熱交換的計(jì)算

1、化化 工工 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)An Introduction to Chemical Industry and EngineeringAn Introduction to Chemical Industry and Engineering教學(xué)目的：教學(xué)目的：重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)難點(diǎn)：課課 型：型：4 4.4 .4 熱交換熱交換( (heat exchange)heat exchange)的計(jì)算的計(jì)算學(xué)習(xí)總傳熱方程及其推導(dǎo)，比較不同傳熱學(xué)習(xí)總傳熱方程及其推導(dǎo)，比較不同傳熱形式，并計(jì)算各種換熱方式的溫差，了解形式，并計(jì)算各種換熱方式的溫差，了解強(qiáng)化傳熱過程的途徑。強(qiáng)化傳熱過程的途徑?？倐鳠岱匠碳皞鳠釡夭畹挠?jì)算總

2、傳熱方程及傳熱溫差的計(jì)算理論知識理論知識復(fù)復(fù) 習(xí)習(xí)傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱（heat conductionheat conduction） :對流傳熱對流傳熱(convection of heat):()QttAR nnnrrtl1ln12平面壁：平面壁：圓筒壁：圓筒壁：Fourier heat equationNewton heat equationAtthQ)(214 4.4 .4 熱交換熱交換( (heat exchange)heat exchange)的計(jì)算的計(jì)算化工生產(chǎn)中經(jīng)常用到的傳化工生產(chǎn)中經(jīng)常用到的傳熱操作是熱流體經(jīng)管壁或熱操作是熱流體經(jīng)管壁或器壁向冷流體傳熱的過程，器壁向冷流體傳熱的過

3、程，該過程稱為該過程稱為間壁式熱交換間壁式熱交換或換熱?；驌Q熱。熱熱流流體體湍湍流流主主體體冷冷流流體體湍湍流流主主體體Tt器壁器壁Q一、總傳熱方程一、總傳熱方程(overall heat transfer equation)熱流體T一側(cè)壁面TW另一側(cè)壁面tW冷流體t對流對流傳導(dǎo)傳導(dǎo)對流對流123),(111WTTAh111AhTTW),(2WWtTAAtTWW2)(223ttAhW223AhttW熱熱流流體體湍湍流流主主體體冷冷流流體體湍湍流流主主體體TtSteady state:Steady state:321221111AhAAhtT總傳熱總傳熱方程方程:平面壁的總傳熱方程平面壁的總傳熱

4、方程221111AhAAhtT總傳熱總傳熱方程方程: 平面壁平面壁:AAA21tKAK傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)(coefficient of heat transfer) 或總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)，W.m-2.K-1;R總熱阻總熱阻，為串聯(lián)各分熱阻的總和。復(fù)合平面壁：復(fù)合平面壁：2111hhtA2111hhtARt圓筒壁的總傳熱方程圓筒壁的總傳熱方程 圓筒壁：圓筒壁：22121122111ln11)(211rhrrrhtTlAhAAhtT221111)(AhAAhtTm或或tKA基于管外表面積的傳熱系數(shù)K2:22112211hAAAhAKm以圓管內(nèi)壁面、外壁面和平均壁面為基準(zhǔn)的K值各不相同，但KA一定是

5、相同的?？倐鳠岱匠蹋嚎倐鳠岱匠蹋簍KA K是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。其大小是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。其大小 取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換 熱器的類型等。熱器的類型等。傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) 通過公式計(jì)算通過公式計(jì)算K 查取相關(guān)手冊選用經(jīng)驗(yàn)值查取相關(guān)手冊選用經(jīng)驗(yàn)值(基于管外表面積基于管外表面積) 通過實(shí)驗(yàn)測定通過實(shí)驗(yàn)測定K傳熱系數(shù)的大致范圍傳熱系數(shù)的大致范圍換熱流體K/W.m-2.K-1換熱流體K/W.m-2.K-1氣體-氣體氣體-有機(jī)物氣體-水103010401060冷凝水蒸氣-氣體冷凝水蒸氣-有機(jī)物冷凝水蒸氣-水10505040030

6、02000油-油油-水水-水1003001504008001800冷凝水蒸氣-沸騰輕油冷凝水蒸氣-沸騰溶液冷凝水蒸氣-沸騰水5001000300250020004000例例 題題例例4-7 夾套反應(yīng)釜的內(nèi)徑為夾套反應(yīng)釜的內(nèi)徑為80cm，釜壁碳鋼釜壁碳鋼( =50W.m-1.K-1)板厚板厚8mm,襯搪瓷厚襯搪瓷厚3mm ( =1.0W.m-1.K-1)，夾套中通飽和夾套中通飽和水蒸氣水蒸氣(h=10000W.m-2.K-1)加熱，水蒸氣溫度為加熱，水蒸氣溫度為120，釜，釜內(nèi)為有機(jī)物內(nèi)為有機(jī)物(h=250W.m-2.K-1)，溫度為溫度為80。求該條件下單。求該條件下單位面積的傳熱速率和各熱阻

7、占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。位面積的傳熱速率和各熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。解：解：因內(nèi)徑因內(nèi)徑0.8m外徑外徑0.822m,可近似作為平面壁，則可近似作為平面壁，則2111/hhtA0001. 011h00016. 050008. 011003. 01003. 022004. 012h可見：主要熱阻在搪瓷襯里和有機(jī)物這一側(cè)。可見：主要熱阻在搪瓷襯里和有機(jī)物這一側(cè)。如果忽略水蒸氣和碳鋼的熱阻，計(jì)算結(jié)果只相差如果忽略水蒸氣和碳鋼的熱阻，計(jì)算結(jié)果只相差3.6%。例例4-84-8 在列管加熱器中在列管加熱器中,20,20原油流經(jīng)管內(nèi)原油流經(jīng)管內(nèi)( (h=200W.mh=200W.m-2-2.K.K-1-1) )，管

8、外用管外用120120飽和水蒸氣加熱飽和水蒸氣加熱( (h=10000W.mh=10000W.m-2-2.K.K-1-1) )，管子為管子為 4848mmmm2mm2mm無縫鋼管無縫鋼管( ( =50=50W.mW.m-1-1.K.K-1-1) )，管內(nèi)油垢層厚為管內(nèi)油垢層厚為1 1mm mm ( ( =1.0=1.0W.mW.m-1-1.K.K-1-1) )。求通過每米管長的傳熱速率。若將求通過每米管長的傳熱速率。若將h h1 1、h h2 2分別提高一倍，則傳熱速率有何變化？分別提高一倍，則傳熱速率有何變化？解：解：12211.16.211)(2/mkWrhrrhtTlm時(shí)當(dāng)4001h1.

9、67.3mkWl時(shí)當(dāng)200002h1.18.2mkWl可見：提高原來可見：提高原來h已經(jīng)很大的這側(cè)流體的傳熱膜系數(shù)，對已經(jīng)很大的這側(cè)流體的傳熱膜系數(shù)，對總傳熱的影響是不大的；總傳熱的影響是不大的；而降低熱阻大的這側(cè)流體的熱阻，而降低熱阻大的這側(cè)流體的熱阻，對傳熱速率的提高則是有意義的。對傳熱速率的提高則是有意義的。r1r1r2總傳熱方程總傳熱方程:tAK傳熱溫差傳熱溫差連續(xù)定態(tài)傳熱有兩種情況連續(xù)定態(tài)傳熱有兩種情況:恒溫和變溫恒溫和變溫定態(tài)恒溫傳熱定態(tài)恒溫傳熱:兩流體經(jīng)傳熱面進(jìn)行熱交換時(shí),沿壁面上兩流體的溫度不僅不隨時(shí)間變化不隨時(shí)間變化，同時(shí)也不隨不隨壁面的不同位置而變化壁面的不同位置而變化。如

10、蒸發(fā)和蒸餾。tTtK或或傳熱溫差傳熱溫差定態(tài)變溫傳熱定態(tài)變溫傳熱：傳熱壁面各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化不隨時(shí)間而變化，但隨傳熱面位置不同而不同隨傳熱面位置不同而不同。冷熱并流并流逆流逆流錯流錯流簡單折流簡單折流傳熱溫差傳熱溫差并流和逆流并流和逆流特點(diǎn)：特點(diǎn)：22Tt 在相同的條件下在相同的條件下(如相同的換熱時(shí)間或換熱面積如相同的換熱時(shí)間或換熱面積)，逆流傳熱，逆流傳熱平均溫度差大于并流傳熱平均溫度差。逆流比并流換熱更完平均溫度差大于并流傳熱平均溫度差。逆流比并流換熱更完全。全。并流并流逆流逆流2111Tt t221Tt 可能t2并流傳熱溫度差的前后變化比逆流劇烈。并流傳熱溫度差的前后變化比逆流劇烈

11、。傳熱溫差傳熱溫差mtKA2121lntttttm對數(shù)平均溫差對數(shù)平均溫差:122122tttt或當(dāng)221tttm熱交換的計(jì)算熱交換的計(jì)算例例4-11 套管換熱器中,用一定量的熱流體將另一定量的冷流體加熱。熱流體溫度由120降到70，冷流體由20升到60。比較并流與逆流的傳熱溫差。T1=120T2=70t1=20t2=60T1=120t1=20t2=60T2=70解：解： 并流并流100201201t1060702t逆流逆流60601201t5020702t1 .39mt9 .54mt55 mt根據(jù)總傳熱方程 =KA t，傳熱量相同時(shí)，逆流所需的傳熱面積比并流小，設(shè)備尺寸隨之可以減小。換熱器中

12、冷、熱兩種流體進(jìn)行熱交換，若忽略熱若忽略熱損失損失，熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。熱量衡算熱量衡算mcpcmhphmtKAttcqTTcq)()(12,21,mhmcpcmtKALqttcq潛熱,12,)(兩種流體均兩種流體均無相變無相變：一種流體一種流體有相變有相變：兩種流體均兩種流體均有相變有相變：mhmcmtKALqLq,例例4-9 用用134的飽和水蒸氣的飽和水蒸氣(304kPa)通入夾套發(fā)生冷凝通入夾套發(fā)生冷凝,使使沸騰的甲苯氣化成甲苯蒸氣送往反應(yīng)器沸騰的甲苯氣化成甲苯蒸氣送往反應(yīng)器, 甲苯沸點(diǎn)為甲苯沸點(diǎn)為110.6 (氣化熱氣化熱363.5 kJ.kg-1),加熱面為加熱面

13、為1m2,每小時(shí)氣化每小時(shí)氣化200kg甲苯甲苯.求求傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)K。若保溫后甲苯氣化過程尚有若保溫后甲苯氣化過程尚有10%熱損失，求水熱損失，求水蒸氣每小時(shí)消耗量。蒸氣每小時(shí)消耗量。根據(jù)需要傳熱速率應(yīng)為：根據(jù)需要傳熱速率應(yīng)為：kW2 .2036002005 .363由總傳熱方程得：由總傳熱方程得：12.863)6 .110134(120200KmWtAK水蒸氣凝結(jié)熱水蒸氣凝結(jié)熱2.16103kJ.kg-1，消耗水蒸氣量：消耗水蒸氣量：10 .373600216010. 12 .20hkgqm定態(tài)定態(tài):解解:mhmcmtKALqLq,例例4-12 在某以一定尺寸的套管換熱器中，熱流體與冷流

14、體并流換熱。熱流體由120降到70 ，冷流體由20 到60 。若換熱器及有關(guān)條件（流體進(jìn)口溫度及流量等）不變，將并流改為逆流，求冷、熱流體排出溫度?？稍O(shè)傳熱系數(shù)、物料的比容及設(shè)備的熱損失不變。解：解：T1=120 t1=20 t2=60 T2=70 t1=20 T1=120 t2=？T2=？2112,TTttcqcqcpcmhphmmhphmtTTcqKA21,7012020601 .3970120267.6t260.5TmcpcmhphmtKAttcqTTcq)()(12,21,1202022Tt2/)120()20(120222tTT例例: :用一傳熱面積為用一傳熱面積為3m3m2 2，由

15、，由 25mmk 225mmk 25mm5mm的管子組成的管子組成的單程列的單程列管管式換熱器，用初溫為式換熱器，用初溫為1010的水將機(jī)油由的水將機(jī)油由200 200 冷卻至冷卻至100100，水走管內(nèi)，機(jī)油走管間。已知水和機(jī)，水走管內(nèi)，機(jī)油走管間。已知水和機(jī)油的質(zhì)量流量分別是油的質(zhì)量流量分別是1000kg/h1000kg/h和和1200kg/h1200kg/h，其定壓質(zhì)，其定壓質(zhì)量熱容分別為量熱容分別為4.18kJ/(kg.K)4.18kJ/(kg.K)和和2.0kJ/(kg.K),2.0kJ/(kg.K),水側(cè)和水側(cè)和機(jī)油機(jī)油側(cè)側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別是的對流傳熱系數(shù)分別是2000w/(m2

16、000w/(m2 2.K).K)和和250250w/(m2.K) 。兩流體呈逆流流動。兩流體呈逆流流動(Re(Re10104 4) )，忽略管，忽略管壁和污垢的熱阻。壁和污垢的熱阻。 ()()計(jì)算說明該換熱器是否合用計(jì)算說明該換熱器是否合用? ? (2) (2)夏天當(dāng)水的初溫達(dá)到夏天當(dāng)水的初溫達(dá)到3030時(shí)，而機(jī)油的流量及時(shí)，而機(jī)油的流量及冷卻程度不變，問此時(shí)換熱器是否合用冷卻程度不變，問此時(shí)換熱器是否合用? ?如何解決，如何解決，( (假設(shè)傳熱系數(shù)不變假設(shè)傳熱系數(shù)不變) )。mcpcmhphmtKAttcqTTcq)()(12,21,例例 要求每小時(shí)冷凝要求每小時(shí)冷凝500kg乙醇蒸氣乙醇蒸

17、氣,并將凝結(jié)液冷卻至并將凝結(jié)液冷卻至30 C,乙醇的凝結(jié)溫度為乙醇的凝結(jié)溫度為78.5 C，凝結(jié)熱為，凝結(jié)熱為880kJ.kg-1，液體乙醇，液體乙醇的平均比定壓熱容為的平均比定壓熱容為2.8kJ.Kg-1.K-1，乙醇蒸氣在該條件下的，乙醇蒸氣在該條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為3500W.m-2.K-1，乙醇液體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為，乙醇液體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為700W.m-2.K-1。冷卻水（逆流）的初始溫度為。冷卻水（逆流）的初始溫度為15 C ，排出溫，排出溫度為度為35 C ，水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為，水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1000W.m-2.K-1。管壁及污。管壁及污垢層的熱阻可忽略。水的比定

18、壓熱容為垢層的熱阻可忽略。水的比定壓熱容為4.2kJ.Kg-1.K-1。試計(jì)。試計(jì)算熱交換器應(yīng)有的換熱面積。（先求出冷卻水的用量，再將算熱交換器應(yīng)有的換熱面積。（先求出冷卻水的用量，再將冷凝區(qū)和冷卻區(qū)分開計(jì)算）冷凝區(qū)和冷卻區(qū)分開計(jì)算）78.5oC78.5oC30oC15oC?35oC乙醇乙醇水？水？冷凝區(qū)冷卻區(qū)mcpcmhphmtKAttcqTTcq)()(12,21,mhmcpcmtKALqttcq潛熱,12,)(兩種流體均兩種流體均無相變無相變：一種流體一種流體有相變有相變：兩種流體均兩種流體均有相變有相變：mhmcmtKALqLq,利用總傳熱速率方程進(jìn)行計(jì)算的過程中，為了使計(jì)算簡利用總傳熱速率方程進(jìn)行計(jì)算的過程中，為了使計(jì)算簡便，通常便，通常假設(shè)：假設(shè)：(1) 傳熱為定態(tài)操作過程；傳熱為定態(tài)操作過程；(2) 兩流體的比熱為常量兩流體的比熱為常量(可取進(jìn)、出口的平均值可取進(jìn)、出口的平均值)；(3) 總傳熱系數(shù)為常量，即值不隨換熱器的管總傳熱系數(shù)為常量，即值不隨換熱器的管長而變化；長而變化；(4) 換熱器的熱損失可以忽略。換熱器的熱損失可以忽略。 逆流與并流傳熱的比較逆流與并流傳熱的比較相同條件（如相同的流體和