5传热计算

第五节传热计算物料通过管壁或容器壁面加热或冷却的传热过程：（1）热流体以对流传热方式把热量传给固体壁面；（2）在固体壁面内部热量以导热的方式从一侧壁面传给另一侧壁面；（3）再以对流传热的方式把热量传给冷流体。以上过程称为热交换间壁式换热器间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：①热流体将热量传到壁面一侧；②热量通过固体壁面的热传导；③壁面的另一侧将热量传给冷流体。即给热一导热一给热的串联过程。总传热系数和总传热速率方程dAt2G1，T1G2，t1T2热流体固体壁面一侧固体壁面一侧另一侧固体壁面另一侧冷流体对流3热传导2对流1mTKAtwTw对流对流导热冷流体热流体tTQ传热速率方程式或传热基本方程式K总传热系数，单位W/(m2K)换热器的热负荷计算热负荷：工业生产中要求流体温度变化而吸收或者放出的热量。ΦL表示，单位W或KW。热量衡算式：Φ放=Φ吸热量衡算式+传热速率方程式是换热器计算的基础热流体qm1,T1,cp1T2冷流体qm,2,T1’,cp2T2’,无相变热负荷计算212,'1'222,211,1,1,HHqTTcqTTcqmLLpmpmL热量衡算式中ΦL──热冷流体放出或吸收的热量，J/s；qm,1,qm,2──热冷流体的质量流量，kg/s；cp1,cp2──热冷流体的比热容，J/(s.℃)；H1,H2──冷流体的进出口焓，J/kg；T1,T2──热流体的进出口温度，K或oC；T1’，T2’——冷流体的进出口温度，K或oC。有相变时热负荷计算'1'222211TTcqTTcrqrqpmspmLm热量衡算：式中r──热流体的汽化潜热，kJ/kg；TS──热流体的饱和温度，℃。，放吸LLmLTKA,传热计算的出发点和核心：讨论：（1）热负荷是由工艺条件决定的，是对换热器换热能力的要求；（2）传热速率是换热器在一定操作条件下的换热能力，是换热器本身的特性。（3）能满足工艺条件要求的换热器：Φ≥ΦL（4）实际设计中，Φ=ΦL通过计算热负荷确定换热器的传热速率恒温传热'TTT变温传热Tm与流体流向有关逆流并流错流折流传热平均温差的计算1、逆流和并流时的Tmt2t1T1T2t1t2T1T2T2’tAT1’T2T1T2’tAT1’T2T1逆流并流假设：1）定态传热、定态流动，qm,1、qm,2一定；2）cp1、cp2为常数，为进出口平均温度下的；3）K沿管长不变化；4）热损失忽略不计。2121lnTTTTTm'111TTT'222TTT换热器一端两流体的温度差减去另一端两流体的温度差，再除以两个温度差之比的自然对数。并流时T2T1’T2’T1AT2T1讨论（1）同样适用于逆流'211TTTT2T1’T2’T1dTdtdAATT2T1Tt'122TTT2）较大温差记为T1，较小温差记为T2；3）当T1/T22，则可用算术平均值代替2/)(21TTTm21TTTm＝4）当T1＝T2逆,mTmTT流型）,,(RPfT1'2'21TTTTR冷流体温升热流体温降1'11'2'TTTTP两流体初温差冷流体温升，逆mT：逆流时的平均温度差2、错流、折流时的mT1-2、1-4等单壳程、多管程壳式换热器的校正系数图4—2为单程列管式换热器。图4—3为双程列管式换热器。流体流动方向的选择(1)△Tm,并=△Tm,逆,考虑换热器的构造和操作上的方便。(2)在一石油裂解装置中，所得热裂解的温度为300oC。今拟设计一换热器，欲将石油从25oC预热到180oC，热裂解通过换热器后终温不得低于200oC。试分析计算热裂解物和石油在换热器中采用并流和逆流时的对数平均温度差△Tm并流25.9720275ln20275)180200()25300(ln)180200()25300(ln2121TTTTTm逆流77.145120175ln120175)180300()25200(ln)180300()25200(ln2121TTTTTm两流体的进出口温度确定时，逆流时的平均温度差比并流时大（3）管内对流1111,1111)(ATTTAwmwwmATTTA22,1,2)(223'2,2231)(ATTTAw－（1）管外对流（2）管壁热传导稳定传热321总传热系数K的计算2211'22'2,2,1,111,1111AAATTATTATTATTmwm2211111AAAKAm式中K——总传热系数，W/(m2·K)。KATT1'讨论：1．当传热面为平面时，A=A1=A2=Am21111K2．以外表面为基准(A=A1):212111111AAAAKm212111111ddddKdlAm3.材质导热性能好，可忽略热阻4．1/K值的物理意义总热阻总推动力KAtTtTKA1)()(内侧的热阻壁阻外侧的热阻总热阻212111111ddddKm式中K1——以换热管的外表面为基准的总传热系数；dm——换热管的对数平均直径。2121ln/)(dddddm污垢热阻2211111RRK式中R1、R2——传热面两侧的污垢热阻，m2·K/W。讨论：提高总传热系数的途径分析（1）间壁两侧流体间的总热阻等于两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻和管壁热传导热阻之和;（2）减小控制步骤地热阻:（3）忽略管壁热阻和污垢热阻时，k接近于对流传热系数较小的α值。（4）对流传热系数相差较小时，需同时提高。K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。例在某钢制列管式换热器中，用流量30m3/h，温度为20oC的冷水，将某石油馏分由90oC冷却到40oC，已知该馏分的流量为9075kg/h，平均比定压热容为3.35kg/(kgK)，水在列管换热器的管间和油逆流流动，由模拟实验测到α水=1000W/(m2K)，α油=300W/(m2K)，钢管的壁厚2.5mm，导热系数为49W/(m2K)，试求所需的换热面积为多少？例在套管式换热器中，用水以逆流方式冷却某溶液，已知条件如下：水从管径为Φ25mm×2.5mm的管内流过。试求：（1）在忽略管壁热阻和污垢热阻时，以外表面为基准的传热系数和冷水用量；（2）该换热器使用一段时间后，生成水垢，冷却水出口温度为60oC，求污垢热阻Rd；（3）将冷却水用量增加一倍，是否可以完成原冷却任务？流量(kg/h)比热容(KJ/kgK)进口温度(oC)出口温度(oC)传热膜系数(W/m2k)冷却水4.18715651163溶液10003.3496150801163在换热器的计算中：设计型计算：确定经济上合理的传热面积和换热器有关尺寸确定热负荷确定传热温差总传热系数确定A操作型计算：换热器的类型和尺寸确定，对于给定的流体质量流率和入口温度，确定传热速率和冷、热流体的出口温度；一、传热效率maxΦΦ最大可能传热速率实际传热速率传热效率最大可能传热速率：换热器中可能发生最大温差变化的传热速率。理论上最大的温差：'TT11传热效率～传热单元数法热容流量：mscp由热量衡算得最小值流体可获得较大的温度变化最小值流体：热容流量最小的流体为最小值流体。''mpmpqc(TT)qc(TT)11122221mpmpminqc(qc)11mp1''mpqc(TT)TTqc(TT)TT111212111111mpmpminqc(qc)22''''mp2''mpqc(TT)TTqc(TT)TT222121221111二、传热单元数mpmpdqcdTqcdT'K(Tt)dA1122TATmpdTKdATtqc21011传热单元数：mmpTTKANTUTqc12111传热单元数的意义：热流体温度的变化相当于平均温度差的倍数。''mmpTTKANTUtqc21222同理：三、传热效率与传热单元数的关系根据热量衡算和传热速率方程导出：m1pmpminqc(qc)1mp1mpqcRqc1122mpKANTUqc1111'TTTT1211逆流：并流：exp[NTU(R)]Rexp[NTU(R)]111111111exp[NTU(R)]R1111111iiRif(NTU,C)求出热流体出口温度，进而求出换热速率和冷流体出口温度