化工原理第四章两流体间传热过程的计算.ppt

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1、第四节 两流体间传热过 程的计算 一、总传热方程式 二、热量衡算 三、平均温度差的确定 四、总传热系数的确定 五、传热面积的确定 六、污垢热阻 七、流向的选择 第四章 传 热 * 什么是热交换 【特点】存在两种或两种以上的传热方式的传热过 程。 对流传热 对流传热 传导传热 Date Date 热交换计算的内容 （1）设计型计算 根据生产任务的要求的热负荷（Q） ，确定换热 器的传热面积（A）及换热器的其它有关尺寸，以便 设计或选用换热器。 Date 固定管板式换热器型式与基本参数（JB/T 4715-92） Date （2）操作型计算 在已有换热器的基础上： 核算传热量（Q）、流体的流量（

2、qm ）、流体的 进、出口温度（ T、t ）； 判断一个换热器能否满足生产任务的要求； 预测生产过程中某些参数（如 qm、T、t）的变化 对换热器传热能力（Q）的影响。 Date 一、热交换的基本计算式 式中 Q传热速率，W； K总传热系数，W/m2. A传热面积，m2 tm 两流体的平均温度差， 1、总传热方程式 Date 【衡算前提】 （1）换热器绝热良好； （2）热损失可忽略。 【衡算系统】热交换器； 【衡算基准】单位时间； 【衡算式】热流体放出的热量等于冷流体得到的热 量。即： Q热Q冷 2、热量衡算式 Date 二、Q值的确定计算热负荷 【定义】达到工艺要求的控制参数所应交换的热量

3、，即： 热流体放出的热量； 冷流体得到的热量。 【作用】由热负荷可以确定传热速率。 1、什么是热负荷 Date （1）两个概念 【显热】当物质与外界交换热量时，物质不发生相 变化而只有温度变化，这种热量称为显热。 【潜热】饱和蒸气的焓与同温度下的液体的焓的差 值称为潜热（相变热）。 （2）无相变化时热负荷的计算 当流体与外界交换热量过程中不发生相变化时， 其热负荷用比热法和热焓法计算。 2、热负荷的计算 Date 若换热器中的两流体只存在显热的交换，且比热 不随温度而变或可取平均温度下的比热时 ，则： 式中 Q热负荷，J/s或W； qm1、qm2热、冷流体的质量流量，kg/s； Cp1、Cp2

4、热、冷流体的平均定压比热，kJ/(kg.)； T1、T2热流体的进、出口温度，； t1、t2冷流体的进、出口温度，。 比热法 Date 对于热流体： 对于冷流体： T1T2 t1 t2 qm1 qm1 qm2 qm2 Cp1 Cp2 Date 热焓法 由热力学得知，在等压条件下，物系与外界交换的 热量与物系的始态与终态的焓差相等，即： H1、H2热流体进、出口的比焓，J/kg； h1、h2 冷流体进、出口的比焓，J/kg。 qm1、qm2热、冷流体的质量流量，kg/s； Date 对于热流体： 对于冷流体： H1H2 h1 h2 qm1 qm1 qm2 qm2 Date （3）只有相变化时热负

5、荷的计算 【方法】当流体与外界交换热量过程中只发生相变 化时，其热负荷用潜热法计算。 【计算式】 式中 r液体汽化（或蒸气冷凝）潜热。 （4）既有潜热、又有显热变化时热负荷的计算 式中 Ts、ts饱和温度（沸点 ）。 Date 20（l）100（g） 100（l） Date 3、热负荷与传热速率的区别 【热负荷】对换热器换热能力的要求，是需要交换 的热量，与换热器的种类、型式无关，由工艺条件 决定。 【Q=qmCp(T1-T2)】 【传热速率】换热器本身在一定条件下的换热能力 ，是换热器能够交换的热量，由换热器本身的特性 所决定。 【Q=KAtm】 4、热负荷与传热速率的关系 Date 三、平

6、均传热温差（ tm ）的计算 1、什么是平均传热温度差 【特点】不同部 位推动力不同。 【定义】表征热 交换过程中的推 动力大小的参数 。 =80 1 T QQ =50 2 T =40 2 t =20 1 t Date （1）流体的流动型式 冷、热流体的相互流动方向有不同的流动型式， 传热平均温差tm的计算方法因流动型式而异。 （2）温度的变化情况 冷、热流体在沿传热面流动时的温度变化情况不 同，传热平均温差tm的计算方法因而不同。 2、影响平均传热温度差的因素 Date 3、恒温差传热 【特点】（1）两侧流体均发生相变，且温度不变； （2）冷热流体温差处处相等，不随换热器 位置而变的情况。

7、恒温差传热平均温度差计算式 式中 T 高温流体的湍流主体温度； t 低温流体的湍流主体温度。 传热速率： Date 湍流主体 T t Date T T t t 【例】电解槽引 出的碱液浓度通 常只有12，经 蒸发后可获得30 、42的浓碱 。 Date 4、变温差传热 【特点】传热温 度随换热器位置 而变。分为： 单侧变温； 双侧变温。 T1 T2 t2 t1 Date （1）单侧变温 【特点】在热交 换过程中，一侧 温度保持不变， 另一侧温度发生 变化。 Date （2）双侧变温 【特点】在热交 换过程中，两侧 温度均发生变化 。 Date 变温差传热过程的温差变化特点 【特点】局部温度差t

8、 沿传热面而变化。 tTt A T1T2 t2 t1 在面积为dA两 侧，可视为恒 温差传热。 dQ=K（Tt）dA 1 2 Date 5、变温差传热过程传热温度差的计算依据 【特点】在计算传热速率时，采用先微分、后积分 求出整个传热面上的传热速率，即： 根据假定，Kconst，且 Ttf(A) 由积分中值定律： 中值 Date （1）尽管在整个换热器中，传热推动力(Tt)是一 个变化的值， 但存在一个中值tm 。用来表征换热器 传热推动力(Tt)的大小 （ tm的物理意义）； （2）tm 表示的是平均值，称为平均温度差； （3）变温差传热过程的平均温度差tm与换热器内冷 热流体流动方向有关，

9、不同的流动型式其平均温度 差不同。 【两点说明】 Date 并流 参与换热的两种流体沿传热面平行而同向 的流动。 逆流 参与换热的两种流体沿传热面平行而反向 的流体。 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。（既存在并流 ，又存在逆流） 错流 两种流体的流向垂直交叉。 6、热交换器内的流动型式 Date 并 流 【特点】平行而同向。 Date 逆 流【特点】方向相反且平行。 Date 折流换热器 【特点】既存在并流，又存在逆流。 Date 喷淋蛇管（错流）式换热器 【特点】两种流体的流向垂直交叉。 Date 对数平均温度差 7、并、逆流操作的平均温度差 在如

10、下假定条件下（稳定传热过程）： 稳定操作，qm1 ，qm2为定值； Cp1、Cp2及K沿传热面为定值，或取平均值； 换热器保温良好，无热损失。 由总传热方程式及热量衡算式可推得： Date 【几点说明】 计算式只适用于并、逆流操作，但不适用于折流 和错流操作过程； t1、 t2设备同一端热、冷流体的温度差； t1 t2 t2 t1 T1 T2 Date 当 t1/t20.9，绝不能使 0.8 ，否则另外选其他流型。 【两点说明】 Date 【例】用300 的高温气体产物加热冷原料气 ，工艺要求原料气由15 加热至160 ，产 物气换热后不低于190 。试比较： （1）逆流操作和并流操作条件下的

11、传热温度 差； （2）若要并流与逆流操作的传热速率相等， 求传热面积比。（假设传热系数相同） Date 【解】逆流操作时：300190 16015 则：t1=175 t2=140 由于 若用算术平均值，则： 误差： 可见误差很小。 Date 并流操作时： 300 190 15 160 则 t1=285 t2=30 若仍用算数平均值： 此时的误差为： 可见误差极大 Date 若要求传热速率相等，即： Q并Q逆 由于 K并K逆 根据 Q=KAtm 则 即 【结果说明】并流操作时所需要的传热面积是逆流 操作时的1.4倍，故采用逆流操作可以减少传热面积 ，节省设备量，有利于传热操作。 Date 【问题

12、】怎样连接冷凝水， 为什么？ 冷凝水进口 冷凝水出口 Date 四、总传热系数的确定 【作用】总传热系数K（简称传热系数）是评价换热 器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计 算的依据。 【确定方法】总传热系数K的确定方法有三种： （1）使用公式计算（用于操作型计算）； （2）通过实验测定（用于操作型计算）； （3）使用经验数据（用于设计型计算）。 Date 1、总传热系数的计算公式 （1）传热过程分析 12 A1 A2Am 【结论】总传热 系数与传热分系 数有关。 Date （2）总传热系数的基本计算式 基本计算式推导的依据： 傅立叶定律； 牛顿冷却定律； 总传热方程式。 对于微元传热面

13、积为dA的换热器： 总传热系数的基本计算式 Date 当传热面为平壁时，dA=dA1=dA2=dAm，则： （3）各种情况下总传热系数的计算式 对于薄层圆筒壁，若d2/d12 ，近似按平壁计算 （误差4%，工程计算可接受）。 Date 当传热面为圆筒壁时，若d2/d12，如以外表面积 为基准（即以圆筒壁的外表面作为换热器的面积， 在换热器系列化标准中常如此规定），则： 式中 K2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。 Date 当传热面为圆筒壁时，若d2/d12，如以内表面积 为基准，则： 当传热面为圆筒壁时，若d2/d12，如以传热壁的 平均表面积为基准，则： Da

14、te 2、总传热系数的实验测定 【方法】对于已有的换热器，可以通过测定有关数 据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然后由 传热基本方程式计算 K 值。 【说明】（1）得到的总传热系数K值最为可靠； （2）使用范围受到限制，只能用于与所测 情况相一致的场合（包括设备类型、尺寸、物料性 质、流动状况等）才准确。 Date 总传热系数的测定实验装置 【说明】分别测定Q、A、tm Date 3、使用经验数据 列管换热器的总传热系数K的经验值 冷流体热流体 总传热系数K，W/(m2.) 水水8501700 水气体17280 水有机溶剂280850 水轻油340910 水重油60280 有机溶剂有机溶剂

15、115340 水水蒸气冷凝14204250 气体水蒸气冷凝30300 水低沸点烃类冷凝4551140 水沸腾水蒸气冷凝20004250 轻油沸腾水蒸气冷凝4551020 Date 五、传热面积A的确定 【特点】在传热过程中其面 积始终不改变。 【确定方法】 壁的任何一侧均可作为计 算式中的传热面积。 1、平面壁 Date 【特点】沿着传热方向其 表面积是变化的。 【确定方法】 （1）外表面积（A2）； （2）内表面积（A1） ； （3）平均面积（Am） 。 2、圆筒壁 Date 六、污垢热阻 【影响】由于传热表面有污垢的积存，增加了传热 热阻。换热器使用一段时间后，传热速率Q会下降。 【确定方

16、法】通常根据经验直接估计污垢热阻值， 将其考虑在K中，即： 式中 R1、R2传热面两侧的污垢热阻，m2K/W。 Date Date Date 【例】在列管式换热器中用蒸气加热溶液，列管为 251.5的钢管。蒸汽冷凝的对流传热系数为15000 W/(m2)，溶液的对流传热系数取2000 W/(m2) 。管壁的导热系数50 W/(m)。使用一段时间后 ，管内壁面沉积1mm的垢层，垢层的1W/(m) 。若蒸汽的冷凝温度和溶液的加热温度均不变，求 此时的传热量为原传热量的分率。 Date 【解】设原传热量为 QKAtm 结垢后的传热量为 QKAtm 换热器的尺寸没有改变，故 AA 热、冷物料的进、出口

17、温度不变，故 tmtm 由于 故使用平面壁的计算式计算总传热系数 Date 结垢前 已知 115000 W/(m2) 22000 W/(m2) b0.0015m 50 W/(m) K1676 W/(m2) Date 结垢后 已知 b垢0.001m 垢1W/(m) K626.3 W/(m2) 因此 【结论】为消除污垢热阻的影响，维持换热器的使 用性能，应定期清洗换热器。 Date 换热器的物理清洗 Date 换热器的化学清洗 Date 清洗前的换热器 Date 清洗后的换热器 Date 七、流向的选择 1、在流体进出口温度相同的条件下，逆流的平均温 差最大，并流最小，其它流动型式的tm介于两者之

18、 间。逆流操作的优点如下： （1）在热负荷Q、K相同时，采用逆流可以较小的 传热面积 A 完成相同的换热任务； （2）在热负荷Q、A相同时，可以节省加热和冷却介 质的用量或多回收热。 【结论】一般情况下，应采用逆流操作。 Date 2、在某些方面并流也优于逆流。 （1）工艺上要求加热某一热敏性物质时，要求加热 温度不高于某值（并流t2maxT2）； （2）易固化（结晶）物质冷却时，要求冷却温度不 低于某值（并流T2mint2），如易于控制流体出口温 度。 3、采用折流和其它复杂流型的目的是为了提高传 热系数，从而提高K来减小传热面积。 Date 八、传热过程的强化措施 【结论】为了增强传热效率

19、，可采取： （1）增大平均传热温度差tm； （2）增大传热面积A； （3）增大总传热系数K。 1、强化传热的途径 Date 2、增大传热平均温度差tm （1）两侧变温情况下，尽量采用逆流流动； （2）提高加热剂T1的温度（如用蒸汽加热，可提高 蒸汽的压力来达到提高其饱和温度的目的）； （3）降低冷却剂t1的温度（如使用冷冻盐水）。 【说明】利用tm来强化传热是有限的。 Date 3、增大总传热系数K （1）尽可能利用有相变的热载体（大）； （2）用大的材料作为传热壁； （3）减小金属壁的厚度（b小）； （4）及时清除污垢（R小）； （5）提高 较小一侧的给热系数。 Date 3、增大单位体积的传热面积A （1）采用翅片管代替光滑管； （2）采用高效新型换热器。 （如列管式换热器的传 热面积只有40160m2/m3，而板式换热器的传热面 积可达2501500m2/m3） 在传统的间壁式换热器中，除夹套式外，其他都 为管式换热器。管式的共同缺点是结构不紧凑，单 位体积所提供的传热面小，金属消耗量大。可采用 的方法为： Date Date Date 板式换热器 Date