化工原理課件：4-3 兩流體間傳熱過程的計(jì)算

1、4.3 兩流體間傳熱過程的計(jì)算設(shè)計(jì)型計(jì)算 根據(jù)工藝提出的條件，確定換熱器傳熱面積，進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)及選擇；校核型計(jì)算 對已知換熱面積的換熱器，核算其傳熱量、流體的流量或溫度。計(jì)算類型：計(jì)算基礎(chǔ)：熱量衡算方程和傳熱速率方程。4.3 兩流體間傳熱過程的計(jì)算主要內(nèi)容： 熱量衡算 傳熱平均溫度差 總傳熱系數(shù) 壁溫計(jì)算 傳熱計(jì)算示例4.3.1 熱量衡算 多用來計(jì)算換熱器的熱負(fù)荷、流體流量或溫度。不考慮熱損失，則熱流體放出的熱量=冷流體吸收的熱量熱量衡算式：流體無相變化換熱器中一側(cè)有相變，假設(shè)熱流體為飽和蒸汽冷凝冷凝液出口溫度低于飽和溫度飽和溫度 注：r為飽和蒸氣 的比汽化熱。 4.3.1 熱量衡算熱量

2、衡算式：例4-6 計(jì)算壓力為150kPa，流量為1500kg/h的飽和水蒸汽冷凝后并降溫至50所放出的熱量。解：查水蒸氣表知： 150kPa時(shí)的飽和溫度比汽化熱冷凝水由111降溫至50，平均溫度為80.5，在該溫度下的比熱容為故4.3.1 熱量衡算4.3.2 傳熱平均溫度差 如間壁一側(cè)為飽和蒸汽冷凝，冷凝溫度恒定為T，另一側(cè)為液體沸騰，沸騰溫度恒定為t，兩側(cè)流體溫度沿傳熱面無變化，溫差亦為恒定，即(1) 恒溫傳熱 兩流體的相互流向及溫差變化情況逆流并流4.3.2 傳熱平均溫度差(2) 變溫傳熱 錯(cuò)流折流4.3.2 傳熱平均溫度差兩流體的相互流向及溫差變化情況(2) 變溫傳熱 平均溫度差假設(shè)：冷

3、、熱流體的質(zhì)量流量為常數(shù)；冷熱流體的比熱容和總傳熱系數(shù)沿傳熱面不發(fā)生變化；忽略換熱器的熱損失。 取換熱器的一微元段為研究對象。4.3.2 傳熱平均溫度差(2) 變溫傳熱 列熱量衡算式：而故與成直線關(guān)系，其斜率為4.3.2 傳熱平均溫度差平均溫度差(2) 變溫傳熱 分離變量并積分：在微元段內(nèi)應(yīng)用傳熱速率方程有：已推知：得稱為對數(shù)平均溫度差。當(dāng) 時(shí)，可用算數(shù)平均代替。4.3.2 傳熱平均溫度差(2) 變溫傳熱 平均溫度差例4-7 用一列管式換熱器加熱原油，原油進(jìn)口溫度為100，出口溫度為150。某反應(yīng)物作為加熱劑，進(jìn)口溫度為250，出口溫度為180。求：(1)并流與逆流的平均溫度差；(2) 若原油

4、流量為1800kg/h，比熱容為2kJ/(kgK),總傳熱系數(shù)為100W/(m2K),求并流和逆流時(shí)所需傳熱面積；(3)若要求加熱劑出口溫度降至150，求此時(shí)并流和逆流時(shí)的平均傳熱溫差和所需傳熱面積，逆流時(shí)的加熱劑量可減少多少（加熱劑的比熱容及總傳熱系數(shù)不變）？ 解：(1)25018010015080100逆流并流25018015010030150例4-7 用一列管式換熱器加熱原油，原油進(jìn)口溫度為100，出口溫度為150。某反應(yīng)物作為加熱劑，進(jìn)口溫度為250，出口溫度為180。求：(1)并流與逆流的平均溫度差；(2) 若原油流量為1800kg/h，比熱容為2kJ/(kgK),總傳熱系數(shù)為100

5、W/(m2K),求并流和逆流時(shí)所需傳熱面積；(3)若要求加熱劑出口溫度降至150，求此時(shí)并流和逆流時(shí)的平均傳熱溫差和所需傳熱面積，逆流時(shí)的加熱劑量可減少多少（加熱劑的比熱容及總傳熱系數(shù)不變）？ 解：(2)例4-7 用一列管式換熱器加熱原油，原油進(jìn)口溫度為100，出口溫度為150。某反應(yīng)物作為加熱劑，進(jìn)口溫度為250，出口溫度為180。求：(1)并流與逆流的平均溫度差；(2) 若原油流量為1800kg/h，比熱容為2kJ/(kgK),總傳熱系數(shù)為100W/(m2K),求并流和逆流時(shí)所需傳熱面積；(3)若要求加熱劑出口溫度降至150，求此時(shí)并流和逆流時(shí)的平均傳熱溫差和所需傳熱面積，逆流時(shí)的加熱劑量

6、可減少多少（加熱劑的比熱容及總傳熱系數(shù)不變）？ 解：(3)25015010015050100逆流并流2501501501000150例4-7 用一列管式換熱器加熱原油，原油進(jìn)口溫度為100，出口溫度為150。某反應(yīng)物作為加熱劑，進(jìn)口溫度為250，出口溫度為180。求：(1)并流與逆流的平均溫度差；(2) 若原油流量為1800kg/h，比熱容為2kJ/(kgK),總傳熱系數(shù)為100W/(m2K),求并流和逆流時(shí)所需傳熱面積；(3)若要求加熱劑出口溫度降至150，求此時(shí)并流和逆流時(shí)的平均傳熱溫差和所需傳熱面積，逆流時(shí)的加熱劑量可減少多少（加熱劑的比熱容及總傳熱系數(shù)不變）？ 解：(3)本題結(jié)論流向的

7、選擇： 在相同的進(jìn)出口溫度條件下，逆流的平均溫度差大于并流時(shí)的平均溫度差，因此當(dāng)換熱器的傳熱量Q 及總傳熱系數(shù)K一定時(shí)，采用逆流操作，所需的換熱器傳熱面積較小。 采用逆流操作可節(jié)省加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。因逆流時(shí)熱流體的溫降可較并流時(shí)大，同樣冷流體的溫升也可較并流時(shí)大。換熱器應(yīng)盡可能采用逆流操作。但是在某些生產(chǎn)工藝要求下，若對流體的溫度有所限制，如冷流體被加熱時(shí)不得超過某一溫度，或熱流體被冷卻時(shí)不得低于某一溫度，則宜采用并流操作。 4.3.2 傳熱平均溫度差計(jì)算過程（參考P146例4-13）：計(jì)算R、P查圖得到計(jì)算折流和錯(cuò)流的平均溫度差4.3.2 傳熱平均溫度差(2) 變溫傳熱 溫差校正系數(shù)

8、圖4.3.3 總傳熱系數(shù) 總傳熱系數(shù)K是評價(jià)換熱器性能的一個(gè)重要參數(shù)，也是對換熱器進(jìn)行傳熱計(jì)算的依據(jù)。K的數(shù)值取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等，因而K值變化范圍很大。 在換熱器的傳熱計(jì)算中，K的來源主要有 計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測定、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(1) 圓筒壁的總傳熱系數(shù)計(jì)算式而4.3.3 總傳熱系數(shù)故有K隨著所取傳熱面的不同而不同! 取以內(nèi)表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)4.3.3 總傳熱系數(shù)(1) 圓筒壁的總傳熱系數(shù)計(jì)算式 取以外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù) 取以平均表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)4.3.3 總傳熱系數(shù)(1) 圓筒壁的總傳熱系數(shù)計(jì)算式考慮傳熱管壁兩側(cè)的污垢熱阻，則有4.3.3 總傳熱系數(shù)(2

9、) 污垢熱阻取管外污垢熱阻例4-8 有一套管式換熱器，傳熱管為 鋼管，CO2氣體在管內(nèi)流動(dòng)，對流傳熱系數(shù)為40W/(m2) ；冷卻水在管外流動(dòng)，對流傳熱系數(shù)為3000W/(m2)，求(1)總傳熱系數(shù)；(2)若管內(nèi)對流傳熱系數(shù)增大一倍，總傳熱系數(shù)增加多少？若管外對流傳熱系數(shù)增大一倍，總傳熱系數(shù)增加多少？ 解：查得碳鋼的熱導(dǎo)率取管內(nèi)污垢熱阻(1)以內(nèi)表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)為例4-8 有一套管式換熱器，傳熱管為 鋼管，CO2氣體在管內(nèi)流動(dòng)，對流傳熱系數(shù)為40W/(m2) ；冷卻水在管外流動(dòng)，對流傳熱系數(shù)為3000W/(m2)，求(1)總傳熱系數(shù)；(2)若管內(nèi)對流傳熱系數(shù)增大一倍，總傳熱系數(shù)增加多少

10、？若管外對流傳熱系數(shù)增大一倍，總傳熱系數(shù)增加多少？ 解：(2)減小對流傳熱系數(shù)小的一側(cè)的熱阻，有利于增大總傳熱系數(shù)。例4-9 教材P15例4-15自學(xué)。結(jié)論： 隨著保溫層外徑的增大，熱損失先增大后減小。保溫層外徑應(yīng)大于臨界直徑（熱損失最大時(shí)對應(yīng)的外徑）。(3) 平壁與薄管壁的總傳熱系數(shù)計(jì)算式如管壁熱阻很小，可略，且污垢熱阻也可略時(shí)有：當(dāng)兩流體的對流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，K值必趨近且小于 與 中小的一個(gè)。4.3.3 總傳熱系數(shù)(4) 換熱器中總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值4.3.3 總傳熱系數(shù)例4-10 現(xiàn)測定一傳熱面積為2m2的列管式換熱器的總傳熱系數(shù)K值。已知熱水走管程，流量為1500kg/h，進(jìn)口溫度為

11、80，出口溫度為50；冷水走殼程，進(jìn)口溫度為15，出口溫度為30，逆流流動(dòng)。解：查得熱水在平均溫度(80+50)/2=65下的比熱容為于是換熱器的熱負(fù)荷平均傳熱溫差805015303550應(yīng)用下式計(jì)算壁溫：若壁溫若考慮污垢熱阻，則4.3.4 壁溫的計(jì)算例4-11 教材P153例4-17自學(xué)結(jié)論：壁溫總是接近對流傳熱系數(shù)較大一側(cè)的流體溫度。4.3.5 傳熱計(jì)算示例基本計(jì)算式解：查得水在平均溫度(15+35)/2=25下的比熱容為 ，苯在平均溫度(80+50)/2=65下的比熱容為例4-12 有一碳鋼制造的套管換熱器，其內(nèi)管直徑為 89mm3.5mm，流量為2000kg/h的苯在內(nèi)管中從80冷卻到

12、50。冷卻水在環(huán)隙中從15升到35，苯的對流傳熱系數(shù) ，水的對流傳熱系數(shù) ，忽略污垢熱阻。求：(1) 冷卻水消耗量。(1)解：(2)以并流為例例4-12 有一碳鋼制造的套管換熱器，其內(nèi)管直徑為 89mm3.5mm，流量為2000kg/h的苯在內(nèi)管中從80冷卻到50。冷卻水在環(huán)隙中從15升到35，苯的對流傳熱系數(shù) ，水的對流傳熱系數(shù) ，忽略污垢熱阻。求： (2) 并流和逆流時(shí)的操作面積。805035151565解：(3)例4-12 有一碳鋼制造的套管換熱器，其內(nèi)管直徑為 89mm3.5mm，流量為2000kg/h的苯在內(nèi)管中從80冷卻到50。冷卻水在環(huán)隙中從15升到35，苯的對流傳熱系數(shù) ，水的

13、對流傳熱系數(shù) ，忽略污垢熱阻。求： (3) 如逆流時(shí)所采用的面積與并流時(shí)相同，計(jì)算冷卻水出口溫度與消耗量，總傳熱系數(shù)隨溫度變化可略。8050t21580-t235解：例4-13 在一單程管殼式換熱器內(nèi)，流量為10000kg/h的某種溶液在管束內(nèi)呈湍流流動(dòng)，其比熱容為4.18kJ/(kgK)，由15加熱到100，管內(nèi)對流傳熱系數(shù)為600W/(m2 )。溫度為110的飽和水蒸氣在殼方冷凝為同溫度的水，其對流傳熱系數(shù)為12000W/(m2 )。列管換熱器由 的160根不銹鋼管組成，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為17W/(m)。若垢層熱阻和熱損失可忽略，求列管長度。 解：例4-13 在一單程管殼式換熱器內(nèi)，流量為

14、10000kg/h的某種溶液在管束內(nèi)呈湍流流動(dòng)，其比熱容為4.18kJ/(kgK)，由15加熱到100，管內(nèi)對流傳熱系數(shù)為600W/(m2 )。溫度為110的飽和水蒸氣在殼方冷凝為同溫度的水，其對流傳熱系數(shù)為12000W/(m2 )。列管換熱器由 的160根不銹鋼管組成，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為17W/(m)。若垢層熱阻和熱損失可忽略，求列管長度。 110110151009510又解：換熱器是否合用，可根據(jù)換熱量和換熱面積兩個(gè)指標(biāo)來判斷?，F(xiàn)以換熱面積來判斷。又例4-14 用一傳熱面積為3.2m2(外表面積)，由的管子組成的單程列管式換熱器，用初溫為10的水將機(jī)油由200冷卻到100，水走管內(nèi)，油走管

15、間。已知水和機(jī)油的質(zhì)量流量分別為1000kg/h和1200kg/h，其比容分別為4.18kJ/(kgK)和2.1kJ/(kgK)，水側(cè)和油側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為2000W/(m2K)和250W/(m2K)，兩側(cè)逆流傳熱，不計(jì)管壁和污垢熱阻，計(jì)算說明該換熱器是否合用？ 解：例4-14 用一傳熱面積為3.2m2(外表面積)，由的管子組成的單程列管式換熱器，用初溫為10的水將機(jī)油由200冷卻到100，水走管內(nèi)，油走管間。已知水和機(jī)油的質(zhì)量流量分別為1000kg/h和1200kg/h，其比容分別為4.18kJ/(kgK)和2.1kJ/(kgK)，水側(cè)和油側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為2000W/(m2K)和250W/(m2K)，兩側(cè)逆流傳熱，不計(jì)管壁和污垢熱阻，計(jì)算說明該換熱器是否合用？ 2001001070.390129.7解：故換熱面積滿足換熱要求，該換熱器合用。例4-14 用一傳熱面積為3.2m2(外表面積)，由的管子組成的單程列管式換熱器，用初溫為10的水將機(jī)油由200冷卻到100，水走管內(nèi)，油走管間。已知水和機(jī)油的質(zhì)量流量分別為1000kg/h和1200kg/h，其比容分別為4.18kJ/(kgK)和2.1kJ/(kgK)，水側(cè)和油側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為2000W/(m2K)和250W/(m2K)，兩側(cè)逆流傳熱，不計(jì)管壁和污垢熱阻，計(jì)算說明該換熱器是否合用？ 4.3 兩流體間