化工原理第5章 传热2-精品文档资料整理.ppt

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1、化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 95.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递一、两流体通过间壁传热的分析一、两流体通过间壁传热的分析（一）（一）传热过程中冷热流体的接触方式传热过程中冷热流体的接触方式换热方式换热方式 1化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9间壁式换热器间壁式换热器5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递2化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9（二）载热体及其选择（二）载热体及其选择载热体载热体：提供或取走热量的流体。：提供或取走热量的流体。起加热作用的载热体称为起加热作用的载热体称为加热剂加热剂；如水蒸汽、烟道气如水蒸汽、烟道气 如冷却水、空

2、气如冷却水、空气起冷却作用的载热体称为起冷却作用的载热体称为冷却剂冷却剂。在温度不超过在温度不超过 180的条件下，的条件下，饱和水蒸汽饱和水蒸汽是最适是最适宜的加热剂；而当温度不很低时，宜的加热剂；而当温度不很低时，水水是最适宜的冷是最适宜的冷却剂。却剂。5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递3化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9（三）对流传热过程分析（三）对流传热过程分析d dt tA2A1tWtTWT传热壁传热壁冷流体冷流体热流体热流体5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递4化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9 湍流主体：湍流主体：速度脉动较大，速度脉动较

3、大，以湍流粘度为主以湍流粘度为主，径向，径向 传递因速度的脉动而大大强化；传递因速度的脉动而大大强化；过渡层：过渡层：分子粘度与湍流粘度相当分子粘度与湍流粘度相当；层流内层：层流内层：速度脉动较小，速度脉动较小，以分子粘度为主以分子粘度为主，径向，径向传递只能依赖分子运动。传递只能依赖分子运动。层流内层为传递过程的主要阻力层流内层为传递过程的主要阻力Re越大越大，湍动程度越高，层流内层厚度，湍动程度越高，层流内层厚度 越薄越薄1.3 流体流动现象流体流动现象5化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9层流内层层流内层 对流传热的对流传热的热阻主要集中在层流内层热阻主要集中在层流内层。减薄层

4、流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递（四）四）对流传热速率对流传热速率 牛顿冷却定律牛顿冷却定律温度梯度大，热传导方式温度梯度大，热传导方式温度梯度小，对流方式温度梯度小，对流方式热传导和对流方式热传导和对流方式湍流主湍流主体体过渡区域过渡区域式中式中 Q 对流传热速率，对流传热速率，W；对流传热系数对流传热系数，W/(m2)；6化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9 Tw 壁温，壁温，；T 流体平均温度，流体平均温度，；A 传热面积，传热面积，m2。5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递1

5、.2.复杂问题简单化表示。复杂问题简单化表示。推动力：推动力：阻力：阻力：7化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9二、传热速率与传热系数二、传热速率与传热系数twTw对流对流对流对流导热导热冷流体热流体tTQ三个串联传热环节：三个串联传热环节：5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递8化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9（3）管外对流）管外对流（1）管内对流）管内对流（2）管壁热传导）管壁热传导对于稳定传热对于稳定传热 5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递9化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 95.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递K总传热系数总传热

6、系数，W/(m2K)讨论：讨论：1当传热面为平面时，当传热面为平面时，dA=dA1=dA2=dAm10化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9以内表面为基准以内表面为基准(dA=dA1)dm换热管的对数平均直径。换热管的对数平均直径。其中：其中：K1以换热管的内表面为基准的总传热系数；以换热管的内表面为基准的总传热系数；5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递2当传热面不等时当传热面不等时11化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9以外表面为基准以外表面为基准(dA=dA2)以壁表面为基准：以壁表面为基准：近似用平壁计算近似用平壁计算5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递

7、12化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9不不同同基基准准所所得得最最后后结结果果相相同同，但但通通常常计计算算时时以以管管外外 表面积为基准。表面积为基准。31/K值的物理意义值的物理意义总热阻总热阻内侧热阻内侧热阻 管壁热阻管壁热阻 外侧热阻外侧热阻5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递4.两侧污垢热阻两侧污垢热阻Rs1、Rs213化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 95.总传热系数的探讨总传热系数的探讨K由各环节热阻相加而成，所以原则上由各环节热阻相加而成，所以原则上减小任何环节热减小任何环节热阻阻，均可提高均可提高K值值，增大传热速率。，增大传热速率。总热阻总热阻

8、1/K的数值将由其中最大热阻决定。的数值将由其中最大热阻决定。K由由 小者决定小者决定。（。（1 2）提高提高K有效方法是提高有效方法是提高 小者。小者。5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递污垢会产生较大的热阻。污垢会产生较大的热阻。14化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9 K的数量级概念（的数量级概念（SI制单位）制单位）液液：数百液液：数百 气气、气液：数十气气、气液：数十 汽液：上千汽液：上千5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递气液气液热交换时，提高热交换时，提高气侧气侧的对流传热系数的对流传热系数汽液汽液热交换时，提高热交换时，提高液侧液侧的对流传热系数的对流

9、传热系数 6.总传热速率方程总传热速率方程 tm平均温度差平均温度差 总传热速率方程总传热速率方程15化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 97.壁温估算壁温估算5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递1 大大，即，即b/Am小，热阻小，小，热阻小，tW=TW16化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9TW接近于接近于T，即即 大热阻小侧流体的温度。大热阻小侧流体的温度。3两侧有污垢两侧有污垢 2当当tW=TW，得得 5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递17化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9三、传热温差和热量衡算三、传热温差和热量衡算无热无热损失：损失：热流

10、体热流体ms1,T1,cp1T2冷流体冷流体ms2,t1,cp2t2（一）热量衡算（一）热量衡算5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递18化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9无相变时无相变时 相变时相变时 式中式中 r 热流体的汽化潜热，热流体的汽化潜热，kJ/kg；TS 热流体的饱和温度，热流体的饱和温度，。5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递19化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9传热计算的出发点和核心传热计算的出发点和核心：（二）传热平均温度差（二）传热平均温度差1.恒温传热恒温传热2.变温传热变温传热 tm与流体流向有关与流体流向有关5.3 两流体间的

11、热量传递两流体间的热量传递20化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9逆流逆流并流并流错流错流折流折流A 逆流和并流时的逆流和并流时的tmt2t1T1T2t1t2T1T2逆流逆流并流并流5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递21化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9以逆流为例推导以逆流为例推导T2t1t2T1dTdtdAAtt2t1Tt5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递22化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9又又(1)5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递23化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9又又(2)(1)、(2)联立得：联立得：5.

12、3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递24化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9-对对数数平平均均温温差差1）也适用于并流也适用于并流 t2tAt1T2T15.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递25化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 92）较大温差记为）较大温差记为 t1，较小温差记为较小温差记为 t2；3）当当 t1/t22，可用算术平均值代替，可用算术平均值代替4）当）当 t1 t2时时B 错流和折流时的错流和折流时的tm5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递26化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 95.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递管程数：

13、管程数：换热器内的管子组数换热器内的管子组数通过在顶盖内装置隔板实现通过在顶盖内装置隔板实现P153 图图5-1927化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9优点：优点：提高提高管内流体的管内流体的流速流速而而增大给热系数增大给热系数；缺点：缺点：阻力损失增大，阻力损失增大，平均温差降低平均温差降低壳程数：壳程数：流体在壳内流经的次数流体在壳内流经的次数通过在壳内安装与管束平行通过在壳内安装与管束平行的隔板实现的隔板实现5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递28化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9C 不同流动型式的比较不同流动型式的比较 (1)在在进进、出出口口温温度度相

14、相同同的的条条件件下下,逆逆流流的的平平均均温温度度差差最最大大,并并流流的的平平均均温温度度差差最最小小,其其他他形形式式流流动动的的平均温度介于逆流和并流之间。平均温度介于逆流和并流之间。(2)逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递(3)采用采用折流和其他复杂流动折流和其他复杂流动的目的是为了的目的是为了提高传热提高传热系数，系数，其代价是其代价是平均温度差相应减小。平均温度差相应减小。如要求冷流体被加热时不得超过某一温度或热流体如要求冷流体被加热时不得超过某一温度或热流体冷却时不得低于某一温度，冷却时不得低

15、于某一温度，应采用并流操作。应采用并流操作。29化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9三、传热效率三、传热效率-传热单元数法传热单元数法（一）传热计算类型（一）传热计算类型 传热速率方程：传热速率方程：热量衡算方程：热量衡算方程：（逆、并流）（逆、并流）5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递（-NTU法）法）30化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9（其他流动情况）（其他流动情况）1.设计型计算：设计型计算：设计任务：设计任务：计算结果：计算结果：5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递将一定流量的热流体自给定温度将一定流量的热流体自给定温度T1冷却至指定温度冷却至指

16、定温度T2。设计条件：设计条件：冷流体的流量及进口温度冷流体的流量及进口温度t1。设备设计尺寸，或某一类型的换热器能否满足要求。设备设计尺寸，或某一类型的换热器能否满足要求。则换热器满足要求。则换热器满足要求。31化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9 计算步骤：计算步骤：（1）计算热流量）计算热流量(热负荷热负荷)Qms1cp1(T1-T2)5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递（2）计算平均推动力）计算平均推动力tm；（3）计算冷热流体与管壁的对流给热系数及总传热系）计算冷热流体与管壁的对流给热系数及总传热系 数；数；（4）计算传热面积，）计算传热面积，AQ/Ktm或或则换热

17、器满足要求。则换热器满足要求。32化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 92.操作型计算：操作型计算：第一类：求冷热流体的出口温度。第一类：求冷热流体的出口温度。条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷热流条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷热流体的流量，进口温度以及流体的流动方式。体的流量，进口温度以及流体的流动方式。第二类：求所需冷流体的流量及出口温度。第二类：求所需冷流体的流量及出口温度。条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流体的物理性质，热流体的流量和进、出口温度，流体的物理性质，热流体的流量和进、出口温度，冷流体的进口温度以及流动

18、方式。冷流体的进口温度以及流动方式。5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递33化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9解：解：由热量衡算式：由热量衡算式：由传热速率方程：由传热速率方程：整理得：整理得：例例5-11：某气体冷却器总传热面积为：某气体冷却器总传热面积为20m2，空气质量流量为，空气质量流量为2.5kg/s，温度为，温度为100，冷却水的质量流量为，冷却水的质量流量为2.4kg/s，进口，进口温度为温度为15，与空气作逆流流动。换热器的总传热系数为，与空气作逆流流动。换热器的总传热系数为80W/(m)，气体和水的平均比热容分别为，气体和水的平均比热容分别为1.0kJ/(

19、kg)和和4.187kJ/(kg)。试求两流体出口温度。试求两流体出口温度。5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递（a）34化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9由（由（a）得：）得：35化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 95.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递联立求解得：联立求解得：解：解：由热量衡算式：由热量衡算式：例例2：某气体冷却器总传热面积为：某气体冷却器总传热面积为20m2，用以将流量为，用以将流量为1.4kg/s的某种气体从的某种气体从50冷却到冷却到35。使用的冷却水初温。使用的冷却水初温为为25，与气体作逆流流动。换热器的总传热系数为，与气体作逆

20、流流动。换热器的总传热系数为230W/(m)，气体的平均比热容为，气体的平均比热容为1.0kJ/(kg)。试求冷。试求冷却水用量及出口水温。却水用量及出口水温。由传热基本方程式：由传热基本方程式：36化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 95.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递将以上数据代入得：将以上数据代入得：（a）（b）由（由（b）试差求）试差求t2，代入（，代入（a）求）求ms2对数平均温差法对数平均温差法（LMTD法）法）（二）传热效率（二）传热效率-传热单元数法传热单元数法1.传热效率传热效率37化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9最大可能传热速率最大可能传热速

21、率：换热器中可能发生换热器中可能发生最大温差最大温差 变化的传热速率。变化的传热速率。理论上最大的温差：理论上最大的温差：mscp热容流量热容流量热容流量小的流体可获得较大的温度变化热容流量小的流体可获得较大的温度变化最小值流体：最小值流体：热容流量最小的流体为最小值流体。热容流量最小的流体为最小值流体。5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递38化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 95.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递2.传热单元数传热单元数（NTU：number of heat transfer unit）39化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9传热单元数：传

22、热单元数：传热单元数的意义：热流体温度的变化相当于传热单元数的意义：热流体温度的变化相当于 平均温度差的倍数。平均温度差的倍数。无因次无因次5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递同理：同理：40化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 93.传热效率与传热单元数的关系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：根据热量衡算和传热速率方程导出：逆流：逆流：并流：并流：5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递其中：其中：41化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9若若则：则：若若5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递则：则：42化化工工原原理理2 2 0 0

23、0 0 9 9若若并流：并流：5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递逆流：逆流：当两流体之一有相变时当两流体之一有相变时43化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9图图5-20、5-21、5-22例例5-11-NTU法的应用法的应用求冷热流体的出口温度求冷热流体的出口温度定性分析问题定性分析问题5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递44化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 95.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递45化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9例例：无无相相变变的的冷冷、热热流流体体在在列列管管式式换换热热器器中中进进行行换换热热，今今若若将将单单管管程程变变成成双双管管程程，而而其其它它操操作作参参数数不不变，试定性分析变，试定性分析K、Q、T2、t2、tm的变化趋势。的变化趋势。5.3 两流体间的热量传递两流体间的热量传递46