[工学]17传热过程计算.ppt

传热过程计算 Calculation of Heat Transfer Calculation of Heat Transfer ProcessProcess 任课教师：蒋 炜 工程常见问题工程常见问题 Usual ProblemUsual Problem 换热器的常见问题包括： 载热体用量的确定； 设计新的换热器； 核算现有换热器的传热性能； 强化或削弱传热的方法。 实际生产中常需采用间壁式换热器。冷、热两流 体分别处在间壁两侧，两流体间热交换包括了固 体壁面的导热和流体与固体壁面间的对流传热。 以间壁式换热器的传热计算为主要对象。 传热基本方程传热基本方程 Fundamental Equation for Heat Transfer ProcessFundamental Equation for Heat Transfer Process 热量恒算式 传热速率关系 传热基本方程式 解决问题需要用到两个基本方程 传热负荷传热负荷 Heat LoadingHeat Loading 生产中常把单位时间内的流体所放出或吸收的热 量称为热负荷。即生产工艺需要的传热速率(传热 任务) 。 如果无外功输入，位能，动能可忽略，不考虑热 损失，并传热良好时，由能量守恒定律得，单位时 间热流体放出的热量应等于冷流体所吸收的热 量。 传热负荷传热负荷 Heat LoadingHeat Loading 无相变： 有相变： 若忽略热损失，则热流体放出的热量等于冷流 体吸收的热量: 有温变也有相变过程, 需分段计算： 例: 在1atm下,120、W(kg/s)过热蒸汽变为60 水,求单位时间放出的热量。 120 蒸汽100 蒸汽 100 水 60 水 12 3 传热温差传热温差 Temperature DifferenceTemperature Difference 传热温差是传热过程的推动力。 按照参与热交换的冷热流体在沿换热器传热面流动 时，各点温度变化情况，可分为恒温差传热和变温 差传热。 换热过程中，热流温度沿程降低，冷流温度沿程升 高，故冷热流体温度差在换热器表面各点不同。 当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时 ，必须使用整个传热面积上的平均温差。 恒温差传热恒温差传热 Constant Temperature DifferenceConstant Temperature Difference 两侧流体均发生相变，且温度不变，则冷热流体 温差处处相等，不随换热器位置而变的情况。如 间壁的一侧液体保持恒定的沸腾温度t下蒸发； 而间壁的另一侧，饱和蒸汽在温度T下冷凝过程 ，此时传热面两侧的温度差保持均一不变，称为 恒温差传热。 恒温差传热温差： 变温差传热变温差传热 Variable Temperature DifferenceVariable Temperature Difference 变温差传热是指传热温度随换热器位置而 变的情况。当间壁传热过程中一侧或两侧 的流体，沿着传热壁面在不同位置点温度 不同，因此传热温度差也必随换热器位置 而变化，该过程可分为单侧变温和双侧变 温两种情况。 变温差传热变温差传热 Variable Temperature DifferenceVariable Temperature Difference 单侧变温 如用蒸汽加热一冷流体，蒸汽冷凝放出潜热，冷 凝温度T不变，而冷流体的温度从t1上升到t2。或 者热流体温度从T1下降T2，放出显热去加热另一 较低温度t下沸腾的液体，后者温度始终保持在沸 点t。 双侧变温 此时平均温度差tm与换热器内冷热流体流动方 向有关，流体的流动方式不同，平均传热温差不 同。 并流和逆流并流和逆流 CocurrentCocurrent and Countercurrent Flow and Countercurrent Flow 并流：参与换热两种流体沿传热面平行而同向流动。 逆流：参与换热两种流体沿传热面平行而反向流体。 在换热器中取微分长度 dl，其传热面积为 dA dl dA T t 传热温差传热温差 Temperature DifferenceTemperature Difference t1 t2 T1 T2 dl 两流体通过微分面积 dA 交换的热量为 传热温差传热温差 Temperature DifferenceTemperature Difference 假定： 在传热过程中，热损失忽略不计； 两流体的比热为常数，不随温度而变； 总传热系数 K 为常数，不沿传热表面变化。 dl dA T t 热流放出的热量 冷流吸收的热量 传热速率 dl dA T t 传热温差传热温差 Temperature DifferenceTemperature Difference 三者相等 令 逆流传热微分式 dl dA T t 传热温差传热温差 Temperature DifferenceTemperature Difference 两式相减 代入 则有 两边求积分 根据换热器总热 量恒算式 两式相减 传热温差传热温差 Temperature DifferenceTemperature Difference 比较传热基本方程 式，可得： 讨论讨论 DiscussionDiscussion 1）上式虽然是从逆流推导来的，但也适用于并流。 并流情况下： t1=T1-t1， t2=T2-t2。 逆流情况下： t1=T1-t2， t2=T2-t1 2）习惯上将较大温差记为t1，较小温差记为t2； 3）当t1/t20.9，绝不能使 h2，1/K=(h1+h2)/h1h2 h1/h1h2=1/h2 Kh2 欲提高K值，关键是提高较小的给热系数。 冷流体阻力控制，h1h2，则Kh2 例：蒸汽冷凝器 热热流体阻力控制，h1h2，则Kh1 例：空气冷却器 两侧侧流体联联合控制，h1 h2，则则K=1/(1/h1+1/h2) 例：换热换热 器 总传热系数总传热系数 Overall Heat Transfer CoefficientOverall Heat Transfer Coefficient 例4-6：某空气加热器，蒸汽在管间冷凝，以加热管 内流动的空气，已知空气侧给热系数h150W/m2K ，蒸汽冷凝给热系数h25000W/m2K，为强化传热 ，现 （1）将蒸汽给热系数提高1倍，求总传热系数； （2）将空气给热系数提高1倍，求总传热系数。 解： 计算表明： 提高大给热系数，总传热系数基本不变； 提高小给热系数1倍，总传热系数提高近1倍。 查取 K 值 在有关传热手册 和专著中载有某 些情况下 K 的经 验数值，可供设 计参考。注意应 选用工艺条件接 近、传热设备类 似的较为成熟的 经验 K 值作为设 计依据。 流体种类类总传热总传热 系数K W/(m2K) 水气体1260 水水8001800 水煤油350左右 水有机溶剂剂280850 气体气体1235 饱饱和水蒸气水14004700 饱饱和水蒸气气体30300 饱饱和水蒸气油60350 饱饱和水蒸气沸腾腾油290870 总传热系数总传热系数 Overall Heat Transfer CoefficientOverall Heat Transfer Coefficient 实验测定 通过实验测定现有换热器的流体流量和温度，再由 传热基本方程计算 K 值： 实验测定的 K 值较为可靠。实测 K 值的方法不仅是 为了在缺乏工业实验数据时提供设计依据，而且还 可以籍助实测的 K 值判断换热器的工作状况，从而 寻求强化传热的措施。 总传热系数总传热系数 Overall Heat Transfer CoefficientOverall Heat Transfer Coefficient 计算得到的 K 值与查取或实测值相差较大， 主要原因是给热系数 h 的关联式有一定误差 和污垢热阻不易估计准确。 使用计算的 K 值时应慎重，最好与另外两种 方法作对照，以确定合理的 K 值。 总传热系数总传热系数 Overall Heat Transfer CoefficientOverall Heat Transfer Coefficient 污垢热阻 Fouling Thermalresistance 换热器在运行一段 时间后，流体介质中可沉积物会 在换热表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐 蚀而形成垢层。垢层的生成对传热产生附加热阻， 使总传热系数减小，传热速率显著下降。 若垢层厚度为s，垢层导热系数为s，则垢层热阻 为Rs=s/s。因为垢层导热系数很小，即使厚度不大 ，垢层热阻也很大，往往成为主要热阻，必须给予足 够重视。 由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计，工 程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值。如 管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rs1和Rs2， 则总热阻 污垢热阻 Fouling Thermalresistance 用Rf表示管壁内外两侧污垢热阻之和，则 式中K2为清洁表面的总传热系数，K2是结 垢表面的总传热系数，分别测得这两个传热 系数，即可确定Rf值。 污垢热阻 Fouling Thermalresistance 流 体 种 类 污垢热阻 m2/W 流体种类 污垢热阻 m2/W 水(u1m/s, t50) 蒸气 海水0.0001有机蒸汽 0.0002 河水0.0006水蒸气(不含油)0.0001 井水0.00058水蒸气废气(含油)0.0002 蒸馏水0.0001制冷剂蒸汽(含油)0.0004 锅炉给水0.00026气体 未处理凉水塔用水0.00058空气0.0003 经处理凉水塔用水0.00026压缩气体0.0004 多泥沙的水0.0006天然气0.002 盐水0.0004焦炉气0.002 污垢热阻 Fouling Thermalresistance 例：在列管式换热器中用水将某工艺气体的温度从180C 冷却到60C ，气体走壳层层，给热给热 系数40W/(m2K），冷却 水走管层层，给热给热 系数3000 W/(m2K），换热器管束由 25mm2.5mm的钢管组成，水侧污垢热阻0.00058（ Km2)/W,气侧污垢热阻0.0005（Km2/）W,求总传热系数； 若将水侧给热系数提高1倍，求总传热系数；若将气侧给 热系数提高1倍，再求总传热系数。 解（1）以管外表面为基准的总传热系数为： (2)水侧给热系数提高1倍， ，总传热系 数为 总传热系数增加的百分数为 (3) 气侧给热系数提高1倍， ，总传热系数为 总传热系数增加的百分数为 欲提高K值强化传热，必须设法减少主要热阻。H1和h2有数 量级区别时提高小h的值，区别不大时则应同时提高；污垢 为主要热阻时应需定期清理或设法降低垢层的生成速率。 在计算强制对流、自然对流、冷凝和沸腾传热的 给热系数以及设备的热损失时，需要知道壁温，此外 ，在选择换热器类型和管材时，也需要壁温数据。 由于换热器间壁两侧流体的温度不同，间壁两侧 表面的温度也是不同的，但是金属间壁的热阻通常 很小，因而忽略间壁温度的差异。若间壁两侧流体 的平均温度分别为T和t，给热系数分别为 h1和h2， 则间壁平均温度tw满足下式 近似取 壁温的估算壁温的估算 Estimation of Wall TemperatureEstimation of Wall Temperature 由于壁温tw未知，因而给 热系数h1和h2也是未知的 ，因此，由式求解壁温需 要试差计算。 壁温的估算壁温的估算 Estimation of Wall TemperatureEstimation of Wall Temperature 上式化为： 方法：先假设一壁温，据此计算两个给热系数，进而 由式计算壁温，直至计算的壁温和假设的壁温相一致 。假设壁温时应作粗略估计，由式知，温差与热阻成 正比，也即：壁温接近给热系数较大一侧流体的温度 。 例：两流体在列管式换热器中进行热量交换，已知管 内热流体的平均温度为175，给热系数为 10000W/(m2K)，管外冷流体的平均温度为120，给 热系数为1000 W/(m2K)，忽略管壁热阻和污垢热阻 ，试计算管壁的平均温度。 解：根据管壁平均温度的计算公式 tw=170 解方程得： 换热器计算的变量分析换热器计算的变量分析 Variable Analysis in Heat-Exchanger DesignVariable Analysis in Heat-Exchanger Design 确定传热负荷Q，平均温差tm及总传热系数 K的计算以后，即可对换热器进行传热计算。 传热计算的依据是： 传热速率关系式： 热量平衡关系式： 换热器计算的变量分析换热器计算的变量分析 Variable Analysis in Heat-Exchanger DesignVariable Analysis in Heat-Exchanger Design 校核型计算 ：核算已有换热器在非设计工 况下的传热性能 根据已知条件和计算目的不同，分为设计型 和校核型计算 设计型计算：在给定的工艺条件下，设计一 台新的换热器。 设计原则：技术上可行，经济上合理。 设计型计算设计型计算 Calculation for Calculation for DesignDesign 例：热流体的冷却 已知：W1、T1、T2、t1 及物性 ； 求：A、 tm、 K tm：需要选定 t2。t2， W2 ，操作费用，但 tm，A ， 设备费用。一般按 tm 不小于10来确定 t2。 冷却剂若选择水，应不超过45 C，减少水中盐类的析 出沉积形成垢层。 K： 与流体的流动方式和流速有关。速度 ，K值，传热 面积，但流动阻力，动力消耗。基本原则：湍流、 逆流。对列管换热器的复杂流动，流向和流动空间的 安排以温差修正系数 不低于 0.8 为宜。 A： 根据计算得出的 A 和选定的流动方式选出适合的换热器 (1) 产量改变造成工艺流体流量的变化，要求预测现 有换热器在冷流体流量和进口温度不变的条件下 ，工艺流体的出口温度 T2。 (2) 上游设备工况改变而引起工艺流体的进口温度发 生变化，需预测出口参数的变化。 (3) 冷却剂水的进口温度受季节和气候影响，从而会 使工艺流体的出口参数产生波动，需预测出口温 度的波动值。 (4) 新换热器刚投入使用时，垢层尚未形成，其总传 热量系数 K 远大于考虑了污垢热阻的设计值，需 要预测 K 的这种变化对传热的影响。 校核型计算校核型计算 Calculation for Calculation for CheckCheck 校核型计算校核型计算 Calculation for Calculation for CheckCheck 校核型计算方法，是将传热基本方程与热量衡算 方程联立，求解未知量。 对于逆流操作的热流体冷却，有： 前述三种情况分别为： 1）给定W1求T2；2）给定T1求T2；3）给定t1求T2 。 一般当W1、T1或t1发生变化时，t2随之变化。所 以校核型计算，实际上是同时确定冷热流体的出 口温度t2和T2。 换热器调节换热器调节 Adjust of Heat Exchanger Adjust of Heat Exchanger 换热器调节 ：使换热器在非设计工况下操作 时工艺流体的出口参数（温度）稳定在工艺 要求值附近。 调节的方法：改变非工艺流体的流量来改变 换热器的传热性能，从而把变化了的出口参 数调回到设计值。改变非工艺流体流量，K 和 tm及传热速率随之变化。 换热器调节换热器调节 Adjust of Heat Exchanger Adjust of Heat Exchanger (1) 传热为非工艺流体控制 调节非工艺流体流 量，总传热系数 K 和平均温差 tm 同时改 变，从而改变传热速率Q。 (2) 传热为工艺流体控制 改变非工艺流体流量 ，总传热系数 K 几乎不变，只有平均温差 tm 变化。 (3) 传热为工艺流体控制且非工艺流体出口温 度十分接近其进口温度时 tm 也不变化， 即 Q 不变化，表现为换热器无调节余地。 讨论讨论 DiscussionDiscussion 1. 2. 3. 4. t=t2-t1或t=T1-T2;描述一侧 流体被加热或被冷却(无相变) 时的传热速率。 t=tW-t或t=T-TW;描述流体 与壁面之间的对流传热速率。 t= tm 为冷热流体的对数平 均温差;描述高温流体通过壁面 将热传给冷流体的传热速率。 t=TW tW;描述热由高温壁面 通过热传导的方式传给低温壁 面的传热速率。 例: 在双管程列管式换热器中用0.3MPa (表压)的饱和蒸汽将 流量为2000kg/h的某溶液从20加热至80，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46根 f 252.5mm的管子，已知溶液的比热CP=2.8kJ/(公