傳熱過(guò)程計(jì)算課件

1、 傳熱過(guò)程計(jì)算第1頁(yè)，共52頁(yè)。一、 間壁傳熱過(guò)程：熱量: 熱流體冷流體thtcth,wtc,wQQ2.5 總傳熱速率方程第2頁(yè)，共52頁(yè)。各部分傳熱速率方程：管內(nèi)側(cè)流體管壁導(dǎo)熱管外側(cè)流體對(duì)穩(wěn)態(tài)傳熱第3頁(yè)，共52頁(yè)。熱流體冷流體thtcth,wtc,wQQ第4頁(yè)，共52頁(yè)。 式中，K 總傳熱系數(shù)，W/m2K。 注意： K 與 S 對(duì)應(yīng)，選Si、Sm 或 S0 第5頁(yè)，共52頁(yè)。式中Q傳熱速率，W； q熱通量，W/m2； K比例系數(shù)，稱為傳熱系數(shù)，W/(m2K)； S傳熱面積，m2； tm換熱器的傳熱推動(dòng)力，或稱傳熱平均溫度差，K； R=1/(KS)換熱器的總熱阻，K/W； R=1/K換熱器的總

2、熱阻， m2K/W。 第6頁(yè)，共52頁(yè)。傳熱系數(shù)KK 傳熱系數(shù)，表示換熱設(shè)備性能的重要參數(shù)K的物理意義:當(dāng)冷熱兩流體之間的溫度差為1時(shí),在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積的傳熱量.K的來(lái)源： 實(shí)驗(yàn)測(cè)定； 取生產(chǎn)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)； 計(jì)算求得。第7頁(yè)，共52頁(yè)?；み^(guò)程的傳熱問(wèn)題可分為兩類：一類是設(shè)計(jì)型問(wèn)題，即根據(jù)生產(chǎn)要求，選定（或設(shè)計(jì)）換熱器；另一類是操作型問(wèn)題，即計(jì)算給定換熱器的傳熱量、流體的流量或溫度等。兩者均以傳熱基本方程為基礎(chǔ)。下面以設(shè)計(jì)型問(wèn)題為例分析解決傳熱問(wèn)題要涉及到的有關(guān)內(nèi)容。 第8頁(yè)，共52頁(yè)。對(duì)于一定的傳熱任務(wù)，確定換熱器所需傳熱面積是選擇（或設(shè)計(jì)）換熱器的主要任務(wù)。由傳熱方程式可知，

3、要計(jì)算傳熱面積，必須先求得傳熱速率 Q、傳熱平均溫度差tm以及傳熱系數(shù)K，這些項(xiàng)目的求取涉及到熱量衡算、傳熱推動(dòng)力、各種傳熱方式的規(guī)律等有關(guān)理論和計(jì)算。 第9頁(yè)，共52頁(yè)。二、熱負(fù)荷的計(jì)算(一)熱負(fù)荷與傳熱速率1.熱負(fù)荷：換熱器單位時(shí)間內(nèi)冷熱流體所交換的熱量。 傳熱速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量。2.熱負(fù)荷與傳熱速率的區(qū)別：熱負(fù)荷是生產(chǎn)上要求換熱器單位時(shí)間傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)任務(wù)。傳熱速率是換熱器單位時(shí)間能夠傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)能力，主要由換熱器自身的性能決定。為保證換熱器完成傳熱任務(wù)，應(yīng)使換熱器的傳熱速率大于至少等于其熱負(fù)荷。 第10頁(yè)，共52頁(yè)。 (二)熱量衡算與熱負(fù)荷的

4、確定1、熱量衡算以單位時(shí)間為基準(zhǔn) Qh=Qc+QL Qh 熱流體放出的熱量，kJ/s或kW Qc 冷流體吸收的熱量，kJ/s或kW QL 熱熱損失，kJ/s或kW2、熱負(fù)荷的確定若忽略熱損失，熱負(fù)荷取Qh或Qc若有熱損失，哪種流體走管程，就應(yīng)取哪種流體的傳熱量作為換熱器的熱負(fù)荷。第11頁(yè)，共52頁(yè)。 3.熱負(fù)荷的計(jì)算方法（1）焓差法 Qh=qm,h(H1-H2) Qc=qm,c(h2-h1)若無(wú)熱損失， Qh= Qc0的液體的焓為零J/kg蒸汽的焓取0的液體的焓為零J/kg作計(jì)算基準(zhǔn)。此法使用時(shí)受到限制，有些液體的焓很難查到。第12頁(yè)，共52頁(yè)。（2）顯熱法（無(wú)相變時(shí)）Qh=qm,hCp,h(

5、T1-T2)Qc=qmcCp,c(t2-t1)若無(wú)熱損失， Qh= QcCp,h、 Cp,c：冷熱流體進(jìn)出口溫度范圍內(nèi)的平均比熱，亦是進(jìn)出口平均溫度下的比熱。第13頁(yè)，共52頁(yè)。 （3）潛熱法（有相變）Qh=qm,hh Qc=qm,cc若無(wú)熱損失， Qh= Qc注意：a.通過(guò)上式可計(jì)算載熱體或冷流體的熱量。 b.若有熱損失Q= Qc= Qh+ QL 熱損失在熱流體一側(cè)Q= Qh= Qc+ QL 熱損失在冷流體一側(cè)第14頁(yè)，共52頁(yè)。三、傳熱溫度差的計(jì)算當(dāng)用傳熱基本方程式計(jì)算整個(gè)換熱器的傳熱速率時(shí)，必須使用整個(gè)傳熱面積上的平均溫差。傳熱平均溫度差的大小及計(jì)算方法與換熱器中兩流體的相互流動(dòng)方向及溫

6、度變化情況有關(guān)。換熱過(guò)程中，熱流溫度沿程降低，冷流溫度沿程升高，故冷熱流體溫度差在換熱器表面各點(diǎn)不同。第15頁(yè)，共52頁(yè)。換熱器中兩流體間有不同的流動(dòng)型式 。若兩流體的流動(dòng)方向相同，稱為并流；若兩流體的流動(dòng)方向相反，稱為逆流；若兩流體的流動(dòng)方向垂直交叉，稱為錯(cuò)流；若一流體沿一方向流動(dòng)，另一流體反復(fù)折流，稱為簡(jiǎn)單折流；若兩流體均作折流，或既有折流，又有錯(cuò)流，稱為復(fù)雜折流。 第16頁(yè)，共52頁(yè)。當(dāng)兩流體在換熱過(guò)程中均只發(fā)生相變時(shí)，熱流體溫度T和冷流體溫度t都始終保持不變，稱為恒溫傳熱。 換熱器的傳熱推動(dòng)力可取任一傳熱截面上的溫度差，即tm=Tt。大多數(shù)情況下，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體溫度沿?fù)Q熱器管長(zhǎng)而

7、變化，稱為變溫傳熱。變溫傳熱時(shí)，各傳熱截面的傳熱溫度差各不相同。由于兩流體的流向不同，對(duì)平均溫度差的影響也不相同，故需分別討論。 第17頁(yè)，共52頁(yè)。 (1) 恒溫傳熱 兩側(cè)流體溫度恒定：(2) 變溫傳熱 一側(cè)有溫度變化Tt第18頁(yè)，共52頁(yè)。 兩側(cè)流體均有溫度變化t1t2T1T2t1t2T1T2第19頁(yè)，共52頁(yè)。第20頁(yè)，共52頁(yè)。逆流并流說(shuō)明： 逆流：并流：進(jìn)、出口條件相同時(shí)，第21頁(yè)，共52頁(yè)。工業(yè)上，一般采用逆流操作（節(jié)省加熱面積）。思考：逆流操作的tm一定大于并流操作的tm?一側(cè)流體溫度有變化，另一側(cè)恒溫時(shí),11212 錯(cuò)流和折流第22頁(yè)，共52頁(yè)。 錯(cuò)流、折流時(shí)平均溫差 圖算法第

8、23頁(yè)，共52頁(yè)。c）當(dāng)t值小于0.8時(shí)，則傳熱效率低， 經(jīng)濟(jì)上不合理， 操作不穩(wěn)定。 a）校正系數(shù)t可根據(jù)R和P兩參數(shù)從相應(yīng)的圖中查得。 b）溫差校正系數(shù)t恒小于1。 原因: 換熱器內(nèi)出現(xiàn)溫度交叉或溫度逼近現(xiàn)象。 避免措施: 采用多個(gè)換熱器串聯(lián)或采用多殼程結(jié)構(gòu)， 換熱器個(gè)數(shù)或所需的殼程數(shù),可用圖解法確定。 說(shuō)明：th1tc2th2tc1ANs=2無(wú)相變換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算第24頁(yè)，共52頁(yè)。變溫傳熱時(shí)流體流向的選擇T1、T2、t1、t2 相同時(shí)，逆流平均溫差大于并流平均溫差。當(dāng)傳熱量一定時(shí)，逆流操作所需的傳熱面積小于并流操作。逆流時(shí)熱流體的出口溫度可低于冷流的出口溫度（高于冷流的入口溫度），并流時(shí)

9、熱流體的出口溫度必大于冷流的出口溫度。當(dāng)加熱任務(wù)一定時(shí)，采用逆流傳熱可最大限度地利用熱能，節(jié)約載熱體的用量。第25頁(yè)，共52頁(yè)。在換熱器中，若參與換熱的兩流體都變溫，則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。但需要注意，倘若采用逆流代替并流而節(jié)省了載熱體，則其平均溫差就未必仍比并流的大。第26頁(yè)，共52頁(yè)。 例 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，試求流傳熱和逆流傳熱的平均溫度差，并作比較，選定推

10、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=440T2=320t1=220t2=280t1t2T1=440T2=320t2=280t1=220t1t2解:t1=T1-t1=220t2=T2-t2=40t1 /t2 =5.52并流傳熱時(shí)第27頁(yè)，共52頁(yè)。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t1=T1-t2=160t2=T2-t1=100t1 /t2 =1.62對(duì)數(shù)平均值算術(shù)平均值第28頁(yè)，共52頁(yè)。誤差為采用對(duì)數(shù)平均值和算術(shù)平均值均可計(jì)算結(jié)果表明: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

11、熱體使用量。 第29頁(yè)，共52頁(yè)。四、傳熱系數(shù)的計(jì)算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(guò)程的操作條件及換熱器的類型等。 化工中常見(jiàn)傳熱過(guò)程的K值范第30頁(yè)，共52頁(yè)。K推導(dǎo):根據(jù)得意義：傳熱的總熱阻,等于間壁兩邊對(duì)流傳熱熱阻與間壁本身導(dǎo)熱熱阻之和。當(dāng)換熱器的間壁為單層平面壁時(shí)，因Si=So=S，則傳熱系數(shù)為： 第31頁(yè)，共52頁(yè)。若間壁為多層平面壁以及間壁兩側(cè)有污垢積存時(shí)，傳熱系數(shù)為：式中 Ri 、 Ro分別表示壁面兩側(cè)污垢熱阻系數(shù)，m2KW-1 若換熱器的傳熱面為單層圓筒壁面時(shí)，若SiSoS，即傳熱系數(shù)與傳熱面積對(duì)應(yīng)時(shí)：第32頁(yè)，共52頁(yè)。以管壁內(nèi)表面為基準(zhǔn)：

12、或則：第33頁(yè)，共52頁(yè)。以管壁外表面為基準(zhǔn)：或則第34頁(yè)，共52頁(yè)。實(shí)際計(jì)算熱阻應(yīng)包括壁兩側(cè)污垢熱阻：第35頁(yè)，共52頁(yè)。圓管中： 平壁：第36頁(yè)，共52頁(yè)。(2) 污垢熱阻 Rdi和 Rdo污垢熱阻影響：使，熱流量。 污垢熱阻取值： 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 注意：傳熱系數(shù)、污垢熱阻的單位。 (3) 壁溫計(jì)算 忽略污垢熱阻，穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)： 結(jié)論：壁溫接近表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的一側(cè)流體溫度。第37頁(yè)，共52頁(yè)。例題 某列管換熱器的管束由25mmX2.5mm的鋼管（=45 Wm-1K-1）組成，熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管外和空氣逆流流動(dòng)。已知管內(nèi)空氣側(cè)的 i為 50 Wm-2K-1，管外水側(cè)的 0為 1000 Wm

13、-2K-1，試求基于管外表面的傳熱系數(shù) Ko和基于內(nèi)表面的傳熱系數(shù)Ki，并比較KoAo和KiAi。 解：按圓管公式計(jì)算時(shí)代入已知數(shù)據(jù)計(jì)算 得第38頁(yè)，共52頁(yè)。 計(jì)算結(jié)果表明，選取不同的傳熱表面，計(jì)算所得K值不同。 若以內(nèi)表面為參考 得對(duì)一根管取單位長(zhǎng)度有：第39頁(yè)，共52頁(yè)。例 在上例中，如果管壁熱阻可忽略。為提高傳熱系數(shù)，在其它條件不變前提下，將1、2提高一倍的效果如何？解: （1）將1提高一倍增加54.1%第40頁(yè)，共52頁(yè)。（2）將2提高一倍增加1.56%表明，K值接近熱阻大一側(cè)的值，K受小的一側(cè)流體所控制。欲提高K值，應(yīng)從小的一側(cè)入手。 第41頁(yè)，共52頁(yè)。分析:（1）取基準(zhǔn)傳熱面不

14、同，K值不同。（2）當(dāng)i與0相差較大時(shí),以小的一側(cè)傳熱面為基準(zhǔn)（一般情況）。（3）當(dāng)i與0相差不大時(shí)，以Sm為基準(zhǔn)。（4）當(dāng)b很小，d較大，即SiSOSm（5）若i 0，很大，b很小，K 第42頁(yè)，共52頁(yè)。五、換熱器的選擇及傳熱過(guò)程的強(qiáng)化1換熱器的選擇 冷、熱流體的流量、進(jìn)出口溫度、操作壓力等； 冷、熱流體的物性參數(shù)； 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(guò)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)。第43頁(yè)，共52頁(yè)。 （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，

15、對(duì)換熱流體流動(dòng)空間可按下列原則確定。 不潔流體或易結(jié)垢、沉淀、結(jié)晶的流體走管程；需提高流速以增大對(duì)流傳熱系數(shù)的流體走管程；腐蝕性流體走管程，以免腐蝕殼體和管束；壓力高的流體走管程，管子耐壓性好；飽和蒸氣宜走管程，便于排出冷凝液；粘度大或流量較小的流體宜走殼程，可在低 Re（Re100）達(dá)到湍流；需冷卻的流體一般選殼程，便于散熱。第44頁(yè)，共52頁(yè)。 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)； 由傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷； 作出適當(dāng)選擇，并計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差； 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； 核算總傳熱系數(shù)； 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：

16、第45頁(yè)，共52頁(yè)。2傳熱過(guò)程的強(qiáng)化 傳熱過(guò)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(guò)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(guò)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。第46頁(yè)，共52頁(yè)。 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tm，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)tm的增大。 提高和、降低b都能使K值增大。提高K值的具體辦法

17、，可以從以下幾個(gè)方面考慮。 （2）增大平均溫度差tm 增大傳熱系數(shù)K是強(qiáng)化傳熱過(guò)程最有效的途徑。（3）增大傳熱系數(shù)K第47頁(yè)，共52頁(yè)。增加湍流程度、減小對(duì)流傳熱的熱阻、 提高值。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(wú)相變流體的值。b改變流動(dòng)條件。通過(guò)設(shè)計(jì)特殊傳熱壁面，使流體在流動(dòng)過(guò)程中不斷改變流動(dòng)方向，提高湍流程度。第48頁(yè)，共52頁(yè)。盡量選擇大的流體給熱狀態(tài)。例如，有相變的蒸氣冷凝維持在滴狀冷凝狀態(tài)等。提高、降低b。 a盡量選擇較大的載熱體； b換熱器金屬壁面一般較值大，熱阻小；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。提高K值的途徑在具體實(shí)施時(shí)要綜合考慮。第49頁(yè)，共52頁(yè)。一單殼程單管程列管式換熱器，由長(zhǎng)3m ,直徑為252.5mm的鋼管束組成。苯在換熱管內(nèi)流動(dòng)，流量為1.8kg/s，由80被冷卻到30。冷卻水在管外流動(dòng)，進(jìn)口溫度為20，出口溫度為50。已知水側(cè)和苯側(cè)的給熱系數(shù)分別為1700W/m2K和900W/m2K，苯的比熱為1.9kJ/kgK,鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/mK，污垢熱阻和熱損失均忽略不計(jì)。試求該列管換熱器的管子數(shù)目。 第50頁(yè)，共52頁(yè)。一定量的流體在圓形直