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(guò)程的途徑。強(qiáng)化傳熱過(guò)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(shí)理論知識(shí)復(fù)復(fù) 習(xí)習(xí)傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱（heat conductionheat conduction） :對(duì)流傳熱對(duì)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(guò)程，器壁向冷流體傳熱的過(guò)

3、程，該過(guò)程稱為該過(guò)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(duì)流對(duì)流傳導(dǎo)傳導(dǎo)對(duì)流對(duì)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(guò)程的操作條件及換取決于流體的物性、傳熱過(guò)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(guò)公式計(jì)算通過(guò)公式計(jì)算K 查取相關(guān)手冊(cè)選用經(jīng)驗(yàn)值查取相關(guān)手冊(cè)選用經(jīng)驗(yàn)值(基于管外表面積基于管外表面積) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jiàn)：主要熱阻在搪瓷襯里和有機(jī)物這一側(cè)?？梢?jiàn)：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(wú)縫鋼管無(wú)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(guò)每米管長(zhǎng)的傳熱速率。若將求通過(guò)每米管長(zhǎng)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(jiàn)：提高原來(lái)可見(jiàn)：提高原來(lái)h已經(jīng)很大的這側(cè)流體的傳熱膜系數(shù)，對(duì)已經(jīng)很大的這側(cè)流體的傳熱膜系數(shù)，對(duì)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(duì)傳熱速率的提高則是有意義的。對(duì)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(cuò)流錯(cuò)流簡(jiǎn)單折流簡(jiǎn)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(duì)數(shù)平均溫差對(duì)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(wú)相變無(wú)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(guò)程尚有若保溫后甲苯氣化過(guò)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(duì)流傳熱系數(shù)分別是的對(duì)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(dòng)。兩流體呈逆流流動(dòng)(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(shuō)明該換熱器是否合用計(jì)算說(shuō)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(wèn)此時(shí)換熱器是否合用冷卻程度不變，問(wèn)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(kāi)計(jì)算）冷凝區(qū)和冷卻區(qū)分開(kāi)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(wú)相變無(wú)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(guò)程中，為了使計(jì)算簡(jiǎn)利用總傳熱速率方程進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，為了使計(jì)算簡(jiǎn)便，通常便，通常假設(shè)：假設(shè)：(1) 傳熱為定態(tài)操作過(guò)程；傳熱為定態(tài)操作過(guò)程；(2) 兩流體的比熱為常量?jī)闪黧w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(zhǎng)而變化；長(zhǎng)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