傳熱過程計(jì)算課件

傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算一、間壁傳熱過程：熱量:

熱流體冷流體thtcth,wtc,wQQ2.5總傳熱速率方程一、間壁傳熱過程：熱流體冷流體thtcth,wtc,w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)流體對穩(wěn)態(tài)傳熱各部分傳熱速率方程：熱流體冷流體thtcth,wtc,wQQ熱流體冷流體thtcth,wtc,wQQ

式中，K—總傳熱系數(shù)，W/m2·K。

注意：K

與

S

對應(yīng)，選Si、Sm或

S0

式中，K—總傳熱系數(shù)，W/m2·K。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/(m2·K)；

S－－傳熱面積，m2；

Δtm－－換熱器的傳熱推動力，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－－換熱器的總熱阻，m2·K/W。

式中

Q－－傳熱速率，W；

q－－熱通量，W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)通過單位傳熱面積的傳熱量.K的來源：

實(shí)驗(yàn)測定；取生產(chǎn)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

計(jì)算求得。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的物化工過程的傳熱問題可分為兩類：一類是設(shè)計(jì)型問題，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)型問題為例分析解決傳熱問題要涉及到的有關(guān)內(nèi)容?；み^程的傳熱問題可分為兩類：一類是設(shè)計(jì)型問題，即根據(jù)生產(chǎn)要對于一定的傳熱任務(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，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Δtm以及傳熱系數(shù)K，這些項(xiàng)目的求取涉及到熱量衡算、傳熱推動力、各種傳熱方式的規(guī)律等有關(guān)理論和計(jì)算。

對于一定的傳熱任務(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：單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面?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。二、熱負(fù)荷的計(jì)算(一)熱負(fù)荷與傳熱速率(二)熱量衡算與熱負(fù)荷的確定1、熱量衡算以單位時(shí)間為基準(zhǔn)

Qh=Qc+QLQh——熱流體放出的熱量，kJ/s或kWQc——冷流體吸收的熱量，kJ/s或kWQL——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。(二)熱量衡算與熱負(fù)荷的確定

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。3.熱負(fù)荷的計(jì)算方法（2）顯熱法（無相變時(shí)）Qh=qm,hCp,h(T1-T2)Qc=qmcCp,c(t2-t1)若無熱損失，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。（2）顯熱法（無相變時(shí)）

（3）潛熱法（有相變）Qh=qm,hγh

Qc=qm,cγc若無熱損失，Qh=Qc注意：a.通過上式可計(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)（3）潛熱法（有相變）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方向及溫度變化情況有關(guān)。換熱過程中，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。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)換熱器的傳熱速換熱器中兩流體間有不同的流動型式。若兩流體的流動方向相同，稱為并流；若兩流體的流動方向相反，稱為逆流；若兩流體的流動方向垂直交叉，稱為錯(cuò)流；若一流體沿一方向流動，另一流體反復(fù)折流，稱為簡單折流；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。換熱器中兩流體間有不同的流動型式。當(dāng)兩流體在換熱過程中均只發(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。換熱器的傳熱推動力可取任一傳熱截面上的溫度差，即Δtm=T－t。大多數(shù)情況下，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體溫度沿?fù)Q熱器管長而變化，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，對平均溫度差的影響也不相同，故需分別討論。

當(dāng)兩流體在換熱過程中均只發(fā)生相變時(shí)，熱流體溫度T和冷流體溫度

(1)恒溫傳熱

兩側(cè)流體溫度恒定：(2)變溫傳熱①一側(cè)有溫度變化Tt(2)變溫傳熱Tt

②兩側(cè)流體均有溫度變化t1t2T1T2t1t2T1T2②兩側(cè)流體均有溫度變化t1t2T1T2t1t2T1T2傳熱過程計(jì)算課件逆流并流說明：①逆流：并流：②③進(jìn)、出口條件相同時(shí)，逆流并流說明：①逆流：并流：②③進(jìn)、出口條件相同時(shí)，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Δtm一定大于并流操作的Δtm?④一側(cè)流體溫度有變化，另一側(cè)恒溫時(shí),11212錯(cuò)流和折流工業(yè)上，一般采用逆流操作（節(jié)省加熱面積）。④一側(cè)流體溫度有

⑤錯(cuò)流、折流時(shí)平均溫差

圖算法⑤錯(cuò)流、折流時(shí)平均溫差c）當(dāng)ε△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)ε△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)ε△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。

說明：th1tc2th2tc1ANs=2無相變換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算c）當(dāng)ε△t值小于0.8時(shí)，則傳熱效率低，經(jīng)濟(jì)上不合理，a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)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。變溫傳熱時(shí)流體流向的選擇T1、T2、t1、t2相同時(shí)，逆流在換熱器中，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。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，

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，選定推動力較大的傳熱流向（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)例硫酸生產(chǎn)中SO2的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，用轉(zhuǎn)化氣在對數(shù)平均值算術(shù)平均值只能采用對數(shù)平均值逆流傳熱誤差為Δt1=T1-t2=160℃Δt2=T2-t1=100℃Δt1/Δt2=1.6<2對數(shù)平均值算術(shù)平均值對數(shù)平均值算術(shù)平均值只能采用對數(shù)平均值逆流傳熱誤差為Δt1=誤差為采用對數(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)減少傳熱面積或載熱體使用量。

采用對數(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、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等。

化工中常見傳熱過程的K值范四、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K推導(dǎo):根據(jù)得意義：傳熱的總熱阻,等于間壁兩邊對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：

K推導(dǎo):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Rαi

、Rαo分別表示壁面兩側(cè)污垢熱阻系數(shù)，m2?K?W-1

若換熱器的傳熱面為單層圓筒壁面時(shí)，若Si≠So≠S，即傳熱系數(shù)與傳熱面積對應(yīng)時(shí)：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：以管壁內(nèi)表面為基準(zhǔn)：或則：傳熱過程計(jì)算課件以管壁外表面為基準(zhǔn)：或則以管壁外表面為基準(zhǔn)：實(shí)際計(jì)算熱阻應(yīng)包括壁兩側(cè)污垢熱阻：實(shí)際計(jì)算熱阻應(yīng)包括壁兩側(cè)污垢熱阻：圓管中：

平壁：圓管中：平壁：(2)污垢熱阻Rdi和Rdo污垢熱阻影響：使α↓，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。(2)污垢熱阻Rdi和Rdo污垢熱阻影響：使α↓，熱例題某列管換熱器的管束由Φ25mmX2.5mm的鋼管（λ=45W·m-1·K-1）組成，熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管外和空氣逆流流動。已知管內(nèi)空氣側(cè)的αi為50W·m-2·K-1，管外水側(cè)的α0為1000W·m-2·K-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)算得例題某列管換熱器的管束由Φ25mmX2.5mm的鋼管（λ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)表面為參考得對一根管取單位長度有：計(jì)算結(jié)果表明，選取不同的傳熱表面，計(jì)算所得K值例在上例中，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α1、α2提高一倍的效果如何？解:

（1）將α1提高一倍增加54.1%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（2）將α2提高一倍增加1.56%表明，K值接近熱阻大一側(cè)的α值，K受α小的一側(cè)流體所控制。欲提高K值，應(yīng)從α小的一側(cè)入手。

（2）將α2提高一倍增加1.56%表明，K值接近熱阻大一側(cè)的分析:（1）取基準(zhǔn)傳熱面不同，K值不同。（2）當(dāng)αi與α0相差較大時(shí),以α小的一側(cè)傳熱面為基準(zhǔn)（一般情況）。（3）當(dāng)αi與α0相差不大時(shí)，以Sm為基準(zhǔn)。（4）當(dāng)b很小，d較大，即Si≈SO≈Sm（5）若αi﹥﹥α0，λ很大，b很小，K≈α分析:五、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)。五、換熱器的選擇及傳熱過程的強(qiáng)化1．換熱器的選擇①

（2）確定選用換熱器的型式，決定流體的流動空間。如選定列管換熱器，對換熱流體流動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。（2）確定選用換熱器的型式，決定流體的流動空間。①

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：①流體定性溫度，查取或計(jì)算定性溫度下有關(guān)物性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。2．傳熱過程的強(qiáng)化傳熱過程的強(qiáng)化目的是充分利

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α和λ、降低b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)K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①增加湍流程度、減小對流傳熱的熱阻、提高α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α值。b．改變流動條件。通過設(shè)計(jì)特殊傳熱壁面，使流體在流動過程中不斷改變流動方向，提高湍流程度。①增加湍流程度、減小對流傳熱的熱阻、a．提高流體流速、增加湍②盡量選擇α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。③提高λ、降低b。

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。提高K值的途徑在具體實(shí)施時(shí)要綜合考慮。②盡量選擇α大的流體給熱狀態(tài)。例如，有相變的蒸氣冷凝維持在滴一單殼程單管程列管式換熱器，由長3m,直徑為Φ25×2.5mm的鋼管束組成。苯在換熱管內(nèi)流動，流量為1.8kg/s，由80℃被冷卻到30℃。冷卻水在管外流動，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/m2·K和900W/m2·K，苯的比熱為1.9kJ/kg·K,鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/m·K，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。一單殼程單管程列管式換熱器，由長3m,直徑為Φ25×2.5一定量的流體在圓形直管內(nèi)作層流流動，若管長及物性均不變，而管徑減至原來的1/2，問因流動阻力而產(chǎn)生的能量損失為原來的多少倍。一定量的流體在圓形直管內(nèi)作層流流動，若管長及物性均不變，而管一單殼程單管程列管式換熱器，由204根規(guī)格為Φ25×2.5mm的鋼管束組成。苯在換熱管內(nèi)流動，流量為1.5kg/s，由80℃被冷卻到30℃。冷卻水在管外流動，流量為4068kg/h，進(jìn)口溫度為20℃。已知水側(cè)和苯側(cè)的給熱系數(shù)分別為1700W/m2·K和900W/m2·K，苯的比熱為1.9kJ/kg·K,水的比熱為4.2kJ/kg·K，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/m·K，污垢熱阻和熱損失均忽略不計(jì)。試求該列管換熱器的每根換熱管長度。一單殼程單管程列管式換熱器，由204根規(guī)格為Φ25×2.5m

傳熱過程計(jì)算傳熱過程計(jì)算一、間壁傳熱過程：熱量:

熱流體冷流體thtcth,wtc,wQQ2.5總傳熱速率方程一、間壁傳熱過程：熱流體冷流體thtcth,wtc,w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)流體對穩(wěn)態(tài)傳熱各部分傳熱速率方程：熱流體冷流體thtcth,wtc,wQQ熱流體冷流體thtcth,wtc,wQQ

式中，K—總傳熱系數(shù)，W/m2·K。

注意：K

與

S

對應(yīng)，選Si、Sm或

S0

式中，K—總傳熱系數(shù)，W/m2·K。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/(m2·K)；

S－－傳熱面積，m2；

Δtm－－換熱器的傳熱推動力，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－－換熱器的總熱阻，m2·K/W。

式中

Q－－傳熱速率，W；

q－－熱通量，W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)通過單位傳熱面積的傳熱量.K的來源：

實(shí)驗(yàn)測定；取生產(chǎn)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

計(jì)算求得。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的物化工過程的傳熱問題可分為兩類：一類是設(shè)計(jì)型問題，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)型問題為例分析解決傳熱問題要涉及到的有關(guān)內(nèi)容?；み^程的傳熱問題可分為兩類：一類是設(shè)計(jì)型問題，即根據(jù)生產(chǎn)要對于一定的傳熱任務(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，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Δtm以及傳熱系數(shù)K，這些項(xiàng)目的求取涉及到熱量衡算、傳熱推動力、各種傳熱方式的規(guī)律等有關(guān)理論和計(jì)算。

對于一定的傳熱任務(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：單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面?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。二、熱負(fù)荷的計(jì)算(一)熱負(fù)荷與傳熱速率(二)熱量衡算與熱負(fù)荷的確定1、熱量衡算以單位時(shí)間為基準(zhǔn)

Qh=Qc+QLQh——熱流體放出的熱量，kJ/s或kWQc——冷流體吸收的熱量，kJ/s或kWQL——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。(二)熱量衡算與熱負(fù)荷的確定

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。3.熱負(fù)荷的計(jì)算方法（2）顯熱法（無相變時(shí)）Qh=qm,hCp,h(T1-T2)Qc=qmcCp,c(t2-t1)若無熱損失，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。（2）顯熱法（無相變時(shí)）

（3）潛熱法（有相變）Qh=qm,hγh

Qc=qm,cγc若無熱損失，Qh=Qc注意：a.通過上式可計(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)（3）潛熱法（有相變）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方向及溫度變化情況有關(guān)。換熱過程中，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。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)換熱器的傳熱速換熱器中兩流體間有不同的流動型式。若兩流體的流動方向相同，稱為并流；若兩流體的流動方向相反，稱為逆流；若兩流體的流動方向垂直交叉，稱為錯(cuò)流；若一流體沿一方向流動，另一流體反復(fù)折流，稱為簡單折流；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。換熱器中兩流體間有不同的流動型式。當(dāng)兩流體在換熱過程中均只發(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。換熱器的傳熱推動力可取任一傳熱截面上的溫度差，即Δtm=T－t。大多數(shù)情況下，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體溫度沿?fù)Q熱器管長而變化，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，對平均溫度差的影響也不相同，故需分別討論。

當(dāng)兩流體在換熱過程中均只發(fā)生相變時(shí)，熱流體溫度T和冷流體溫度

(1)恒溫傳熱

兩側(cè)流體溫度恒定：(2)變溫傳熱①一側(cè)有溫度變化Tt(2)變溫傳熱Tt

②兩側(cè)流體均有溫度變化t1t2T1T2t1t2T1T2②兩側(cè)流體均有溫度變化t1t2T1T2t1t2T1T2傳熱過程計(jì)算課件逆流并流說明：①逆流：并流：②③進(jìn)、出口條件相同時(shí)，逆流并流說明：①逆流：并流：②③進(jìn)、出口條件相同時(shí)，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Δtm一定大于并流操作的Δtm?④一側(cè)流體溫度有變化，另一側(cè)恒溫時(shí),11212錯(cuò)流和折流工業(yè)上，一般采用逆流操作（節(jié)省加熱面積）。④一側(cè)流體溫度有

⑤錯(cuò)流、折流時(shí)平均溫差

圖算法⑤錯(cuò)流、折流時(shí)平均溫差c）當(dāng)ε△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)ε△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)ε△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。

說明：th1tc2th2tc1ANs=2無相變換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算c）當(dāng)ε△t值小于0.8時(shí)，則傳熱效率低，經(jīng)濟(jì)上不合理，a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)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。變溫傳熱時(shí)流體流向的選擇T1、T2、t1、t2相同時(shí)，逆流在換熱器中，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。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，

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，選定推動力較大的傳熱流向（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)例硫酸生產(chǎn)中SO2的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，用轉(zhuǎn)化氣在對數(shù)平均值算術(shù)平均值只能采用對數(shù)平均值逆流傳熱誤差為Δt1=T1-t2=160℃Δt2=T2-t1=100℃Δt1/Δt2=1.6<2對數(shù)平均值算術(shù)平均值對數(shù)平均值算術(shù)平均值只能采用對數(shù)平均值逆流傳熱誤差為Δt1=誤差為采用對數(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)減少傳熱面積或載熱體使用量。

采用對數(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、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等。

化工中常見傳熱過程的K值范四、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K推導(dǎo):根據(jù)得意義：傳熱的總熱阻,等于間壁兩邊對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：

K推導(dǎo):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Rαi

、Rαo分別表示壁面兩側(cè)污垢熱阻系數(shù)，m2?K?W-1

若換熱器的傳熱面為單層圓筒壁面時(shí)，若Si≠So≠S，即傳熱系數(shù)與傳熱面積對應(yīng)時(shí)：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：以管壁內(nèi)表面為基準(zhǔn)：或則：傳熱過程計(jì)算課件以管壁外表面為基準(zhǔn)：或則以管壁外表面為基準(zhǔn)：實(shí)際計(jì)算熱阻應(yīng)包括壁兩側(cè)污垢熱阻：實(shí)際計(jì)算熱阻應(yīng)包括壁兩側(cè)污垢熱阻：圓管中：

平壁：圓管中：平壁：(2)污垢熱阻Rdi和Rdo污垢熱阻影響：使α↓，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。(2)污垢熱阻Rdi和Rdo污垢熱阻影響：使α↓，熱例題某列管換熱器的管束由Φ25mmX2.5mm的鋼管（λ=45W·m-1·K-1）組成，熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管外和空氣逆流流動。已知管內(nèi)空氣側(cè)的αi為50W·m-2·K-1，管外水側(cè)的α0為1000W·m-2·K-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)算得例題某列管換熱器的管束由Φ25mmX2.5mm的鋼管（λ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)表面為參考得對一根管取單位長度有：計(jì)算結(jié)果表明，選取不同的傳熱表面，計(jì)算所得K值例在上例中，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α1、α2提高一倍的效果如何？解:

（1）將α1提高一倍增加54.1%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（2）將α2提高一倍增加1.56%表明，K值接近熱阻大一側(cè)的α值，K受α小的一側(cè)流體所控制。欲提高K值，應(yīng)從α小的一側(cè)入手。

（2）將α2提高一倍增加1.56%表明，K值接近熱阻大一側(cè)的分析:（1）取基準(zhǔn)傳熱面不同，K值不同。（2）當(dāng)αi與α0相差較大時(shí),以α小的一側(cè)傳熱面為基準(zhǔn)（一般情況）。（3）當(dāng)αi與α0相差不大時(shí)，以Sm為基準(zhǔn)。（4）當(dāng)b很小，d較大，即Si≈SO≈Sm（5）若αi﹥﹥α0，λ很大，b很小，K≈α分析:五、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)。五、換熱器的選擇及傳熱過程的強(qiáng)化1．換熱器的選擇①

（2）確定選用換熱器的型式，決定流體的流動空間。如選定列管換熱器，對換熱流體流動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。（2）確定選用換熱器的型式，決定流體的流動空間。①

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；