略，此时有：,第五节 两流体间的传热计算,若o i，1/o可忽略，此时有：,结论：,称1/o 或1/i 称为控制热阻，即小一侧的热阻对传热起决定性作用，如水蒸汽和空气换热；,当存在控制性热阻时，K 值总是接近小的值；,当存在控制性热阻，壁温(Tw、tw)总是接近于大的流体主体温度,欲有效提高 K 值，应采取措施提高控制性热阻侧的。,第五节 两流体间的传热计算,(二)考虑污垢热阻的总传热系数,换热器在运行一段时间后，流体介质中的可沉积物会在换热表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层。垢层产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。因垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往会成为主要热阻，必须给予足够重视。如管壁内、外侧的污垢热阻分别是Rsi和Rso，则总热阻为：,第五节 两流体间的传热计算,污垢热阻的大致数值,第五节 两流体间的传热计算,【例题】,空气冷却器，冷却管为252.5mm的钢管，钢的导热系数=45W/(mK)。空气在管内流动。已知管外冷却水的对流传热系数为2800 W/(m2K)，管内空气对流传热系数为50 W/(m2K)。试求：总传热系数K；若管外对流传热系数增大一倍，其他条件不变，则总传热系数增大百分之几？若管内传热系数增大一倍，则结果如何？已知冷却水侧污垢热阻可取为0.60 10-3(m2K)/W，空气侧的污垢热阻可取为0.50 10-3(m2K)/W。,第五节 两流体间的传热计算,解：,第五节 两流体间的传热计算,【例题】,第五节 两流体间的传热计算,【例题】,第五节 两流体间的传热计算,(三)壁温的计算,第五节 两流体间的传热计算,对一间壁式换热器，假设热流体走外侧：,第五节 两流体间的传热计算,为了避免繁琐的试差，如果管壁及污垢热阻可忽略的情况下，只需要用下面方法计算壁温，可求得其估计值。,令,第五节 两流体间的传热计算,假设热流体走管外：,由牛顿冷却定律,由传热速率方程式,第五节 两流体间的传热计算,即,同理可得,（5-104）,（5-103）,第五节 两流体间的传热计算,假设热流体走管内：,（5-101）,（5-102）,热流体走管外时：,或：,第五节 两流体间的传热计算,讨论：对于用水蒸汽加热空气的套管式换热器，壳程为水蒸汽冷凝（对流传热系数较大），管程空气被加热（对流传热系数较小），壁温接近于哪一侧流体的温度？,壁温接近于对流传热系数大的一侧的流体的主体温度,五、平均温度差tm的计算,1.恒温传热时平均温度差tm的计算,恒温传热,如：一方为蒸汽冷凝（T），一方为液体沸腾（t）,tm=T-t,第五节 两流体间的传热计算,第五节 两流体间的传热计算,2.变温传热时平均温度差tm的计算,（1）逆流与并流时的平均温差,第五节 两流体间的传热计算,并流操作的平均温差,取换热器中一微元段为研究对象，其传热面积为dA，在dA内热流体因放出热量温度下降dT，冷流体因吸收热量温度升高dt，传热量为dQ。,由传热速率方程：,忽略热损失，由热衡算方程可得：,第五节 两流体间的传热计算,上面两式相减得：,第五节 两流体间的传热计算,代入传热速率方程：,分离变量得：,第五节 两流体间的传热计算,假定m1cp,1、m2cp,2及K均为常数，令t1=T1-t1，t2=T2-t2，对上式进行积分：,可得：,由总热量衡算方程：,第五节 两流体间的传热计算,将二式代入，可得：,整理得：,第五节 两流体间的传热计算,与总传热速率方程Q=KAtm对比可得：,其中：,第五节 两流体间的传热计算,逆流时的平均温差,同理，可推导出逆流操作时的平均温度差为：,第五节 两流体间的传热计算,其中：,逆流与并流平均温差的比较：,1.T1、T2、t1、t2 相同时，逆流平均温差大于并流平均温差。当传热量一定时，逆流操作所需的传热面积小于并流操作。,2.并流时，热端温差与冷端温差相差悬殊，而逆流时热负荷分布相对均匀。,3.逆流时热流体的出口温度可低于冷流的出口温度（高于冷流的入口温度），并流时热流体的出口温度必大于冷流体的出口温度。当加热任务一定时，采用逆流传热可最大限度地利用热能，节约载热体的用量。,第五节 两流体间的传热计算,对于单侧变温传热，则按两种流动方式计算的平均温差相同，可不考虑流动方式的影响。,在换热器中，若参与换热的两流体都变温，则一般都采用逆流操作，,工程计算：若t1/t22，可取tm=(t1+t2)/2,第五节 两流体间的传热计算,3.错流和折流时的温差,对于错流或折流平均温差，通常是先按逆流求算，然后再根据流动型式加以修正，即,温差修正系数,与冷、热两流体温度变化有关，表示为P 和R 两参数的函数：,第五节 两流体间的传热计算,温差修正曲线：,第五节 两流体间的传热计算,第五节 两流体间的传热计算,例题,