第三章 傳熱過程第三講

第三章傳熱過程第三講2023/3/291第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日②流體在傳熱中僅有溫度變化不發(fā)生相變的場(chǎng)合QL=W·cp(t2-t1)式中cp——流體的比定壓熱容，kJ·kg-1·K-1；t1，t2——流體傳熱前后的溫度，K；若換熱器中兩種流體無相變化，且流體的定壓比熱不隨溫度變化或可取平均溫度下的定壓比熱時(shí)：（2）熱量衡算2023/3/292第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日式中QL—換熱器的熱負(fù)荷，kJ·s-1；—分別指熱、冷流體的比定壓熱容，kJ·kg-1·K-1；

—分別指熱流體的進(jìn)、出口溫度和冷流體的進(jìn)、出口溫度，K。若換熱器中的熱流體有相變，如飽和水蒸氣冷凝同溫度冷凝液時(shí)：2023/3/293第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日2．傳熱總方程如圖，傳熱過程是熱流體給熱→間壁導(dǎo)熱→冷流體給熱的串聯(lián)過程。

換熱器內(nèi)進(jìn)行的大都是定態(tài)傳熱過程：或2023/3/294第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日

間壁式換熱器的傳熱總方程，適用于傳熱面為等溫面的間壁式熱交換過程。說明定態(tài)傳熱總過程的推動(dòng)力和阻力亦具加和性3.傳熱系數(shù)K2023/3/295第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日當(dāng)換熱器的間壁為單層平面壁時(shí)，因A1=A2=A，則傳熱系數(shù)為：若換熱器的傳熱面為單層圓筒壁面時(shí)，若A1≠A2≠A，即傳熱系數(shù)與傳熱面積對(duì)應(yīng)時(shí)：2023/3/296第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日K是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。其大小主要取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等?；ぶ谐Ｒ妭鳠徇^程的K值范圍2023/3/297第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日例題：某有機(jī)物生產(chǎn)中使用的攪拌式全混流反應(yīng)釜，內(nèi)徑為1.0m，釜壁銅板厚8mm（λ=50W·m-1·K-1）若釜內(nèi)壁面結(jié)有垢層厚2mm（Rh1=0.002W-1·m2·K）夾套中用115℃的飽和水蒸氣進(jìn)行加熱（a1＝9000W·m-2·K-1），釜內(nèi)有機(jī)物溫度為80℃（a2＝250W·m-2·K-1）。試求該條件下的面積熱流量和各熱阻的百分率。解：因反應(yīng)釜內(nèi)徑1.0m與外徑1.16m相差不大，可近似地當(dāng)作平面壁來處理.取傳熱面積為時(shí)：求得W-1·m2·KW-1·m2·KW-1·m2·KW-1·m2·K2023/3/298第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日得K=159W·m-2·K-1

傳熱總阻力為：

W-1·K反應(yīng)釜的面積熱流為kW·m-2

計(jì)算結(jié)果表明，主要熱阻在垢層和有機(jī)物這一側(cè)，其中垢層熱阻占總熱阻的31.9%，有機(jī)物熱阻占63.8%；而蒸汽冷凝及金屬釜壁的熱阻只占總熱阻的1.75%和2.55%。

2023/3/299第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日4．傳熱過程的平均溫度差冷、熱流體溫度差沿?fù)Q熱器壁面的分布情況，決定了整個(gè)換熱過程的溫度差。

（1）定態(tài)恒溫傳熱

定態(tài)恒溫傳熱是指換熱器間壁兩側(cè)冷、熱兩流體溫度在壁面的任何位置、任何時(shí)間都不變化，即兩流體的溫度差沿?fù)Q熱面處處相等，恒定不變。（2）定態(tài)變溫傳熱（換熱器常見情況）

定態(tài)變溫傳熱時(shí)，換熱器間壁一側(cè)流體或兩側(cè)流體的溫度沿傳熱面的不同位置發(fā)生變化，兩流體間的溫度差Δt沿?fù)Q熱器壁面位置也變化，且與兩流體相對(duì)流向有關(guān)。2023/3/2910第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日?qǐng)D分別為逆流和并流傳熱時(shí)Δt隨換熱器壁面位置的變化圖工業(yè)上冷、熱流體在換熱器內(nèi)的相對(duì)流向主要有逆流和并流。2023/3/2911第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日熱T1T2t1t2冷逆流T1T2t2t1熱冷并流當(dāng)用算術(shù)平均值2023/3/2912第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日

例題：硫酸生產(chǎn)中SO2的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，用轉(zhuǎn)化氣在外部列管換熱器中預(yù)熱SO2氣體。若轉(zhuǎn)化氣溫度由440℃降至320℃，SO2氣體由220℃被加熱至280℃，試求并流傳熱和逆流傳熱的平均溫度差，并作比較，選定推動(dòng)力較大的傳熱流向（設(shè)兩氣體進(jìn)出口溫度在并、逆流時(shí)相同）

T1=440℃T2=320℃t1=220℃t2=280℃Δt1Δt2T1=440℃T2=320℃t2=280℃t1=220℃Δt1Δt2解:Δt1=T1-t1=220℃Δt2=T2-t2=40℃Δt1/Δt2=5.5>2并流傳熱時(shí)2023/3/2913第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日對(duì)數(shù)平均值算術(shù)平均值只能采用對(duì)數(shù)平均值逆流傳熱誤差為Δt1=T1-t2=160℃Δt2=T2-t1=100℃Δt1/Δt2=1.6<2對(duì)數(shù)平均值算術(shù)平均值誤差為采用對(duì)數(shù)平均值和算術(shù)平均值均可2023/3/2914第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日在相同情況下，逆流傳熱的平均溫度差大于并流傳熱的平均溫度差，這意味著采用逆流傳熱要比并流傳熱相應(yīng)減少傳熱面積或載熱體使用量。

計(jì)算結(jié)果表明:2023/3/2915第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日§3-5換熱器的選擇及傳熱過程的強(qiáng)化1．換熱器的選擇①冷、熱流體的流量、進(jìn)出口溫度、操作壓力等；②冷、熱流體的物性參數(shù)；③冷、熱流體的工藝特點(diǎn)、腐蝕性、懸浮物含量等。換熱器的選擇，是在換熱器系列化標(biāo)準(zhǔn)中確定合適的換熱器類型和規(guī)格的過程。換熱器的選擇首先要考慮以下事項(xiàng)。（1）了解換熱任務(wù)，掌握基本數(shù)據(jù)及特點(diǎn)。2023/3/2916第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日（2）確定選用換熱器的型式，決定流體的流動(dòng)空間。如選定列管換熱器，對(duì)換熱流體流動(dòng)空間可按下列原則確定。①不潔流體或易結(jié)垢、沉淀、結(jié)晶的流體走管程；②需提高流速以增大對(duì)流傳熱系數(shù)的流體走管程；③腐蝕性流體走管程，以免腐蝕殼體和管束；④壓力高的流體走管程，管子耐壓性好；⑤飽和蒸氣宜走管程，便于排出冷凝液；⑥粘度大或流量較小的流體宜走殼程，可在低Re（Re＞100）達(dá)到湍流；⑦需冷卻的流體一般選殼程，便于散熱。2023/3/2917第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日①流體定性溫度，查取或計(jì)算定性溫度下有關(guān)物性數(shù)據(jù)；②由傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷；③作出適當(dāng)選擇，并計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差；④選取總傳熱系數(shù)、估計(jì)換熱面積，由此可試選適當(dāng)型號(hào)的換熱器；⑤核算總傳熱系數(shù)；⑥估算傳熱面積。在換熱器型式和規(guī)格確定中，計(jì)算的主要內(nèi)容有：2023/3/2918第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日2．傳熱過程的強(qiáng)化傳熱過程的強(qiáng)化目的是充分利用熱能，提高換熱器單位面積的傳熱速率；力圖以較小的傳熱面積或較小體積的換熱器完成一定的傳熱任務(wù)。強(qiáng)化傳熱過程的主要途徑有三條。（1）增大傳熱面積A增大間壁式換熱器傳熱面積A，可提高過程的傳熱速率。但增大A，設(shè)備投資費(fèi)用增大。改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)，采用螺紋管、波紋管代替光滑管，或采用新型換熱器如翅片管式換熱器，可以實(shí)現(xiàn)單位體積的傳熱面積增大的效果。2023/3/2919第十九頁，共二十二頁，2022年，8月28日當(dāng)工藝規(guī)定冷、熱流體溫度時(shí)，采用逆流換熱可獲得較大的Δtm，亦可改用嚴(yán)格逆流的套管換熱器或螺旋板換熱器實(shí)現(xiàn)Δtm的增大。提高a和λ、降低δ都能使K值增大。提高K值的具體辦法，可以從以下幾個(gè)方面考慮。

（2）增大平均溫度差Δtm增大傳熱系數(shù)K是強(qiáng)化傳熱過程最有效的途徑。（3）增大傳熱系數(shù)K2023/3/2920第二十頁，共二十二頁，2022年，8月28日③提高λ、降低δ。a．盡量選擇λ較大的載熱體；b．換熱器金屬壁面一般較λ值大，熱阻??；但污垢層熱阻很大，應(yīng)防止或減緩垢層形成并及時(shí)清除之。①增加湍流程度、減小對(duì)流傳熱的熱阻、提高h(yuǎn)值。a．提高流體流速、增加湍流程度、減小滯流底層厚度，可有效地提高無相變流體的a值。b．改變流動(dòng)