(1.1.3)--5.4 换热器的传热计算.ppt

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1、制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春15.5 换热器的传热计算换热器的传热计算间壁两壁两侧流体的流体的传热套管式换热器套管式换热器 冷溶液进冷溶液进 冷溶液出冷溶液出 热溶液进热溶液进热溶液出热溶液出间壁式换热器及其传热过程间壁式换热器及其传热过程制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春25.5 换热器的传热计算换热器的传热计算间壁两壁两侧流体的流体的传热冷热流体通过固体壁面的传热包括三个过程：冷热流体通过固体壁面的传热包括三个过程：thtcth,wtc,w热热流流体体TtT

2、wtw流体通过间壁的热交换流体通过间壁的热交换冷冷流流体体 热流体与壁面的对流传热；热流体与壁面的对流传热；管壁的导热；管壁的导热；管壁与冷流体侧的对流传热。管壁与冷流体侧的对流传热。制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春35.5 换热器的传热计算换热器的传热计算一、热平衡方程一、热平衡方程1.热负荷热负荷冷热流体单位时间内交换的热量冷热流体单位时间内交换的热量2.衡算式衡算式(1)焓差法焓差法 T1（130的饱和水蒸汽）的饱和水蒸汽）T2（90的水）的水）Hh12723.9 kJ/kg Hh2376.81 kJ/kg 制作者：黄德春

3、制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春4(2)比热、潜热法比热、潜热法 l若流体只有温度变化，无相的变化若流体只有温度变化，无相的变化例如例如:热油热油 150 120 水水 20 60 5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算一、热平衡方程一、热平衡方程制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春5l若流体只有相变化，而无温度变化若流体只有相变化，而无温度变化 例如例如:130的饱和水蒸汽的饱和水蒸汽 130的水的水l既有相变化，又有温度变化既有相变化，又有温度变化 5.5 换热器的传热计算换

4、热器的传热计算一、热平衡方程一、热平衡方程制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春6例如：例如：T1（130的饱和水蒸汽）的饱和水蒸汽）T2（90的水）的水）5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算一、热平衡方程一、热平衡方程制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春7化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动3.热量衡算式的表示方法热量衡算式的表示方法 焓差法焓差法 两流体均无相变，只有温度变化两流体均无相变，只有温度变化 热流体有相变，而冷流体无相变热流体有相变，而

5、冷流体无相变 热流体既有相变又有温变；冷流体只有温变热流体既有相变又有温变；冷流体只有温变 5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算一、热平衡方程一、热平衡方程制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春8化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动解：解：5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算一、热平衡方程一、热平衡方程制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春95.5 换热器的传热计算换热器的传热计算二、总传热速率方程二、总传热速率方程1.总传热速率微分方程总传热速率微

6、分方程局部总传热系数，局部总传热系数，W/(m2 oC)不同基准面：不同基准面：制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春102.总传热速率方程总传热速率方程平均总传热系数，平均总传热系数，W/(m2 oC)不同基准面：不同基准面：5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算二、总传热速率方程二、总传热速率方程制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春11传热速率方程式与牛顿冷却定律的比较传热速率方程式与牛顿冷却定律的比较传热速率方程式传热速率方程式牛顿冷却定律牛顿冷却定律形式形式意义意

7、义单位时间内冷热、流单位时间内冷热、流体传递的热量体传递的热量单位时间内流体与壁单位时间内流体与壁面传递的热量面传递的热量 t冷热流体平均温度差冷热流体平均温度差流体与壁面间的温差流体与壁面间的温差传热传热系数系数总传热系数，与壁面总传热系数，与壁面两侧流体的对流传热两侧流体的对流传热系数及壁面的导热系系数及壁面的导热系数有关数有关与壁面两侧流体的对与壁面两侧流体的对流传热系数有关，与流传热系数有关，与壁面另一侧流体的对壁面另一侧流体的对流传热系数及壁面的流传热系数及壁面的导热系数无关导热系数无关制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春

8、125.5 换热器的传热计算换热器的传热计算三、总传热系数三、总传热系数总传热系数总传热系数 K 综合反映综合反映传热设备性能，流动状况和传热设备性能，流动状况和流体物性流体物性对传热过程的影响。对传热过程的影响。物理意义：物理意义：表征间壁两侧流体传热过程的强弱程度。表征间壁两侧流体传热过程的强弱程度。K=f（流体物性、操作条件、换热器本身特性等）（流体物性、操作条件、换热器本身特性等）制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春135.5 换热器的传热计算换热器的传热计算三、总传热系数三、总传热系数冷热流体通过固体壁面的传热包括三个过程

9、：冷热流体通过固体壁面的传热包括三个过程：热流体把热量传给管壁热流体把热量传给管壁 通过管壁的热传导通过管壁的热传导 管壁把热量传给冷流体管壁把热量传给冷流体 thtcth,wtc,w热热流流体体TtTwtw流体通过间壁的热交换流体通过间壁的热交换冷冷流流体体制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春145.5 换热器的传热计算换热器的传热计算三、总传热系数三、总传热系数热流体把热量传给管壁热流体把热量传给管壁 通过管壁的热传导通过管壁的热传导 管壁把热量传给冷流体管壁把热量传给冷流体 稳态传热稳态传热 制作者：黄德春制作者：黄德春制作者

10、：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春15间壁内侧流体热阻间壁内侧流体热阻 间壁热阻间壁热阻 间壁外侧流体热阻间壁外侧流体热阻 总热阻总热阻(1)若传热面为圆筒壁若传热面为圆筒壁5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算三、总传热系数三、总传热系数制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春16(2)若传热面很薄或者为平板壁时若传热面很薄或者为平板壁时5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算三、总传热系数三、总传热系数制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春1

11、7(3)污垢热阻污垢热阻Rs内侧为控制热阻内侧为控制热阻外侧为控制热阻外侧为控制热阻(4)当忽略管壁热阻及污垢热阻，且当忽略管壁热阻及污垢热阻，且d0di 时时5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算三、总传热系数三、总传热系数制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春18(5)K的确定的确定 经验值经验值 5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算三、总传热系数三、总传热系数 应应选选用用工工艺艺条条件件接接近近、传传热热设设备备类类似似的的较较成成熟的经验熟的经验K值作为设计依据。值作为设计依据。制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德

12、春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春19流体种类流体种类总传热系数总传热系数K W/(m2K)水水气体气体1260水水水水8001800水水煤油煤油350左右左右水水有机溶剂有机溶剂280850气体气体气体气体1235饱和水蒸气饱和水蒸气水水14004700饱和水蒸气饱和水蒸气气体气体30300饱和水蒸气饱和水蒸气油油60350饱和水蒸气饱和水蒸气沸腾油沸腾油290870制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春20实验测实验测定定5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算三、总传热系数三、总传热系数制作者：黄德春制作

13、者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春21化工原理化工原理课件课件第一章第一章 流体流动流体流动例题：例题：25 2.5mm，i=40W/(m2 oC)，o=1500W/(m2 oC)，=45W/(m2 oC)，Rsi=510-4 m2 oC/W，Rso=210-4 m2 oC/W。(1)求求Ko;(2)若忽略壁面及污垢热阻，将若忽略壁面及污垢热阻，将i提高一倍提高一倍时的时的Ko；(3)若将若将o提高一倍时的提高一倍时的Ko。解：解：(1)制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春22(2)若忽

14、略壁面及污垢热阻若忽略壁面及污垢热阻i提高一倍时提高一倍时(3)o提高一倍时提高一倍时制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春235.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差1.恒温传热：恒温传热：恒温传热恒温传热如：一方为蒸汽冷凝（如：一方为蒸汽冷凝（T），一方为液体沸腾（），一方为液体沸腾（t）制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春245.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差2.变温传热：变温传热：制作者：黄德春制作者：黄

15、德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春255.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差l逆流：逆流：制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春265.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春27对数平均温度差对数平均温度差 5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春

16、制作者：黄德春制作者：黄德春28讨论：讨论：(2)同一端处冷热流体的温度差同一端处冷热流体的温度差(1)并流：并流：亦适用亦适用(3)若若，(4)也适用于间壁一侧恒温，一侧变温的情况，也适用于间壁一侧恒温，一侧变温的情况，5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春29逆流：逆流：并流：并流：5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春30逆流与并流平均

17、温差的比较：逆流与并流平均温差的比较：1.T1、T2、t1、t2 相同时，相同时，逆流平均温差大于并流逆流平均温差大于并流平均温差平均温差。当传热量一定时，逆流操作所需的传。当传热量一定时，逆流操作所需的传热面积小于并流操作。热面积小于并流操作。2.并流时，热端温差与冷端温差相差悬殊，而并流时，热端温差与冷端温差相差悬殊，而逆流逆流时热负荷分布相对均匀。时热负荷分布相对均匀。3.在在换换热热器器中中，若若参参与与换换热热的的两两流流体体都都变变温温，则则一一般都采用般都采用逆流操作逆流操作。制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春314

18、.逆流时热流体的出口温度可低于冷流的出口温度逆流时热流体的出口温度可低于冷流的出口温度（高于冷流的入口温度），并流时热流体的出口温（高于冷流的入口温度），并流时热流体的出口温度必大于冷流体的出口温度。当加热任务一定时，度必大于冷流体的出口温度。当加热任务一定时，采用逆流传热可最大限度地利用热能，节约载热体采用逆流传热可最大限度地利用热能，节约载热体的用量。的用量。对对于于单单侧侧变变温温传传热热，则则按按两两种种流流动动方方式式计计算算的的平平均温差相同，可不考虑流动方式的影响。均温差相同，可不考虑流动方式的影响。制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄

19、德春制作者：黄德春32(5)也适用于牛顿冷却定律中的也适用于牛顿冷却定律中的T、t 5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春33解：解：例题：例题：水冷却某有机液体的单程列管换热器，传热面水冷却某有机液体的单程列管换热器，传热面积积20m2，质量流量，质量流量4000kg/h，要求从，要求从150降至降至60。已知水流量已知水流量3000kg/h，进口温度，进口温度25。K=120W/(m2 oC)。(1)该换热器是否可行？该换热器是否可行？(2)传热面积该多大才满足要

20、求传热面积该多大才满足要求？(3)仍用该换热器，水流量该用多少？假设仍用该换热器，水流量该用多少？假设K不变。不变。(1)制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春34该换热器不能满足需要该换热器不能满足需要(2)制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春35(3)制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春36例例题题：在在一一由由252.5mm钢钢管管构构成成的的废废热热锅锅炉炉中中，管管内内通通入入高高温温气气体体，进进口口

21、500，出出口口400。管管外外为为p=1000 kN/m2压压力力(绝绝压压)的的水水沸沸腾腾。已已知知高高温温气气体体对对流流传传热热系系数数a1=250W/m2，水水沸沸腾腾的的对对流流传传热热系系数数a2=10000W/m2。忽忽略略污污垢垢热热阻阻。试试求求管管内内壁壁平平均均温度温度Tw及管外壁平均及管外壁平均tw。制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春37解：解：(a)总传热系数总传热系数 以管子内表面积以管子内表面积Si为基准为基准 制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制

22、作者：黄德春38(b)平均温度差平均温度差 在在p=1000 kN/m2，水的饱和温度为，水的饱和温度为179.9，t为为179.9 179.9(c)计算单位面积传热量计算单位面积传热量 Q/Si=Kitm=242266.9=64590W/m2 制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春39(d)管壁温度管壁温度 T：热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值：热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值 管内壁平均温度管内壁平均温度 T=(500+400)/2=450 管外壁平均温度管外壁平均温度 制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制

23、作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春40 由由此此题题计计算算结结果果可可知知：由由于于水水沸沸腾腾对对流流传传热热系系数数很很大大，热热阻阻很很小小，则则壁壁温温接接近近于于水水的的温温度度，即即壁壁温温总总是是接接近近对对流流传传热热系系数数较较大大一一侧侧流流体体的的温温度度。又又因因管管壁壁热阻很小，所以管壁两的温度比较接近。热阻很小，所以管壁两的温度比较接近。制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春41例题：例题：在在1m长的套管换热器中用热水将管内的果汁长的套管换热器中用热水将管内的果汁从从t1=10 加热

24、至加热至t2=50 ，热水从进口温度，热水从进口温度T1=98 降至降至T2=68 ，两流体并流流动，两流体并流流动，求：求：(1)将果汁加热至将果汁加热至 t2=60 ，管长需增加多少米？，管长需增加多少米？(2)若改用逆流操作后管长增加多少米？若改用逆流操作后管长增加多少米？（上述各工况下热水、果汁的流量，入口温度，所（上述各工况下热水、果汁的流量，入口温度，所有的物性参数均不变且忽略热损失）有的物性参数均不变且忽略热损失）制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春42解：解：换热器中两流体换热器中两流体无相变化无相变化，则有，则有Q

25、=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)Q=Whcph(98-68)=Wccpc(50-10)（a）当果汁加热至当果汁加热至 t2=60 时，设水的出口温度为时，设水的出口温度为T2，根据题意有，根据题意有Q=Whcph(98-T2)=Wccpc(60-10)（b）联立式联立式a和和b，解得：，解得：T2=60.5 制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春43对于第一种工况：对于第一种工况：对于第二种工况：对于第二种工况：流体为并流时流体为并流时制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄

26、德春制作者：黄德春44由总传热速率方程：由总传热速率方程：Q=KStm ，可得，可得代入数据得代入数据得制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春45热水的出口温度仍为热水的出口温度仍为 T2=60.5 T1=98T2=60.5t1=10t2=60逆流时传热温度差为：逆流时传热温度差为：流体为逆流时流体为逆流时制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春46代入数据得代入数据得或采用算术平均值代替或采用算术平均值代替制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春

27、制作者：黄德春制作者：黄德春47l错流和折流时的错流和折流时的 与冷热流体的温度变化有关与冷热流体的温度变化有关 5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春485.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春49讨论：讨论：同同(P，R)下，壳程增加，下，壳程增加，；逆流的逆流的 最大最大确保确保 否则应增加壳程或多器串联。否则应增加壳程或多器串联。并流的

28、并流的 最小最小5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春50逆流优于并流逆流优于并流l流向选择流向选择 最大最大 节省传热面积节省传热面积 传热量传热量Q及及K相同相同 Wh、Wc 减少减少 T2，Wh 5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春51并流适用：并流适用：加热高粘度流体；加热高粘度流体；有温度限制的操作。有温度限制的操作。热敏性物质：

29、出口温度热敏性物质：出口温度t2需要控制需要控制 过冷结晶：出口温度过冷结晶：出口温度T2需要控制需要控制 错错流和折流流和折流提高提高总传热总传热系数系数K 5.5 换热器的传热计算换热器的传热计算四、平均温度差四、平均温度差制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春52(1)蒸汽消耗量蒸汽消耗量 kg/h；(2)该换热器以内表面为基准的总传热系数该换热器以内表面为基准的总传热系数Ki；(3)操作中，若管间改为通操作中，若管间改为通110饱和蒸汽，此时空饱和蒸汽，此时空气出口温度气出口温度t2能达到多少度。能达到多少度。例题：例题：一列管式换热器，列管尺寸为一列管式换热器，列管尺寸为 25 2.5mm，每根长每根长6m，共计，共计133根。流量为根。流量为6270kg/h常压空气，常压空气，在列管内流动，从在列管内流动，从20加热到加热到90，空气的比热，空气的比热管间通管间通120饱和蒸汽加热空气，饱和蒸汽加热空气，制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春53(1)(2)制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春制作者：黄德春54(3)