第四章传热3-传热计算.ppt

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1、第四节 传热计算v传热平均温度差的计算传热平均温度差的计算v换热器的热量衡算换热器的热量衡算v总传热速率方程总传热速率方程v总传热系数的计算总传热系数的计算v传热计算传热计算 4 4.4.1.4.1 换热换热器的器的热量衡算热量衡算间壁换热器的换热间壁换热器的换热对流传热（间壁两侧流体）对流传热（间壁两侧流体）导热（固体间壁、层流内层导热（固体间壁、层流内层 4 4.4.1.4.1 换热换热器的器的热量衡算热量衡算（一一）无相变（显热）无相变（显热）例：P143 例4-51.1.饱和蒸汽冷凝饱和蒸汽冷凝q qm mh h、q qm mc c热、冷流体的质量流量，热、冷流体的质量流量，kg/sk

2、g/s；rh热流体饱和蒸气的比汽化焓（汽化潜热，相变热）热流体饱和蒸气的比汽化焓（汽化潜热，相变热）J/kg。cpc冷流体的平均质量定压热容（平均比热容），冷流体的平均质量定压热容（平均比热容），J/（kg.）。）。4 4.4.1.4.1 换热换热器的器的热量衡算热量衡算（二）有相变化（潜热）（二）有相变化（潜热）热流体为饱和蒸气，被冷凝，而冷流体无相变化：热流体为饱和蒸气，被冷凝，而冷流体无相变化：4 4.4.1.4.1 换热换热器的器的热量衡算热量衡算若冷凝液出口温度若冷凝液出口温度2饱和温度饱和温度s时，有：时，有：（）饱和液体沸腾（）饱和液体沸腾热流体无相变化，冷流体被加热沸腾，有相变

3、化：热流体无相变化，冷流体被加热沸腾，有相变化：例：例：144144例例4-64-6。h h1 1、h2h2热流体进、出换热器的焓，热流体进、出换热器的焓，J/kg；c1c1、c2c2冷流体进、出换热器的焓，冷流体进、出换热器的焓，J/kg。4 4.4.1.4.1 换热换热器的器的热量衡算热量衡算（三）焓差法（三）焓差法载热体有相变，也有温度变化，则可用：载热体有相变，也有温度变化，则可用：传热速率传热速率QQ是换热器本身在一定操作条件下的换是换热器本身在一定操作条件下的换热能力热能力,是换热器本身的特性，二者是不相同的。是换热器本身的特性，二者是不相同的。4 4.4.2.4.2 总传热总传热

4、速率方程速率方程换热器的热负荷换热器的热负荷Q Q是是由生产工艺条件决定的由生产工艺条件决定的,是是对换热器换热能力的要求对换热器换热能力的要求。换热器的传热速率值必须换热器的传热速率值必须 热负荷热负荷 ！4 4.4.2.4.2 总传热总传热速率方程速率方程式中：tm：流体的平均温度差，；K：比例系数（传热系数），W/(m2.)。与间壁两侧液体的对流传热系数有关。实际是整个传热过程的平均值；S：换热器的传热面积，m2。4 4.4.2.4.2 总传热总传热速率方程速率方程说明：(1)管径有内径di、外径do和平均直径dm=0.5(di+do);(2)传热面积有管内表面积Si、管外表面积So和平

5、均表面积Sm。4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算（一）恒温传热（一）恒温传热温差表示与温差表示与流向无关！流向无关！（二）变温传热（二）变温传热饱和液体沸腾饱和液体沸腾饱和蒸汽冷凝饱和蒸汽冷凝 4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算1 1一侧变温传热一侧变温传热逆流逆流并流并流2.2.双侧变温双侧变温 4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算（三）平均温度差（三）平均温度差tm tm 逆流逆流并流并流 4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算v讨论：讨论：5)5)在在Q Q及

6、及K K分分别别相相同同的的条条件件下下，采采用用逆逆流流换换热热可可以以节节省省传热面积，故工业生产中多采用逆流操作。传热面积，故工业生产中多采用逆流操作。4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算1 1）习惯上将较大温差记为）习惯上将较大温差记为 t t1 1，较小温差记为较小温差记为 t t2 23 3）当当 t t1 1 t t2 2时时,4 4）t t1 1、t t2 2，T T1 1、T T2 2相同的条件下相同的条件下2 2）时时,(误差误差4%)4%)例例 现现用用一一列列管管式式换换热热器器加加热热原原油油，原原油油在在管管外外流流动动，进进口口温温

7、度度为为100,100,出出口口温温度度为为160160；某某反反应应物物在在管管内内流流动动，进进口口温温度度为为250250，出出口口温温度度为为180180。试试分分别计别计算并流与逆流算并流与逆流时时的平均温度差。的平均温度差。解解:并流并流:4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算逆流操作逆流操作时时,tt1 1/t/t2 2=90/802,=90/802,可以用算可以用算术术平均平均值值,ttm m=(t=(t1 1+t+t2 2)/2=(90+80)/2=85)/2=(90+80)/2=85 逆流逆流 ：4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温

8、度差tm的计算的计算自己解析教材自己解析教材153153例例4-84-8。流向的选择流向的选择 4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算(1)(1)逆流和并流是两种极端情况。在流体进出口温度相同逆流和并流是两种极端情况。在流体进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，并流最小，其它流动的条件下，逆流的平均温差最大，并流最小，其它流动型式的型式的t tm m介于两者之间。从传热推动力来言，逆流最介于两者之间。从传热推动力来言，逆流最佳。佳。(2)(2)在热负荷在热负荷Q Q、K K相同时，采用逆流可以较小的传热面相同时，采用逆流可以较小的传热面积积S S完成相同的换

9、热任务完成相同的换热任务。4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算(4)(4)逆流时，传热面上冷热流逆流时，传热面上冷热流体间的温度差较为均匀。体间的温度差较为均匀。(3)(3)在热负荷在热负荷Q Q、S S相同时，逆流可以节省加热和冷却介相同时，逆流可以节省加热和冷却介质的用量或多回收热。质的用量或多回收热。错流是指两流体在间壁两错流是指两流体在间壁两侧彼此的流动方向垂直；侧彼此的流动方向垂直；一种流体作折流流动，另一种流体作折流流动，另一种流体不折流，或仅沿一种流体不折流，或仅沿一个方向流动。一个方向流动。若两种流体都作折流流动若两种流体都作折流流动或既有错流又

10、有折流，称或既有错流又有折流，称为复杂折流。为复杂折流。复杂折流复杂折流错流错流简单折流简单折流（四）折流和错流的平均温度差（四）折流和错流的平均温度差tm 4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算Underwood和和Bowan图算法图算法:1 1）先按逆流计算对数平均温差）先按逆流计算对数平均温差 t tm m逆逆2 2）求平均温差校正系数）求平均温差校正系数3 3）求平均传热温差）求平均传热温差查图查图 4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算 4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算管程：管内流管程：管

11、内流动动的行程；的行程；流体流过管束一次为单管程，流体流过管束一次为单管程，往返多次为多管程往返多次为多管程。壳程：管外流壳程：管外流动动的行程；流体流的行程；流体流过过壳体一次壳体一次为为单单壳程，往返多次壳程，往返多次为为多壳程。多壳程。4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算 4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算温差修正系数温差修正系数1 1，即即t tm mt tm m逆。逆。换热器设计时换热器设计时值值不应小于不应小于0.80.8，否则不经济。，否则不经济。增大增大的方法一是更换换热器，另一办法就是的方法一是更换换热器，另一

12、办法就是改用改用多壳程多壳程。4 4.4.3.4.3 传热平均温度差传热平均温度差tm的计算的计算作业作业P1P17777 4-164-16。（一）总传热速率计算式（一）总传热速率计算式(取微元进行分析）取微元进行分析）4 4.4.4.4.4 总传热系数的计算总传热系数的计算管外对流：管外对流：4 4.4.4.4.4 总传热系数的计算总传热系数的计算管壁热传导：管壁热传导：对于稳定传热：对于稳定传热：管内对流：管内对流：K总传热系数，总传热系数，W/（m2K）4 4.4.4.4.4 总传热系数的计算总传热系数的计算对圆筒壁传热面（1 1）以内表面为基准，即取上式中以内表面为基准，即取上式中d

13、dS S=d=dS Si i，则，则 4 4.4.4.4.4 总传热系数的计算总传热系数的计算（2 2）以外表面为基准）以外表面为基准d dS S=d=dS S0 0（在换热器系列化标准中（在换热器系列化标准中常如此规定）常如此规定）（3 3）以管壁平均表面为基准）以管壁平均表面为基准 4 4.4.4.4.4 总传热系数的计算总传热系数的计算（二）污垢热阻（二）污垢热阻 R Rsisi、R Rsoso传传 热热 面面 内内、外外 两两 侧侧 的的 污污 垢垢 热热 阻阻，m m2 2K/WK/W。取取经验值经验值,可可查阅查阅有关手册有关手册 为消除污垢热阻的影响，应定期清洗换热器。为消除污垢

14、热阻的影响，应定期清洗换热器。注意：注意：单单位位 4 4.4.4.4.4 总传热系数的计算总传热系数的计算几点讨论：几点讨论：1)当传热面为平面薄管壁时，dS=dSi=dS0=dSm，则：4 4.4.4.4.4 总传热系数的计算总传热系数的计算2）对于薄管壁）对于薄管壁,且管壁和污垢热阻可以忽略的情况下且管壁和污垢热阻可以忽略的情况下:K K取决于对流传热系数中取决于对流传热系数中小小的一个！的一个！4 4.4.4.4.4 总传热系数的计算总传热系数的计算获取获取K K的途径：的途径：查取查取K K的经验数值，但应选用工艺条件接近、传的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的

15、经验热设备类似的较为成熟的经验K K值作为设计依据值作为设计依据(147147表表4-4-1010）(2)(2)试验测定试验测定 4 4.4.4.4.4 总传热系数的计算总传热系数的计算例：教材例：教材P1P14747例例4-4-7 7。作业作业P1P17777 4-74-7、4-4-8 8。4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算基本思路：热量衡算方程和传热速率方程联解。思考题：思考题：有相变时有什么差别？有相变时有什么差别？热量衡算方程不同热量衡算方程不同?以无相变传热为例以无相变传热为例一）设计型计算4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算以热流体冷却为例以热流体冷却为例1 1、命题方式

16、：设计任务：命题方式：设计任务：WWh h，T T1 1，T T2 2设计条件：冷却介质，进口温度设计条件：冷却介质，进口温度t t1 1目的：目的：S S或或n n，l l2 2、计算方法计算方法求：tm（选择t2）、i i或o S S例题4-9、4-10 (教材P154)二）操作型计算第一类命题：某一操作条件变化对换热结果的影响。例如：流体流量变化，冷、热流体进口温度变化等。对比法求解例4-11（P156）4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算特点：换热器一定，即传热面积一定特点：换热器一定，即传热面积一定第二类命题（不要求掌握）规定换热结果，计算需要的换热条件。例如：规定换热结果，计算

17、需要的冷流体的流量和出口温度。试差方法：先用算术平均代替对数平均求初值。4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算（二）操作型计算v讨论：讨论：1)一般金属壁的一般金属壁的 大，大，/（Sm）小，小，tw=Tw 三）三）壁壁温温计计算算4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算2)当当tw=Tw，得得说明传热面两侧的温度差之比等于两侧热阻之说明传热面两侧的温度差之比等于两侧热阻之比，即哪侧热阻大，温差便大；壁温比，即哪侧热阻大，温差便大；壁温TW、tW接近于接近于（大）大）热阻小热阻小的一侧流体的温度的一侧流体的温度 3 3）如果两侧有污垢，还应考虑污垢热阻的影响。如果两侧有污垢，还应考虑污垢热阻

18、的影响。4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算三三）壁壁温温计计算算【例设计型】在套管换热器中用【例设计型】在套管换热器中用20的冷却水将某的冷却水将某溶液从溶液从100冷却至冷却至60，溶液流量为，溶液流量为1500kg/h，溶液溶液比热为比热为3.5kJ/(kg)，已测得水出口温度为，已测得水出口温度为40，试，试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。若已知并流和逆流时总传热系数若已知并流和逆流时总传热系数K=1000W/(m2)，求并流操作和逆流操作所需的传热面积。求并流操作和逆流操作所需的传热面积。4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算解：

19、逆流和并流的平均温差分别是：解：逆流和并流的平均温差分别是：传热负荷为：传热负荷为：逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是：逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是：4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算【例例设设计计型型】有有一一碳碳钢钢制制造造的的套套管管换换热热器器，内内管管直直径径为为89mm89mm3.5mm3.5mm，流流量量为为20002000kg/hkg/h的的苯苯在在内内管管中中从从8080冷冷却却到到5050。冷冷却却水水在在环环隙隙从从1515升升到到3535。苯苯的的对对流流传传热热系系数数h h=230W/=230W/（m m2 2K K），水水的的对对流流传传热热系

20、系数数c c=290W/=290W/（m m2 2K K）。忽忽略略污污垢垢热热阻阻。试试求求：冷冷却却水水消消耗耗量量；并并流流和和逆逆流流操操作作时时所所需需传传热热面面积积；如如果果逆逆流流操操作作时时所所采采用用的的传传热热面面积积与与并并流流时时的的相相同同，计计算算冷冷却却水水出出口口温温度度与与消消耗耗量量，假假设设总总传传热热系系数数随随温温度的变化忽略不计。度的变化忽略不计。(P177 4-9)(P177 4-9)4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算解解 苯的平均温度苯的平均温度 ，比热容比热容c cphph=1.86=1.8610103 3J/J/（kgkgK K）水的

21、平均温度水的平均温度 ，比热容比热容cpc=4.178103J/（kgK）。）。热量衡算热量衡算 (忽略热损失忽略热损失)W W 冷却水耗量冷却水耗量kg/hkg/h4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算=4.35=4.3510103 3+7.46+7.4610105 5+3.18+3.1810103 3 =7.54=7.5410103 3m m2 2K/WK/W以内表面积以内表面积S Si i为基准的总传热系数为为基准的总传热系数为K Ki i，碳钢的导碳钢的导热系数热系数=45=45W/W/（m mK K）K Ki i=133W/=133W/（m m2 2K K）4 4.4.4.5 5

22、传热计算传热计算 并流操作并流操作 m m2 2805015354 4.4.4.5 5 传热计算传热计算 逆流操作逆流操作 m m2 28050 15354 4.4.4.5 5 传热计算传热计算逆流操作逆流操作 S S1 1=6.81m=6.81m2 2，设冷却水出口温度为设冷却水出口温度为t t 2 2 t t 2 2=46.6=46.6 逆流操作逆流操作8050 15t t 2 24 4.4.4.5 5 传热计算传热计算水水 的的 平平 均均 温温 度度tt=（15+46.615+46.6）/2=30.8/2=30.8，ccpcpc=4.174=4.17410103 3J J（kgkg）冷

23、却水耗量冷却水耗量逆流操作比并流操作可节省冷却水：逆流操作比并流操作可节省冷却水：kg/hkg/h若若使使逆逆流流与与并并流流操操作作时时的的传传热热面面积积相相同同，则则逆逆流流时时冷冷却却水水出出口口温温度度由由原原来来的的3535变变为为46.646.6，在在热热负负荷荷相相同条件下，冷却水消耗量减少了同条件下，冷却水消耗量减少了36.6%36.6%。4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算 【例设计型【例设计型】在单管程列管式换热器中用在单管程列管式换热器中用0.30.3MPa(MPa(表表压压)的饱和蒸汽将流量为的饱和蒸汽将流量为20002000kg/hkg/h的某溶液从的某溶液从2

24、020加热至加热至8080，溶液走管程，蒸汽走壳程，冷凝水于饱和温度下排出，溶液走管程，蒸汽走壳程，冷凝水于饱和温度下排出，换热器内装有换热器内装有2323根根252.5mm252.5mm的管子，已知溶液的比热的管子，已知溶液的比热C Cpcpc=2.8kJ/(=2.8kJ/(kgkgK)K)，密度密度r=850kg/mr=850kg/m3 3，总传热系数总传热系数K=1000W/K=1000W/(m(m2 2K),K),传热温差近似取为蒸汽的饱和温度与溶液的平均传热温差近似取为蒸汽的饱和温度与溶液的平均温度之差，溶液的平均温度取为进、出口温度的算术平均值。温度之差，溶液的平均温度取为进、出口

25、温度的算术平均值。忽略换热器的热损失，试确定：忽略换热器的热损失，试确定：溶液在管内的流速；溶液在管内的流速；蒸汽的消耗量；蒸汽的消耗量；换热管的长度。换热管的长度。4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算解：解：溶液的体积流量：溶液的体积流量：管程流通截面积：管程流通截面积：管内平均流速：管内平均流速：查得表压查得表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝潜热下饱和蒸汽的冷凝潜热rh=2140kJ/kg,蒸汽消耗量蒸汽消耗量4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算 表压表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝温度下饱和蒸汽的冷凝温度ts=142.9,传热温差：传热温差：根据传热速率方程根据传热速率方程换热管长

26、度：换热管长度：4 4.4.4.5 5 传热计算传热计算【例例 壁壁温温计计算算】两两流流体体在在列列管管式式换换热热器器中中进进行行热热量量交交换换，已已知知 管管 内内 热热 流流 体体 的的 平平 均均 温温 度度 为为 175，给给 热热 系系 数数 为为10000W/(m2K)，管管外外冷冷流流体体的的平平均均温温度度为为120，给给热热系系数数为为1000 W/(m2K)，忽忽略略管管壁壁热热阻阻和和污污垢垢热热阻阻，试试计计算算管管壁壁的的平均温度。平均温度。解：根据管壁平均温度的计算公式解：根据管壁平均温度的计算公式tw=1704 4.4.4.5 5 传热计算传热计算作业：作业：教材教材1774-11、4-12、4-13、4-14、4-18、4-19。