傳熱操作技術(shù)-間壁式傳熱過程計算（化工原理課件）

化工原理常用的加熱劑和冷卻劑換熱器換熱器要投入使用，就要選擇適宜的加熱劑或冷卻劑，常用的加熱劑和冷卻劑有哪些呢？該如何進(jìn)行選擇呢？換熱目的將工藝流體加熱將工藝流體冷卻

加熱劑冷卻劑若換熱的目的是將冷流體加熱,此時熱流體稱為加熱劑若換熱的目的是將熱流體冷卻,此時冷流體稱為冷卻劑水蒸氣熱水或高壓熱水煙道氣熔鹽導(dǎo)熱油加熱劑水蒸氣是最常用的加熱劑劑。通常使用飽和水蒸氣,在蒸汽過熱程度不大時，過熱20~30℃的范圍,允許使用過熱蒸汽。水蒸氣1蒸汽汽化潛熱大,蒸汽消耗量相對較小2在給定的壓力下，冷凝溫度恒定所以可通過改變加熱蒸汽的壓力來調(diào)節(jié)其溫度3蒸汽冷凝時給熱系數(shù)很大,能夠在較低的溫度差下操作404010203優(yōu)點(diǎn)水蒸氣價廉、無毒、無失火危險等缺點(diǎn)：

飽和溫度與壓力對應(yīng)，且對應(yīng)的壓力較高，對設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度要求高，投資費(fèi)用大無毒、腐蝕性小。溫溫度范圍373~573K?？衫枚螣嵩?節(jié)約能量。熱水通?？墒褂缅仩t熱水和從換熱器或蒸發(fā)器得到的冷凝水。優(yōu)點(diǎn)和蒸汽冷凝相比,給熱系數(shù)較低，加熱的均勻性不好。使用高壓熱水時對設(shè)備的強(qiáng)度要求和操作費(fèi)用都很高。缺點(diǎn)熱水或高壓熱水導(dǎo)熱油烴醚含氮雜環(huán)醇硅油含鹵烴溫度范圍473~623K，蒸汽壓力低，不用高壓就能夠得到高溫，使用方便，既可用于加熱又可用于冷卻硝酸鈉硝酸鉀亞硝酸鈉熔鹽溫度范圍573~773K,流動性好,最高工作溫度可達(dá)600℃。熔鹽加熱裝置應(yīng)具有高度的氣密性，并用惰性氣體保護(hù)。由于硝酸鹽和亞硝酸鹽混合物具有強(qiáng)氧化性，因此應(yīng)避免和有機(jī)物質(zhì)接觸。一氧化碳二氧化碳煙道氣溫度范圍873~1173K,流動性好,傳熱效率高,操作簡單。水江河地下溫度與當(dāng)?shù)貧夂蛞约凹竟?jié)有關(guān),通常在10~30℃地下水的溫度則較低,通常在4~15℃涼水塔冷卻水間壁式換熱器混合式換熱器空氣冷卻劑有通風(fēng)機(jī)的冷卻塔有增大傳熱面的換熱器翅片式換熱器空氣冷卻劑給熱系數(shù)小比熱容較低耗用量較大不會產(chǎn)生污垢冷凍鹽水以烴、醚、醇、硅油、含鹵烴及含氮雜環(huán)等物質(zhì)作為主，溫度范圍473~623K，蒸汽壓力低，既可用于加熱又可用于冷卻。此外,為了得到更低的冷卻溫度或更好的冷卻效果,還可借助于制冷技術(shù),使用沸點(diǎn)更低的制冷劑，如液氨等。加熱劑或冷卻劑的選擇根據(jù)工藝物料被加熱或冷卻的程度決定，選用工藝上要求加熱升溫的低溫流體作為冷卻劑提高經(jīng)濟(jì)效益生產(chǎn)系統(tǒng)中無可利用為加熱劑或冷卻劑的流體加熱劑冷卻劑水蒸氣水空氣常用的加熱劑水蒸氣熱水導(dǎo)熱油熔鹽煙道氣常用的冷卻劑水空氣工業(yè)生產(chǎn)中常用的加熱劑和冷卻劑有哪些？思考題化工原理熱負(fù)荷計算傳熱面積時，需要先知道傳熱速率，傳熱速率是換熱器單位時間內(nèi)能夠傳遞的熱量，屬于換熱器本身的特性。但當(dāng)換熱器還未選定或設(shè)計出來之前，傳熱速率是無法確定的，面對這樣的難題，該怎么辦呢？傳熱速率：換熱器單位時間內(nèi)能夠傳遞的熱量，屬于換熱器本身的特性熱負(fù)荷是生產(chǎn)上要求換熱器單位時間內(nèi)傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)任務(wù)，由生產(chǎn)要求決定，與換熱器的結(jié)構(gòu)無關(guān)?！轃嶝?fù)荷傳熱速率計算基礎(chǔ)：熱量衡算方程穩(wěn)態(tài)傳熱，忽略熱損失時冷流體吸收熱量=熱流體放出熱量熱負(fù)荷的確定流體熱量的變化不只與溫度有關(guān)，還與狀態(tài)，即與是否發(fā)生相變有關(guān)，所以分兩種情況來分析。無相變冷流體出口溫度tc2熱流體進(jìn)口溫度th1冷流體進(jìn)口溫度tc1熱流體出口溫度th2流體放出或吸收的熱量，即換熱器的熱負(fù)荷，W流體的比熱容，可取為流體進(jìn)、出口平均溫度下的比熱容，J/(kg·℃）或KJ/(kg·K）流體的質(zhì)量流量，kg/s有相變①飽和狀態(tài)下②非飽和狀態(tài)下例：過熱蒸氣→冷凝→過冷液體飽和蒸汽冷凝飽和液體沸騰蒸汽冷凝潛熱，J/kg焓差法由于工業(yè)換熱器中流體的進(jìn)口壓力、出口壓力差不大，故近似認(rèn)為是恒壓過程。根據(jù)熱力學(xué)定律，恒壓過程熱等于物系的質(zhì)量焓差，則有熱流體的進(jìn)出口的質(zhì)量焓，J?kg-1冷流體的進(jìn)出口的質(zhì)量焓，J?kg-1表明了冷熱流體的流量關(guān)系，他們之間總是熱量守恒熱負(fù)荷的計算確定換熱器的傳熱速率換熱器的選型和設(shè)計無相變有相變熱負(fù)荷的計算方法請大家確定一下?lián)Q熱過程中載熱劑的用量？思考題化工原理逆流和并流時的平均溫度差換熱器間壁式傳熱速率方程確定傳熱溫度差流體傳熱的平均溫度差，又稱為平均推動力，用?tm表示。其大小和計算方法與換熱器中兩流體的流動方向及溫度變化情況有關(guān)。平均溫度差t2

T1t1T2t2

T1t1T2并流逆流t2

T1t1T2恒溫傳熱時的t2

T1t1T2t2

T1t1T2流體的流動方向?qū)?tm無影響變溫傳熱時的大多數(shù)情況下，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體溫度沿?fù)Q熱器的管長而變化，稱為變溫傳熱。此時，換熱器各截面的溫度差不相同。變溫傳熱時，若兩流體的相互流向不同，則對的影響也不相同。簡化假定：①傳熱為穩(wěn)定傳熱過程，兩流體的質(zhì)量流量為常量，分別為qm1和qm2；②兩流體的比熱容均為常量,分別為Cp1,Cp2；③傳熱系數(shù)K不變，為常量；④換熱器的熱損失可忽略不計。t2

T1t1T2逆流和并流時的?tm

傳熱速率方程：熱量衡算方程：T1t2T2

dTdtdAdQt1Δt=T-t

平均傳熱溫度差的推導(dǎo)Δt2Δt1Q

當(dāng)qm,1Cp,1、qm,2Cp,2為常數(shù)，-T、-t為線性關(guān)系-(T-t)也為線性關(guān)系一側(cè)流體溫度有變化，另一側(cè)恒溫時?tm,逆=?tm,并進(jìn)出口條件相同時，?tm,逆>?tm,并工業(yè)上，一般采用逆流操作（節(jié)省加熱面積）?t1/?t2<2時，可近似取?tm=1/2（?t1+?t2）逆流和并流時的平均傳熱溫度差有助于我們進(jìn)行換熱設(shè)備的設(shè)計計算操作條件的優(yōu)化為什么換熱器僅有一側(cè)溫度發(fā)生變化時，其大小與流向無關(guān)？思考題化工原理總傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)AB評價換熱器傳熱性能的重要參數(shù)又是對傳熱設(shè)備進(jìn)行工藝計算的基本數(shù)據(jù)總傳熱系數(shù)K的數(shù)值流體的物性換熱器的類型傳熱過程的操作條件如何準(zhǔn)確確定K呢？K的來源實驗測定選取經(jīng)驗值公式計算K的來源實驗測定流體的溫度流體的流量換熱器的尺寸求得傳熱速率Q、平均溫度差△tm和傳熱面積A，再由傳熱基本方程計算K值。實驗測定

實驗得到的K值可靠性較高

換熱器的類型

換熱器的尺寸

流體的性質(zhì)

操作條件1為換熱器的計算提供依據(jù)2了解換熱器的性能，尋求提高換熱器的傳熱能力的途徑。實驗測定

K的來源實驗測定選取經(jīng)驗值選取經(jīng)驗值

K的來源實驗測定選取經(jīng)驗值公式計算在換熱器結(jié)構(gòu)確定的前提下，傳熱系數(shù)K可用公式計算，計算公式可利用串聯(lián)熱阻加和原理導(dǎo)出。公式計算熱流體冷流體TtTwtwQ熱流體側(cè)的對流管壁內(nèi)的熱傳導(dǎo)冷流體側(cè)的對流熱流體冷流體TtTwtwQ穩(wěn)態(tài)傳熱：公式計算

分別是換熱器管內(nèi)表面積、管內(nèi)外表面積平均值和管外表面積管內(nèi)對流傳熱系數(shù)管外對流傳熱系數(shù)由等比定理得：用平均傳熱溫差代替(T-t)總傳熱速率方程：注意：A可分別選取管外表面積A0

，管內(nèi)表面積Ai或管內(nèi)外表面積平均值，而傳熱系數(shù)K必須與所選取的傳熱面積相對應(yīng)。熱流體冷流體TtTwtwQ若以管外表面積為基準(zhǔn)，A=Ao工程上，習(xí)慣以管外表面積為基準(zhǔn)，除了特別說明外，手冊中所列的K值都是基于管外表面積的，故以下的傳熱系數(shù)K都是對應(yīng)于管外表面積的。換熱器標(biāo)準(zhǔn)系列中的傳熱面積也是指管外表面積。管壁內(nèi)、外側(cè)表面的污垢熱阻分別用Rsi、Rso表示，由于污垢層一般很薄，對于管內(nèi)側(cè)垢阻的傳熱面以管內(nèi)表面積Ai計，對于管外側(cè)垢阻的傳熱面以管外表面積Ao計總傳熱系數(shù)的求解方法準(zhǔn)確評價設(shè)備的傳熱性能設(shè)備的選擇和設(shè)計總傳熱系數(shù)的求解方法通過實驗測定通過查取經(jīng)驗數(shù)據(jù)通過公式計算已知換熱器的總傳熱系數(shù)K,單位傳熱面積的傳熱阻力是多少？思考題化工原理強(qiáng)化傳熱為了增強(qiáng)換熱器的傳熱效果，常常需要對設(shè)備條件或操作條件進(jìn)行改進(jìn)。所謂換熱器的強(qiáng)化,就是力求使換熱設(shè)備的傳熱速率盡可能增大,力圖用較少的傳熱面積或較小體積積的設(shè)備來完成同樣的傳熱任務(wù)。增大傳熱面積A增大平均溫度差△tm增大總傳熱系數(shù)K增大傳熱面積A改進(jìn)傳熱面的結(jié)構(gòu)翅片管換熱器，增加傳熱面積，同時也增大流體的湍動程度，從而提高熱流量Q。特別在給熱系數(shù)小的一側(cè)采用翅片，對提高傳熱系數(shù)更是有效增大傳熱面積A

板式換熱器板翅式換熱器增大傳熱面積A

旋流板塔如果進(jìn)行換熱的兩種流體在工藝上允許直接接觸,則設(shè)法增大兩流體相間的接觸面積及相間的湍動程度,也就增加了單位體積內(nèi)的傳熱效果增大傳熱面積A

增大平均溫差△tm平均溫度差的大小取決于兩流體的溫度大小及其流動形式。增大平均溫度差△tm當(dāng)兩側(cè)流體均為變溫的情況，應(yīng)盡可能考慮從結(jié)構(gòu)上采用逆流或增加殼程數(shù)，均可得到較大的平均溫度差。物料的溫度由工藝條件所決定，不能隨意變動，但通過選擇不同的加熱劑或冷卻劑，改變其流量或操作條件可使其溫度發(fā)生很大的變化。增大平均溫度差△tm

用飽和水蒸氣作為加熱劑時，增加水蒸氣的壓力可以提高其溫度螺旋板式換熱器套管式換熱器增大總傳熱系數(shù)K這是強(qiáng)化傳熱過程中最現(xiàn)實和有效的途徑。要有效地提高K值，應(yīng)設(shè)法減小其中對K值影響最大，最有控制作用的分熱阻減小任一項分熱阻，都可以提高K提高傳熱系數(shù)減小傳熱的總熱阻一般，金屬的導(dǎo)熱熱阻很小，不會成為傳熱的主要熱阻采取措施提高小的對流傳熱系數(shù)α兩α相差很大同時提高兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)，才能有效提高K值。兩α較為接近提高α值抑制污垢的生成或及時除垢污垢熱阻是一個可變的因素污垢熱阻很小，可不考慮減緩污垢的形成，同時及時清除污垢換熱器剛投入使用時使用時間的延長污垢逐漸沉積成為阻礙傳熱的主要因