化工原理第二章第四節(jié)講稿課件

1、第二章 傳熱一、總傳熱速率方程二、熱交換計(jì)算第四節(jié) 熱交換的計(jì)算2022/10/11第二章 傳熱一、總傳熱速率方程第四節(jié) 熱交換的計(jì)算20傳熱計(jì)算 校核計(jì)算 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的要求的熱負(fù)荷，確定換熱器的傳熱面積及換熱器的其它有關(guān)尺寸，以便設(shè)計(jì)或選用換熱器。 判斷一個換熱器能否滿足生產(chǎn)任務(wù)的要求或預(yù)測生產(chǎn)過程中某些參數(shù)的變化對換熱器傳熱能力的影響。 即計(jì)算給定換熱器的傳熱量，流體的流量或溫度等。依據(jù)：總傳熱速率方程和熱量衡算。設(shè)計(jì)計(jì)算2022/10/11傳熱計(jì)算 校核計(jì)算 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的要求的熱負(fù)荷，確定換熱器的一、總傳熱速率方程：1.總傳熱過程分析：間壁式熱交換器，熱量從熱流體湍流主體傳到冷流體湍

2、流主體的過程為：熱流體冷流體固體壁TtTwtwTT-Tw- tw- t對流給熱傳導(dǎo)傳熱對流給熱在熱量從T傳到t的過程中，溫度的變化如紅色曲線。從溫度降的情況可見，間壁式換熱器的溫度降主要集中在兩邊界層中，即它的熱阻主要集中在傳熱邊界層內(nèi)。2022/10/11一、總傳熱速率方程：熱流體冷流體固體壁TtTwtwTT-2.傳熱總方程推導(dǎo)：流體通過管壁的傳熱包括：1) 熱流體在流動過程中把熱量傳遞給管壁的對流給熱 2) 通過管壁的傳導(dǎo)傳熱 3) 管壁與流動中的冷流體的對流給熱2022/10/112.傳熱總方程推導(dǎo)： 2) 通過管壁的傳導(dǎo)傳熱 3) 管壁與此過程為穩(wěn)態(tài)傳熱，所以1 = 2= 3 = ，把

3、以上三式相加則： 2022/10/11此過程為穩(wěn)態(tài)傳熱，所以1 = 2= 3 = ，把以上 -間壁式熱交換器的傳熱速率方程2022/10/11 -間壁式熱交換器的傳熱速率方程2022/10/10上式中的k是換熱器的總傳熱系數(shù)，它的物理意義是在單位時間內(nèi)，當(dāng)間壁兩側(cè)湍流主體的溫差為1時，通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。 k值越大，則換熱器單位傳熱面積傳遞的熱量就越多，所以K是換熱器傳熱性能的一個標(biāo)志。至此，本章一共提到了三個標(biāo)志：(導(dǎo)熱系數(shù)） 是物質(zhì)傳導(dǎo)傳熱能力的標(biāo)志； （對流給熱系數(shù)）是流體對流給熱強(qiáng)度的標(biāo)志； K（總傳熱系數(shù)）是換熱器傳熱性能的一個標(biāo)志。2022/10/11上式中的k是換熱器的

4、總傳熱系數(shù)，它的物理意義是在單位時間內(nèi)，(1)平面壁總傳熱方程：當(dāng)換熱器的傳熱壁面為單層平面壁時，A1 = A2= Am= A則 =k At又是平壁的導(dǎo)熱熱阻，如果我們把看作是對流給熱過程的熱阻，而那么k就可以看作是對流給熱熱阻和傳導(dǎo)傳熱熱阻之和的倒數(shù)。當(dāng)單層壁面兩側(cè)有垢層或?yàn)槎鄬悠矫姹趥鳠釙r，總傳熱系數(shù)k 為：2022/10/11(1)平面壁總傳熱方程：當(dāng)換熱器的傳熱壁面為單層平面壁時，A 設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為r1 ，外半徑為r2，平均半徑為rm,圓筒軸向長度為L ,則：(2).圓筒壁總傳熱速率方程：r2r1 A1=2 r1 L A2=2 r2 L Am=2 rm L =r2 r12022/10

5、/11 設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為r1 ，外半徑為r2，平均半徑為rm,圓筒其中在圓筒中，有一個特殊情況，就是化工生產(chǎn)中最常見的薄壁管，此時r1 = r2=rm ，計(jì)算時就可按平面壁來進(jìn)行A1 = A2 = Am=2 rm L，=r2 r1如果換熱器的內(nèi)外壁都沒有垢層，而且傳熱壁本身是又薄又導(dǎo)熱性能良好，那么傳熱壁的熱阻 就可以忽略不計(jì)， 則k=1 1112+=1 21 + 2這就是化工生產(chǎn)中最常見的金屬薄壁管。例題：書上60頁2022/10/11其中在圓筒中，有一個特殊情況，就是化工生產(chǎn)中最常見的薄壁管，當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時，若則總熱阻是由熱阻大的那一側(cè)的對流給熱所控制。提高K值，關(guān)鍵在于提

6、高對流給熱系數(shù)較小一側(cè)的。兩側(cè)的相差不大時，則必須同時提高兩側(cè)的，才能提高K值。污垢熱阻為控制因素時，則必須設(shè)法減慢污垢形成速率或及時清除污垢。2022/10/11當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時，若則總熱阻是由熱阻大的那一側(cè)二、熱交換的計(jì)算1、熱量衡算-熱負(fù)荷與載熱體的計(jì)算：工藝熱負(fù)荷：生產(chǎn)工藝上為了完成某一加熱或冷卻任務(wù)需要在單位時間內(nèi)流體放出或吸收的熱量，有 l來表示，單位：w。換熱設(shè)備的熱負(fù)荷：換熱設(shè)備所具有的能力，用設(shè)備來表示。設(shè)備 l，生產(chǎn)條件才能完成。 l的計(jì)算又分為兩種情況：(1)流體在換熱過程中無相態(tài)變化而只有溫度變化：l = qma Cpa(ta2 ta1 )(2)流體在熱交

7、換器中發(fā)生相變，如蒸發(fā)、冷凝等：l = qma Ha H-相變熱； qma -質(zhì)量流量； ta2 、ta1 - a的進(jìn)出口溫度， (ta2 ta1 ) 02.熱量衡算式：熱流體a冷流體b固體壁設(shè)備設(shè)熱流體放出的熱量為 a ，冷流體吸收的熱量b ，設(shè)備的換熱能力為設(shè)備，那么在不考慮熱量損失的情況下，a= b= 設(shè)備 , 熱量衡算可在這三者中的任意兩個之間來進(jìn)行。2022/10/11二、熱交換的計(jì)算工藝熱負(fù)荷：生產(chǎn)工藝上為了完成某一加熱或冷卻(1)在兩個流體之間進(jìn)行衡算都不發(fā)生相變： q ma Cpa(ta2 ta1 )= q m b C pb(tb2 tb1 ) 一種流體發(fā)生相變： q ma C

8、pa(ta2 ta1 )= q m b H b 兩種都發(fā)生相變： qma Ha = qmb Hb(2)流體和設(shè)備之間進(jìn)行衡算流體不發(fā)生相變： q ma Cpa(ta2 ta1 )= k Amt流體發(fā)生相變： q m b H b = k Amt 例2：書上61頁2022/10/11(1)在兩個流體之間進(jìn)行衡算都不發(fā)生相變： q ma Cpa2.傳熱平均溫度差的計(jì)算恒溫差傳熱：變溫差傳熱： 傳熱溫度差不隨位置而變的傳熱。冷熱兩種流體的溫度均不隨著流動方向而發(fā)生變化，如一側(cè)流體是恒溫沸騰，一側(cè)流體是飽和蒸汽冷凝。 傳熱溫度差隨位置而改變的傳熱。一側(cè)或兩側(cè)的流體，溫度隨著流動方向而發(fā)生變化。 傳熱1）

9、.恒溫傳熱溫度差：設(shè)橫坐標(biāo)為換熱器壁面，縱坐標(biāo)為溫度，因?yàn)槔錈醿煞N流體的溫度均不發(fā)生變化，所以，傳熱的溫度差也就始終不會發(fā)生變化，則 tm=th -tcthtc2022/10/112.傳熱平均溫度差的計(jì)算恒溫差傳熱：變溫差傳熱： 流動形式 并流 ：逆流 ：錯流 ：折流 ：兩流體平行而同向的流動 兩流體平行而反向的流動 兩流體垂直交叉的流動 一流體只沿一個方向流動，而另一流體反復(fù)折流 2）變溫傳熱平均溫度差：（1）流動型式：并流逆流錯流折流2022/10/11流動形式 并流 ：逆流 ：錯流 ：折流 ：兩流體平行而同向的傳熱溫差 參與熱交換的兩種流體或其中之一有溫度變化，熱流體放出熱量，溫度沿流程

10、降低；冷流體獲得熱量，溫度沿流程升高，冷熱流體的溫度差沿?fù)Q熱器表面各點(diǎn)是不同的。 當(dāng)用傳熱基本方程式計(jì)算整個換熱器的傳熱速率時，必須使用整個傳熱面積上的平均溫差。 平均溫差還與參與換熱的兩流體的流動方式有關(guān)，流體的流動方式不同，平均傳熱溫差不同。傳熱平均溫度差：指換熱器中參與熱交換過程的冷熱兩種流體存在的溫度差。2022/10/11傳熱溫差 參與熱交換的兩種流體或其中之一有溫度變化，熱流體放逆流并流2022/10/11逆流并流2022/10/10（2）、逆流和并流時的傳熱溫差 假定： （1）換熱器在穩(wěn)定情況下操作；（2）流體的比熱容均為常量，且傳熱系數(shù)k沿?fù)Q熱面而不變；（3）換熱器無熱損失 以

11、逆流為例，推導(dǎo)平均溫差2022/10/11（2）、逆流和并流時的傳熱溫差 假定： （1）換熱器在穩(wěn)定情T2t1t2T1dTdtdAAtt2t1tht2022/10/11T2t1t2T1dTdtdAAtt2t1tht2022/微元面積dA的傳熱情況兩流體的溫差為t 通過微元面dA的傳熱量為 ： 2022/10/11微元面積dA的傳熱情況通過微元面dA的傳熱量為 ： 20222022/10/112022/10/10積分 ：即： 2022/10/11積分 ：即： 2022/10/10對于熱流體 對于冷流體2022/10/11對于熱流體 對于冷流體2022/10/10對數(shù)平均溫度差 2022/10/1

12、1對數(shù)平均溫度差 2022/10/10并流假定： 在傳熱過程中，熱損失忽略不計(jì)； 兩流體的比熱為常數(shù)，不隨溫度而變； 總傳熱系數(shù)K為常數(shù)，不沿傳熱表面變化。逆流或并流時的平均溫差逆流2022/10/11并流假定：逆流或并流時的平均溫差逆流2022/10/10注意：在應(yīng)用對數(shù)平均溫度差計(jì)算式時，通常將換熱器兩端溫度差t中數(shù)值大的寫成t1，小的寫成t2例：在一單殼單管程無折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻水將熱流體由100冷卻至40，冷卻水進(jìn)口溫度15，出口溫度30，試求在這種溫度條件下，逆流和并流的平均溫度差。2022/10/11例：在一單殼單管程無折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻水將熱流解 ：

13、逆流時： 熱流體： 冷流體： 70 25并流時： 熱流體 ：冷流體 ：85 102022/10/11解 ： 逆流時： 熱流體： 冷流體： 70 在冷、熱流體初、終溫度相同的條件下，逆流的平均溫度差大。逆流可節(jié)省傳熱面積；節(jié)省加熱或冷卻介質(zhì)的用量。2022/10/11在冷、熱流體初、終溫度相同的條件下，逆流的平均溫度差大。逆流并流時T2恒大于t2，但逆流時T2有可能低于t2，逆流時熱流體的出口溫度有可能低于并流逆流時熱流體的用量有可能比并流時為少。一般都采用逆流操作。但是并流也有它的特點(diǎn)，例如工藝上要求被加熱的流體不得高于某一溫度，或被冷卻的流體不得低于某一溫度，采用并流較易控制。參與換熱的兩流體中只有一個流體變溫的情況，例如在冷凝器中用飽和蒸汽將某冷流體加熱，或在蒸發(fā)器中利用熱流體的顯熱使某液體沸騰，并流與逆流的對數(shù)平均溫差相等。2022/10/11并流時T2恒大于t2，但逆流時T2有可能低于t2，逆流時熱流（3）.傳熱過程流體流向與平均溫度差的關(guān)系：例題：書上65頁t逆流 t錯或折流 t并 逆流的優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)橥苿恿Υ?，所以要達(dá)到相同的傳熱速率，在總傳熱系數(shù)相同時，所需的傳熱面積就比并流??；或如果換熱面積相同，要達(dá)