传热过程计算ppt课件

1、第5章 传热过程计算与换热器 5.1 传热过程分析 5.2 传热过程的根本方程 5.3 传热过程的平均温差计算 5.4 传热效率和传热单元数 5.5 换热器计算的设计型和操作型问题 5.6 传热系数变化的传热过程计算 5.7 换热器5.1 传热过程分析 如图如图5-15-1所示，热流体经过间壁与冷流体进展所示，热流体经过间壁与冷流体进展热量交换的传热过程分为三步进展：热量交换的传热过程分为三步进展： QQ热流体冷流体thtctwhtwc对流对流热传导图5-1 流体经过间壁的热量交换 1 1热流体以对流传热方式将热热流体以对流传热方式将热量传给固体壁面；量传给固体壁面； 2 2热量以热传导方式由

2、间壁的热量以热传导方式由间壁的热侧面传到冷侧面；热侧面传到冷侧面； 3 3冷流体以对流传热方式将间冷流体以对流传热方式将间壁传来的热量带走。壁传来的热量带走。 图5-1中还示出了沿热量传送方向从热流体到冷流体的温度分布情况。 5.2 传热过程的根本方程 5.2.1 热量衡算方程 5.2.2 传热速率方程 5.2.3 总传热系数和壁温的计算5.2.1 热量衡算方程 热量衡算方程反映了冷、热流体在传热过程中温度变化的相互关系。根据能量守恒原理，在传热过程中，假设忽略热损失，单位时间内热流体放出的热量等于冷流体所吸收的热量。 对于整个换热器，其热量的衡算式为 图5-2为一稳态逆流操作的套管式换热器，

3、热流体走管内，冷流体走环隙。 )()(1221ccchhhHHmHHmQ 式中 Q为整个换热器的传热速率，或称为换热器的热负荷，W；H表示单位质量流体焓值，kJ/kg；下标1和2分别表示流体的进口和出口。 图5-2 套管换热器中的传热过程 5.2.1 热量衡算方程 对于换热器的一个微元段，传热面积为dA，冷热流体之间的热量传送满足 cchhdHmdHmdQ 式中 m为冷热流体质量流率，kg/s；dH表示单位质量流体焓值增量，kJ/kg；dQ为微元传热面积dA上的传热速率，W。下标h和c分别表示热流体和冷流体。 假设在换热器中存在热损失，那么在换热器中的传热速率为cccchhhhQHHmQHHm

4、Q)()(1221式中Qh为热流体对环境的散热量，W；QC为冷流体对环境的散热量，W。 5.2.2 传热速率方程 如前图5-2所示，在换热器中，任取一微元段dl，对应于间壁的微元传热面积dAo，热流体对冷流体传送热量的传热速率可表示为 ochochdAKttdAttKdQ1)(微分传热速率方程 式中K表示部分传热系数，W/m2；th、tc分别为热流体和冷流体的部分平均温度，。 (5-1)5.2.2 传热速率方程 由传热热阻的概念，传热速率方程还可以写为 KAtRtQmm1式中R=1/KA为换热器的总传热热阻，/W。 AtKQm 式中K表示总平均传热系数，简称总传热系数或传热系数，W/m2；A为

5、换热器的总传热面积；Dtm表示冷热流体的平均传热温差，。 对于整个换热器，传热速率方程可写为(5-1a)5.2.3 总传热系数与壁温计算 1.总传热系数的计算 图5-2 套管换热器中的传热过程 如图5-2所示，设两流体经过间壁进展换热。在换热器中任取一微元段dl，间壁内、外侧的传热面积分别为dAi和dAo。壁面的导热系数为l，壁厚为b。内、外侧流体的温度分别为th和tc，对流传热系数分别为ai和ao。间壁内侧、外侧的温度分别为twh和twc。 据牛顿冷却定律和傅立叶定律 内侧 间壁 外侧 iiwhhidAttdQ1(5-2a)mwcwhmdAbttdQ(5-2b)oocwcodAttdQ1(5

6、-2c)5.2.3 总传热系数与壁温计算 在稳态条件下 dQdQdQdQomi5-3 利用式5-2和5-3，可得 式中Q为换热器总传热面积上的传热速率，W；为传热的总推进力，。 对比式5-1和式5-4，假设以间壁外侧面为传热面积计算基准，那么其部分传热系数为RttdAdAbdAttdAttdAbttdAttdQchoomiichoocwcmwcwhiiwhh11115-4 oomiioodAdAbdAdAK111omoioiodAdAbdAdAK111或5-5 5.2.3 总传热系数与壁温计算 将a看作常数，因此求得的部分传热系数K亦为常数，不随管长变化，而作为全管长上的总传热系数K ，故式5

7、-5可改写为 111oooiimoAAbKAA 选取不同的传热面积作为传热过程计算基准时，其总传热系数的数值不同。因此，在指出总传热系数的同时，还必需注明传热面的计算基准。 如对应于Ai的总传热系数Ki oiomiiiAAAAbK1115.2.3 总传热系数与壁温计算 对于内、外径分别为di和do，长为L的圆管，由于，总传热系数Ko还可以表示为omoioioddbddK111 式中dm表示管壁的平均直径，m。在工程上，普通以圆管外外表作为传热过程中传热面积的计算基准。 对于厚度为b的平壁，由于内、外侧的传热面积相等，其总传热系数K可表示为 oibK1115.2.3 总传热系数与壁温计算 2.污

8、垢热阻 假设间壁内、外两侧的污垢热阻分别用Rsi和Rso表示，那么根据串联热阻的叠加原理，总传热热阻可以表示为osomoiosiioioRAAbAARAAK111 工业上常见流体污垢热阻的大致范围为0.910-417.610-4 m2K/W 。 5.2.3 总传热系数与壁温计算 3.换热器中总传热系数的范围 在进展换热器的传热计算时，通常需求先估计传热系数。表5-1列出了常见的列管式换热器中传热系数阅历值的大致范围。 热 流 体冷 流 体总传热系数K，W/m2 水水850 1700轻油水340 910重油水60 280气体水17 280水蒸气冷凝水1420 4250水蒸气冷凝气体30 300低

9、沸点烃类蒸汽冷凝常压水455 1140高沸点烃类蒸汽冷凝减压水60 170水蒸气冷凝水沸腾2000 4250水蒸气冷凝轻油沸腾455 1020水蒸气冷凝重油沸腾140 425表5-1 列管式换热器中总传热系数的大致范围 5.2.3 总传热系数与壁温计算 4.壁温的计算 在选用换热器的类型和资料时都需求知道间壁的壁温，根据式5-2a可以写出热流体侧的壁温计算式 iihwhAQtt 由式5-2b和式5-2c同样可写出冷流体侧的壁温计算式 mwhwcAbQttoocwcAQtt 以上关系式阐明，当间壁的导热系数很大时，间壁两侧的壁面温度可近似以为相等，而且间壁的温度接近于对流传热系数较大一侧的流体温

10、度。 5.2.3 总传热系数与壁温计算 例5-1 一空气冷却器，空气横向流过管外壁，对流传热系数ao=100 W/m2。冷却水在管内流动，ai= 6000W/m2。冷却水管为f252.5mm的钢管，其导热系数l=45 W/m。试求1在该情况下的总传热系数；2假设将管外空气一侧的对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数有何变化；3假设将管内冷却水一侧的对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数又有何变化。 5.2.3 总传热系数与壁温计算 讨论 强化空气侧的对流传热所提高的总传热系数远较强化冷却水侧的对流传热的效果显著。因此，要提高一个详细传热过程的总传热系数，必需首先比较传热过程各个

11、环节上的分热阻，对分热阻最大的环节进展强化，这样才干使总传热系数显著提高。5.3 传热过程的平均温差计算 1.恒温差传热 在换热器中，间壁两侧的流体均存在相变时，两流体温度分别坚持不变，这种传热称为恒温差传热。在恒温差传热中，由于两流体的温差处处相等，传热过程的平均温差即是发生相变两流体的饱和温度之差。 2.变温差传热 假设间壁传热过程中有一侧流体没有相变，那么流体的温度沿流动方向是变化的，传热温差也随流体流动的位置发生变化，这种情况下的传热称为变温差传热。在变温差传热时，传热过程平均温差的计算方法与流体的流动排布型式有关。 5.3 传热过程的平均温差计算 1并流和逆流时的传热温差 以逆流传热

12、过程为例，设热流体的进、出口温度分别为th1和th2；冷流体的进、出口温度分别为tc1和tc2。假定： 图P2531冷、热流体的比热容cpc、cph在整个传热面上都是常量；2总传热系数K在整个传热面上不变；3换热器无散热损失。 5.3 传热过程的平均温差计算 经过微元面积dA的传热量为 tdAKdAttKdQch)(phhhcmdQdtpccccmdQdtdQcmcmdtdttdphhpccch11)(dAcmcmKttdphhpcc11)(AphhpccttdAcmcmKtdt011)(121chttt传热温差为Dt 微分得 上式在整个传热面积A上积分，得 5.3 传热过程的平均温差计算即

13、)()(1221ccpcchhphhttcmttcmQ由 QttQttttQttQttcmcmchchhhccphhpcc1221122112)()(11得： QttKAtt1212ln将上式代入式5-6得 ： phhpcccmcmKAtt11ln125-61212lnttttKAQ即 1212lntttttm 对比式5-9与上式，可得平均传热温差的表达式 5.3 传热过程的平均温差计算讨论：讨论： 1 tm虽是从逆流推导来的，但对并流和单侧传热也适用；4当t1t2时，21tttm2习惯上将较大温差记为t1，较小温差记为t2；3当t1/t22时， tm可用算术平均值替代；工程计算对于 误差4%

14、的情况可接受。即：5.3 传热过程的平均温差计算 2错流和折流时的传热温差 图P255 如图5-4所示，按照冷、热流体之间的相对流动方向，流体之间作垂直交叉的流动，称为错流；如一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复地折流，使两侧流体间并流和逆流交替出现，这种情况称为简单折流。 5.3 传热过程的平均温差计算通常采用图算法，分三步： 先按逆流计算对数平均温差tm逆； 求出平均温差校正系数； 21111221( , )cchchhccf P RttPttttRtt冷流体温升两流体最初温差热流体温降冷流体温升查图 计算平均传热温差：mmtt 逆 平均温差校正系数 1，这是由于在列管式换热器内增设了折

15、流挡板及采用多管程，使得换热的冷、热流体在换热器内呈折流或错流，导致实践平均传热温差低于纯逆流时的tm逆。5.3 传热过程的平均温差计算 3.不同流动排布型式的比较 进出口温度条件一样时，逆流的平均温差最大，并流的平均温差最小，对于其他的流动排布型式，其平均温差介于两者之间。 在实践的换热器中应尽量采用逆流流动，而防止并流流动。但是在一些特殊场所下仍采用并流流动，以满足特定的消费工艺需求。 采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数，然而其代价是减小了平均传热温差。 5.4 传热效率和传热单元数 1.1.传热效率传热效率 换热器传热效率e的定义为实践传热速率Q与实际上能够的最大传热速率Qm

16、ax之比 maxQQ假设热流体的热容量较小，那么传热效率e为hchhhchphhhhphhttttttcmttcm11211121)()(假设冷流体的热容量较小，那么传热效率e为 cchccchpccccpccttttttcmttcm11121112)()(5.4 传热效率和传热单元数 假设知换热器的传热效率e，就可以根据冷热流体的进口温度确定换热器的传热速率Q，即 )()(11minmaxchpttmcQQ 2.2.传热单元数传热单元数 在换热器中的微元传热面积dA上，由热量衡算方程式和传热速率方程式可得tdAKdAttKdtcmdtcmdQchcpcchphh)(对于冷流体，满足 pccc

17、cmKdAtdt5.4 传热效率和传热单元数 当传热系数K和比热cpc为常数时，积分上式可得 pccmccttcccmKAttttdtNTUcc1221式中NTUcNumber of Transfer Unit称为对冷流体而言的传热单元数，Dtm为换热器的对数平均温差。 同理，以热流体为基准的传热单元数可表示 phhmhhhcmKAtttNTU21在换热器中，传热单元数定义为 min)(pmcKANTU 5.4 传热效率和传热单元数 3.传热效率和传热单元数的关系 逆流式换热器 hRhRhhRhhNTUCCNTUC1exp1exp1cRcRccRccNTUCCNTUC1exp1exp1热流体的

18、热容量较小冷流体的热容量较小 maxmin)()(ppRmcmcCNTUCCNTUCRRR1exp1exp1令 那么 上两式得通式并流换热器 RRCNTUC11exp15.4 传热效率和传热单元数 NTU 关系图P2575.5 换热器计算的设计型和操作型问题换热器计算的设计型和操作型问题 两类计算所根据的根本方程都是热量衡算方程和传热速率方程，计算方法有对数平均温差LMTD法和传热效率传热单元数e-NTU法两种。 1.设计型计算设计型计算 对于设计型计算，既可以采用对数平均温差法，也可以对于设计型计算，既可以采用对数平均温差法，也可以采用传热效率采用传热效率传热单元数法传热单元数法 LMTDL

19、MTD法法 5.5 换热器计算的设计型和操作型问题换热器计算的设计型和操作型问题 根据知的三个端部温度，由热量衡算方程计算另一个端部温度； 由选定的换热器型式计算传热系数K； 由规定的冷、热流体进出口温度计算参数P、R； 由计算的P、R值以及流动排布型式，由jP、R曲线确定温度修正系数j； 由热量衡算方程计算传热速率Q，由端部温度计算逆流时的对数平均温差Dtm； 由传热速率方程计算传热面积 。mtKQA5.5 换热器计算的设计型和操作型问题换热器计算的设计型和操作型问题 NTU法 1根据知的三个端部温度，由热量衡算方程计算另一个端部温度； 2由选定的换热器型式计算传热系数K； 3由规定的冷、热

20、流体进出口温度计算参数、CR； 4由计算的、CR值确定NTU。由选定的流动排布型式查取NTU算图。能够需由NTU关系反复计算NTU； 5计算所需的传热面积 。 NTUKmcAp min)(5.5 换热器计算的设计型和操作型问题换热器计算的设计型和操作型问题 例5-2 一列管式换热器中，苯在换热器的管内流动，流量为1.25 kg/s，由80冷却至30；冷却水在管间与苯呈逆流流动，冷却水进口温度为20，出口温度不超越50。假设知换热器的传热系数为470 W/m2，苯的平均比热为1900 J/kg。假设忽略换热器的散热损失，试分别采用对数平均温差法和传热效率传热单元数法计算所需求的传热面积。 5.5

21、 换热器计算的设计型和操作型问题换热器计算的设计型和操作型问题 2.2.操作型计算操作型计算 对于换热器的操作型计算，其特点是换热器给定，计算类型主要有以下两种 对指定的换热义务，校核给定的换热器能否适用。 对一个给定的换热器，当某一操作条件改动时，调查传热速率及冷、热流体出口温度的变化情况；或者为了到达指定的工艺条件所需采取的调理措施。 5.5 换热器计算的设计型和操作型问题换热器计算的设计型和操作型问题 对于操作型计算，采用传热效率传热单元数法和对数平均温差法计算的普通步骤 如下NTU法 由知换热器型式计算传热系数K； 由知条件计算NTU、CR； 经过计算式或算图，由计算的NTU、CR值和

22、流动排布型式确定e； 由 计算传热速率，并由一侧流体的热量衡算式或以下两式计算出口温度 )()(11minchpttmcQ)(1112chhhtttt)(2112hhRccttCtt5.5 换热器计算的设计型和操作型问题换热器计算的设计型和操作型问题 LMTD法 假设出口温度，根据热量衡算方程计算另一个出口温度；由知换热器型式计算传热系数K；计算逆流平均温差Dtm；由P、R值，并根据流动排布型式由jP、R曲线确定j；由 计算传热速率；由知的传热速率Q和mccpc、mchph经过热量衡算方程计算出口温度；对比第一步所假定的出口温度。假设不一致，那么重新假定反复计算，直到出口温度计算值与假定值的偏

23、向符合精度要求。mtKAQ5.5 换热器计算的设计型和操作型问题换热器计算的设计型和操作型问题 例5-3 在列管式换热器中用锅炉给水冷却原油。知换热器的传热面积为100m2，原油的流量为8.33kg/s，温度要求由150降到65；锅炉给水的流量为9.17kg/s，其进口温度为35；原油与水之间呈逆流流动。假设知换热器的传热系数为250 W/m2，原油的平均比热为2160 J/kg。假设忽略换热器的散热损失，试问该换热器能否合用？假设在实践操作中采用该换热器，那么原油的出口温度将为多少？ 5.6 传热系数变化的传热过程计算传热系数变化的传热过程计算 在稳态传热过程的计算中，普通均假设流体的物性及

24、传热系数K为一平均值而在整个换热器的传热过程中维持恒定。 当加热或冷却粘度较高的流体，或流体进出口温度变化较大时，流体物性的变化较显著，此时将物性和传热系数K作为常数处置时将导致传热过程计算的较大误差。 减小这一误差的最简单处置方法是假定传热系数K与传热温差成线性关系。 传热速率可表示为 12211221lntKtKtKtKAQ5.6 传热系数变化的传热过程计算传热系数变化的传热过程计算 对于传热系数变化的传热过程，更严厉准确的方法是采用积分方法计算传热速率。 AchdAttKQ0)(由5-1积分可得传热速率Q 2121)()(hhcctthchphhttcchpccdtttKcmdtttKc

25、mA对于任一微元段dAj的传热速率方程可以写为 jmjjjAtKQ5.6 传热系数变化的传热过程计算传热系数变化的传热过程计算 对于换热器的总传热面积可以表示为njmjjjtKQA1 分段方法计算传热过程的计算任务量较大，适宜于采用计算机进展计算 对整个换热器而言的总传热速率为 njjmjjnjjAtKQQ11)(式中n为换热器所分微元的总段数。 5.7 换 热 器 5.7.1 换热器的分类 5.7.2 间壁式换热器 5.7.3 列管式换热器的选用与设计原那么 5.7.4 换热器的传热强化途径5.7.1 换热器的分类 换热器种类很多，按热量交换的原理和方式，可分为混合式、蓄热式和间壁式三类 。

26、 换热器还可按其用途分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器和再沸器等；按换热器制造资料分为金属、陶瓷、塑料、石墨和玻璃等等。主要内容：1. 根据工艺要求，选择适当的换热器类型；2. 经过计算选择适宜的换热器规格。5.7.2 间壁式换热器 构造：夹套装在容器外部，夹套和容器壁之间构成密闭空间，成为一种流体的通道。优点：构造简单，加工方便；缺陷：传热面积A小，传热效率低；用途：广泛用于反响器的加热和冷却。1.夹套式管换热器图P2725.7.2 间壁式换热器 2.管式换热器管式换热器 沉浸式换热器沉浸式换热器 强化措施：可减少管外空间；容器内加搅拌器。特点：构造简单、本钱低、耐腐蚀、耐高压； 管外较小，

27、蛇管易堵塞。图P2725.7.2 间壁式换热器 喷淋式换热器喷淋式换热器 优点：构造简单；便于耐腐蚀；管内能耐高压；管外 比沉浸式大。 缺陷：冷却水喷淋不均匀影响传热效果；只能安装在室外，占地面积大。图P2735.7.2 间壁式换热器 套管式换热器套管式换热器 优点：构造简单，易于维修和清洗，适用于高温、高压流体，特别是小容积流量流体的传热。 缺陷：流动阻力大，金属耗量多，而且体积较大，因此多用于所需传热面积较小的传热过程。 图P2745.7.2 间壁式换热器 列管式换热器列管式换热器 列管式换热器主要由壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成。管束安装在壳体内，两端固定在管板上。封头用螺栓与

28、壳体两端的法兰相连。 与前述几种换热器相比，它的主要优点是单位体积所具有的传热面积大、构造紧凑、传热效果好。由于构造巩固，而且可以选用的构造资料范围广，故顺应性强、操作弹性较大，因此，在高温、高压和大型安装上多采用列管式换热器。5.7.2 间壁式换热器 列管式换热器可分为以下几种主要型式：列管式换热器可分为以下几种主要型式： 1 1固定管板式换热器固定管板式换热器 壳体与传热管壁温度之差大于50C，加补偿圈，也称膨胀节。当壳体和管束之间有温差时，依托补偿圈的弹性变形来顺应它们间的不同的热膨胀。特点：构造简单；但壳程检修和清洗困难。图P2755.7.2 间壁式换热器 列管式换热器可分为以下几种主

29、要型式：列管式换热器可分为以下几种主要型式： 2 2U U形管式换热器形管式换热器 图P275特点：构造较浮头简单；但管程不易清洗。 构造：把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自在伸缩，来处理热补偿问题 5.7.2 间壁式换热器3浮头式换热器 特点：可完全消除热应力，便于清洗和检修； 构造复杂，金属耗量较多，造价较高。 管板一端不与壳体相连，可自在沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度差而引起热膨胀时，管束连同浮头能在壳体内沿轴向自在伸缩，可完全消除热应力。 图P2765.7.2 间壁式换热器 3.3.板式换热器板式换热器 螺旋板式换热器是由螺旋形传热板片构成的换热器。螺旋板式换热器的构造包括螺旋形传热板、隔板、盖板、定距柱和衔接纳等部件，其构造因型式不同而异。各种型式的螺旋板式换热器均包含由两张厚约26mm的钢板卷制而成，构成一对相互隔开的同心螺旋流道。冷、热流体以螺旋板为传热面相间流动。 优点：传热效率高；不易堵塞；构造紧凑，本钱较低。缺陷：压力、温度不能太高；维修、清洗困