化學(xué)工程傳熱學(xué)課件總復(fù)習(xí)

1、復(fù)習(xí)復(fù)習(xí) 了解列管換熱器的選擇設(shè)計(jì)步驟了解列管換熱器的選擇設(shè)計(jì)步驟 （1）選擇加熱劑）選擇加熱劑 和冷卻劑和冷卻劑 （2）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，確定基本數(shù)據(jù)（包括兩流體的流量、進(jìn)出）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，確定基本數(shù)據(jù)（包括兩流體的流量、進(jìn)出 口溫度、定性溫度下的有關(guān)物性、操作壓力等口溫度、定性溫度下的有關(guān)物性、操作壓力等 （3）確定流體在換熱器內(nèi)的流動(dòng)通道。）確定流體在換熱器內(nèi)的流動(dòng)通道。 （4）確定并計(jì)算熱負(fù)荷。）確定并計(jì)算熱負(fù)荷。 （5） 平均溫度差的計(jì)算。平均溫度差的計(jì)算。 （6） 根據(jù)兩流體的溫度差和設(shè)計(jì)要求，確定換熱器的形式。根據(jù)兩流體的溫度差和設(shè)計(jì)要求，確定換熱器的形式。 （7）選取總傳熱系數(shù)，并

2、根據(jù)傳熱基本方程初步算出傳熱面積，）選取總傳熱系數(shù)，并根據(jù)傳熱基本方程初步算出傳熱面積， 以此作為選擇換熱器型號(hào)的依據(jù)，并確定初選換熱器的實(shí)際換熱以此作為選擇換熱器型號(hào)的依據(jù)，并確定初選換熱器的實(shí)際換熱 面積面積A實(shí) 實(shí)，以及在 ，以及在A實(shí) 實(shí)下所需的傳熱系數(shù) 下所需的傳熱系數(shù)K需 需。 。 一一. . 化工生產(chǎn)中常用的加熱劑及冷卻劑化工生產(chǎn)中常用的加熱劑及冷卻劑 載熱體：為將冷流體加熱或熱流體冷卻，必須用另一種流體供載熱體：為將冷流體加熱或熱流體冷卻，必須用另一種流體供 給或取走熱量，此流體稱(chēng)為載熱體。給或取走熱量，此流體稱(chēng)為載熱體。 冷卻劑：起冷卻作用的載熱體稱(chēng)為冷卻劑。冷卻劑：起冷卻作

3、用的載熱體稱(chēng)為冷卻劑。 加熱劑：起加熱作用的載熱體稱(chēng)為加熱劑加熱劑：起加熱作用的載熱體稱(chēng)為加熱劑 二、確定流體在換熱器內(nèi)的流動(dòng)通道二、確定流體在換熱器內(nèi)的流動(dòng)通道 P139頁(yè)頁(yè) 三三. 熱負(fù)荷的確定熱負(fù)荷的確定 1.1.無(wú)相變時(shí)熱負(fù)荷的確定無(wú)相變時(shí)熱負(fù)荷的確定 Q=ms1cp1(T1-T2)=ms2cp2(t2-t1) 2.2.有相變時(shí)熱負(fù)荷的確定有相變時(shí)熱負(fù)荷的確定 例如飽和蒸汽冷凝，而冷流體無(wú)相變化，則例如飽和蒸汽冷凝，而冷流體無(wú)相變化，則 Q=ms1r+cp1(Ts-T2)= ms2 cp2(t2-t1) 3.會(huì)求加熱劑的用量或冷卻劑的用量會(huì)求加熱劑的用量或冷卻劑的用量 四四. 平均傳熱

4、溫差的計(jì)算平均傳熱溫差的計(jì)算 小 大 小大 t t tt tm ln t大 大/t小小2時(shí)，工程計(jì)算中，可取 時(shí)，工程計(jì)算中，可取 2 小大 tt tm 兩側(cè)變溫錯(cuò)流和折流時(shí)兩側(cè)變溫錯(cuò)流和折流時(shí)tm 先按逆流計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差先按逆流計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差tm逆 逆，再乘以一個(gè)校正系數(shù)， ，再乘以一個(gè)校正系數(shù)， 即即 tmtm逆 逆 式中式中 溫度差校正系數(shù)，其大小與流體的溫度變化溫度差校正系數(shù)，其大小與流體的溫度變化 有關(guān)，有關(guān)，一般不宜小于一般不宜小于 0.80.8。 可表示為兩參數(shù)可表示為兩參數(shù)P和和R的函數(shù)：的函數(shù)： f（P，R），根據(jù)），根據(jù)P和和 R兩參數(shù)由圖查取兩參數(shù)由圖查取 兩流體

5、的最初溫度差 冷流體的溫升 11 1 2 tT tt P 冷流體的溫升 熱流體的溫降 12 21 tt TT R 折流過(guò)程的折流過(guò)程的 算圖算圖 錯(cuò)流過(guò)程的錯(cuò)流過(guò)程的 算圖算圖 五五.列管換熱器換熱形式的確定列管換熱器換熱形式的確定 列管換熱器各類(lèi)型結(jié)構(gòu)及其優(yōu)、缺點(diǎn)列管換熱器各類(lèi)型結(jié)構(gòu)及其優(yōu)、缺點(diǎn) 六六.選定經(jīng)驗(yàn)選定經(jīng)驗(yàn)K值，初步估算其面積值，初步估算其面積 m tK Q A估 估 【例例2-3】 505mm的不銹鋼管，熱導(dǎo)率的不銹鋼管，熱導(dǎo)率1為為16W/(m.K)，外包一層石棉，外包一層石棉 ， 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率2為為0.2W/(m.K)，若，若內(nèi)壁溫度為內(nèi)壁溫度為350，保溫層外壁溫度為，保

6、溫層外壁溫度為100，每，每 米管長(zhǎng)的熱損失不超過(guò)米管長(zhǎng)的熱損失不超過(guò)397W/m，試求保溫層的厚度。，試求保溫層的厚度。 m r m rrrr tt LQ W/397 2.02 )25/ln( 162 )20/25ln( 100350 W/397 2 )/ln( 2 )/ln( / 3 2 23 1 12 31 解：由題給條件知：解：由題給條件知：r1=20mm, r2=25mm, 1= 16W/(m.K), 2= 0.2W/(m.K),t1=350,t3=100 ，Q/L= 397W/m。 載熱體輸送管道的保溫載熱體輸送管道的保溫 )25/ln( 3 r =2.199 r=2.199 r3

7、 3=55mm =55mm 保溫層的厚度為：保溫層的厚度為：r3-r2=30mm 課后習(xí)題課后習(xí)題 33 3 3 A b t x / m t2 t1 t/ t2 t3 t4 多層平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度分布 1. 解：由題給條件知：解：由題給條件知：b1=0.23m, b3=0.23m, 1= 1.05W/(m.), 2= 0.144W/(m.), 3= 0.94W/(m.),t1=1300,t4=50 3 3 2 2 1 1 41 bbb tt A Q 2 2 43 2 2 32 1 1 21 b tt b tt b tt A Q r1 r2 r3 r4 t1 t2 t3 t4 1 2 3 課后習(xí)題

8、課后習(xí)題 2.解：由題給條件知：解：由題給條件知：r1=27mm, r2=30mm, r3=30+30=60mm, r4=30+30+30=90mm, 1= 16W/(m. ), 2= 0.04W/(m. ), 3= 0.16W/(m. ),t1=-100,t4=20 3 34 2 23 1 12 41 2 )/ln( 2 )/ln( 2 )/ln( rrrrrr tt L Q 課后習(xí)題課后習(xí)題 6.解解: 熱負(fù)荷熱負(fù)荷:Q= Q冷 冷= ms2cp2(t2-t1) = 11003.81000(60-20)=1393.33kW 求對(duì)數(shù)平均溫度差：求對(duì)數(shù)平均溫度差：逆流時(shí) 逆流時(shí) 熱流體溫度熱流

9、體溫度 127 127 冷流體溫度冷流體溫度 20 60 t1=107 t2=67 因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?t1/t22，所以：，所以： tm逆 逆= 87 2 11 tt 求總傳熱系數(shù)求總傳熱系數(shù)K： )./1034 1 d ddd 1 2 m ooo （mW R b d R d K o So i Si ii o 工藝條件要求的換熱器的傳熱面積為：工藝條件要求的換熱器的傳熱面積為： 2 1 5.15m tK Q A m 換熱器實(shí)際的換熱面積為：換熱器實(shí)際的換熱面積為： 2 02 17 mLdnA 7.解解: 熱負(fù)荷熱負(fù)荷:Q= Q冷 冷= ms2cp2(t2-t1)=（ （2.5104/3600）41

10、000（80-20）=1666.7kw 逆流時(shí)逆流時(shí) 熱流體溫度熱流體溫度 110 110 對(duì)數(shù)平均溫度差：對(duì)數(shù)平均溫度差： 冷流體溫度冷流體溫度 20 80 t1=90 t2=30 6.54 30 90 ln 3090 ln 2 1 21 t t tt t m ） 2 /(2035 6 .5415 10007 .1666 mW tA Q K m 若換熱器使用一年后，由于污垢熱阻增加，將會(huì)使換熱器若換熱器使用一年后，由于污垢熱阻增加，將會(huì)使換熱器 的總傳熱系數(shù)下降（的總傳熱系數(shù)下降（K），傳熱速率下降（），傳熱速率下降（Q） ，冷流體出口，冷流體出口 溫度升高溫度升高(t2 )。 Q= ms2

11、cp2(t2 -t1)=（2.5104/3600）41000（72-20）=1444.4kw 3.60 38 90 ln 3890 ln 2 1 21 t t tt t m ）./(1597 3.6015 1444400 2 mW tA Q K m 若要保證冷流體出口溫度仍為若要保證冷流體出口溫度仍為80 ,即熱負(fù)荷仍為即熱負(fù)荷仍為Q ，總傳，總傳 熱系數(shù)為熱系數(shù)為K ，傳熱速率下降（，傳熱速率下降（Q） ，求，求 tm” ”。 。 6.69 159715 1666700 AK Q t m 設(shè)加熱蒸汽溫度為設(shè)加熱蒸汽溫度為X 6.69 )80( )20( ln )80()20( X X XX

12、t m 解得：解得：X=123.9 有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰 有相變對(duì)流傳熱的特點(diǎn)有相變對(duì)流傳熱的特點(diǎn) 相變過(guò)程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；相變過(guò)程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）； 6. 有相變化的對(duì)流傳熱有相變化的對(duì)流傳熱 無(wú)相變相變 一般： 相變過(guò)程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜；相變過(guò)程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜； (1)(1)蒸汽冷凝蒸汽冷凝 飽和蒸汽飽和蒸汽ts和冷壁面和冷壁面tw接觸（接觸（tstw） 蒸汽放出潛熱蒸汽放出潛熱在壁面凝成液體在壁面凝成液體膜狀液體和滴狀液體膜狀液體和滴狀液體 a、膜狀冷凝（可潤(rùn)濕）、膜狀冷凝（可潤(rùn)濕） 壁面形成液膜，蒸

13、汽只能在液膜表面冷凝，與直接接壁面形成液膜，蒸汽只能在液膜表面冷凝，與直接接 觸壁相比，附加了液膜的熱阻。觸壁相比，附加了液膜的熱阻。越厚，傳熱效果越差。越厚，傳熱效果越差。 b b、滴狀冷凝（不潤(rùn)濕）、滴狀冷凝（不潤(rùn)濕） 壁面大部分的面積直接暴露于蒸汽中。因沒(méi)液膜阻礙，傳熱壁面大部分的面積直接暴露于蒸汽中。因沒(méi)液膜阻礙，傳熱 系數(shù)很大。系數(shù)很大。 膜狀冷凝膜狀冷凝 滴狀冷凝滴狀冷凝 蒸汽在水平管外蒸汽在水平管外膜狀冷凝的膜狀冷凝的 4/1 0 3/2 32 725. 0 tdn gr n n水平管束在垂直列上的管數(shù)；水平管束在垂直列上的管數(shù)； 特性尺寸：管外徑特性尺寸：管外徑d do o；

14、定性溫度：定性溫度：取取t tS S 下的值，其余為膜平均溫度。 下的值，其余為膜平均溫度。 c. 影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素 冷凝液膜兩側(cè)的溫度差：冷凝液膜兩側(cè)的溫度差： 流體物性的影響：流體物性的影響： 不凝性氣體的影響：形成氣膜，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大幅度下降。不凝性氣體的影響：形成氣膜，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大幅度下降。 蒸氣過(guò)熱的影響：過(guò)熱蒸汽，若壁溫高于飽和溫度，傳熱蒸氣過(guò)熱的影響：過(guò)熱蒸汽，若壁溫高于飽和溫度，傳熱 過(guò)程與無(wú)相變對(duì)流傳熱相同；若壁溫低于飽和溫度，按飽過(guò)程與無(wú)相變對(duì)流傳熱相同；若壁溫低于飽和溫度，按飽 和蒸汽冷凝處理。和蒸汽冷凝處理。 蒸氣流速的影響：流速不大時(shí)，影響可忽略

15、；蒸氣流速的影響：流速不大時(shí)，影響可忽略； 流速較大時(shí)，且與液膜同向，流速較大時(shí)，且與液膜同向，增大；增大； 流速較大時(shí)，且與液膜反向，流速較大時(shí)，且與液膜反向， 減小。減小。 tttt ws 均影響、r （2）液體的沸騰傳熱）液體的沸騰傳熱 對(duì)液體加熱時(shí)，液體內(nèi)部伴有由液相變?yōu)闅庀啵磳?duì)液體加熱時(shí)，液體內(nèi)部伴有由液相變?yōu)闅庀?，?在液相內(nèi)部產(chǎn)生氣泡的過(guò)程，稱(chēng)為在液相內(nèi)部產(chǎn)生氣泡的過(guò)程，稱(chēng)為液體沸騰液體沸騰（又稱(chēng)沸騰（又稱(chēng)沸騰 傳熱）。工業(yè)上液體沸騰的方法有兩種：一種是將加熱傳熱）。工業(yè)上液體沸騰的方法有兩種：一種是將加熱 壁面浸沒(méi)在無(wú)強(qiáng)制對(duì)流的液體中，液體受熱沸騰，稱(chēng)為壁面浸沒(méi)在無(wú)強(qiáng)制對(duì)流的

16、液體中，液體受熱沸騰，稱(chēng)為 池內(nèi)沸騰池內(nèi)沸騰；另一種是液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰，稱(chēng)為；另一種是液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰，稱(chēng)為 管內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰。 沸騰過(guò)程沸騰過(guò)程： 液體傳遞：加熱面時(shí)：無(wú)氣泡產(chǎn)生，熱量 自然對(duì)流 s tt 力進(jìn)入液體。心上產(chǎn)生，長(zhǎng)大后憑浮時(shí)：氣泡首先在汽化核 s tt 過(guò)熱度過(guò)熱度，汽化核心數(shù)，汽化核心數(shù)，氣泡產(chǎn)生和長(zhǎng)大的速度，氣泡產(chǎn)生和長(zhǎng)大的速度， 使沸騰加劇，使沸騰加劇，沸騰傳熱膜系數(shù)沸騰傳熱膜系數(shù)。 自然對(duì)流沸騰 說(shuō)明：由于氣泡產(chǎn)生，使液體擾動(dòng)說(shuō)明：由于氣泡產(chǎn)生，使液體擾動(dòng) 因此：因此： 0.11.010102103 h A B C DE F 自然對(duì)流自然對(duì)流核狀沸騰核

17、狀沸騰膜狀沸騰膜狀沸騰 穩(wěn)穩(wěn) 定定 區(qū)區(qū) 不穩(wěn)不穩(wěn) 定膜定膜 狀狀 沸騰溫度差和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)系沸騰溫度差和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)系 t = (tw-ts)/ 大容積飽和沸騰曲線(xiàn)大容積飽和沸騰曲線(xiàn) 影響沸騰傳熱的因素影響沸騰傳熱的因素 ,物性： , ,P壓力： 次方成正比。度差的在核狀沸騰區(qū)，與溫溫度差32: 加熱壁面的影響：加熱壁面的影響：粗糙壁面粗糙壁面, ，光滑的壁面，光滑的壁面, ； 被油脂污染的壁面被油脂污染的壁面, ，清潔表面，清潔表面, ； 水平管束沸水平管束沸 騰傳熱，上排管騰傳熱，上排管 。 二二. 傳熱過(guò)程強(qiáng)化的途徑傳熱過(guò)程強(qiáng)化的途徑 增大傳熱系數(shù)，可以提高換熱器的傳熱速率。增大傳

18、熱系增大傳熱系數(shù)，可以提高換熱器的傳熱速率。增大傳熱系 數(shù)，實(shí)際上就是降低換熱器的總熱阻。間壁兩側(cè)流體間傳熱數(shù)，實(shí)際上就是降低換熱器的總熱阻。間壁兩側(cè)流體間傳熱 總熱阻等于兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱總熱阻等于兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱 熱阻之和。由此可見(jiàn)，要降低總熱阻，必須減小各項(xiàng)分熱阻。熱阻之和。由此可見(jiàn)，要降低總熱阻，必須減小各項(xiàng)分熱阻。 但不同情況下，各項(xiàng)分熱阻所占比例不同，故應(yīng)具體問(wèn)題具但不同情況下，各項(xiàng)分熱阻所占比例不同，故應(yīng)具體問(wèn)題具 體分析，設(shè)法減小占比例較大的分熱阻。體分析，設(shè)法減小占比例較大的分熱阻。 3 3增大傳熱系數(shù)增大傳熱系數(shù) 一般來(lái)說(shuō)，

19、在金屬換熱器中壁面較薄且導(dǎo)熱系數(shù)高，不會(huì)成一般來(lái)說(shuō)，在金屬換熱器中壁面較薄且導(dǎo)熱系數(shù)高，不會(huì)成 為主要熱阻。為主要熱阻。 污垢熱阻是一個(gè)可變因素，在換熱器剛投入使用時(shí)，污垢熱阻污垢熱阻是一個(gè)可變因素，在換熱器剛投入使用時(shí)，污垢熱阻 很小，可不予考慮，但隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng)污垢逐漸增加，便可成很小，可不予考慮，但隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng)污垢逐漸增加，便可成 為阻礙傳熱的主要因素。為阻礙傳熱的主要因素。 減小污垢熱阻的具體措施有：提高流體的流速和擾動(dòng)，以減減小污垢熱阻的具體措施有：提高流體的流速和擾動(dòng)，以減 弱垢層的沉積；加強(qiáng)水質(zhì)處理，盡量采用軟化水；加入阻垢劑，弱垢層的沉積；加強(qiáng)水質(zhì)處理，盡量采用軟化水；加入阻垢劑， 防止和減緩垢層形成；采用機(jī)械或化學(xué)的方法及時(shí)清除污垢。防止和減緩垢層形成；采用機(jī)械或化學(xué)的方法及時(shí)清除污垢。 當(dāng)壁面熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí)當(dāng)壁面熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí) oi K 111 要提高要提高K值必須提高流體的值必須提高流體的值。當(dāng)兩值。當(dāng)兩相差很大時(shí)，例如相差很大時(shí)，例如 用水蒸氣冷凝放熱以加熱空氣，則用水蒸氣冷凝放熱以加熱空氣，則1/K1/小 小，此時(shí)欲提高 ，此時(shí)欲提高K值，值， 關(guān)鍵在于提高關(guān)鍵在于提高小的那一側(cè)流體的小的那一側(cè)流體的。若。若i與與0較為接近，此