化工原理讲义

1、第四章传热heat transfer内容提要:本章先对传热的三种基本方式即传导传热、对流传热和辐射传热以及工业上的换热方法进行介绍,然后着重讨论传导传热、对流传热的机理和传导传热、对流传热的速率方程式,在此基础上建立总传热速率方程。冷热流体通过固体壁面进行热交换时的热量衡算及与总传热方程相结合解决热交换过程中的问题。对强化和抑制传热过程的途径以及列管式热交换器的基本结构仅作简单介绍。学习指导:了解传导传热和对流传热的机理,掌握传导传热、对流传热的速率方程式,掌握总传热速率方程式并对其中的总传热系数K、传热平均温度差tm能分别计算,能将热交换中热量衡算式与总传热方程相结合而解决热交换中的计算问题

2、。了解强化和抑制传热过程的方法以及列管式热交换器的基本结构。本章要点1、传热过程步骤:(1热流体以对流传热方式将热量传给固体壁面;(2热量以热传导方式由间壁的热侧面传到冷侧面;(3冷流体以对流传热方式将间壁传来的热量带走。2、了解传热的基本方式热传导-付立叶定律Q= A(TW-t W/对流-牛顿冷却定律Q= A(T-TW辐射3、掌握传热计算热量衡算Qr=Ql+Qs传热速率Q=KA tm=推动力/阻力4、了解换热器的结构、选型及发展重点-以传热方程式为重心,讨论传热速率,平均温度差,传热系数的影响因素及计算,传热面积计算与确定,强化传热的途径。难点-传热速率与热负荷的关系。第一节概述4-1 传热

3、过程在化工生产中的应用热量传递是自然界和工程技术领域中极为普遍的一种传递现象。如用手抓冰块时会感到冷, 再如在一根铁棒的一端加热, 过一段时间后其另一端也就变热了。热量传递的起因是由于物体内或系统内两部分之间存在温度差。也即凡是有温度差存在的地方, 就必然有热量的传递, 并且热量总是自发地从高温处向低温处传递。在化工生产中的许多单元操作过程都伴有热量传递现象, 即加热和冷却。例如, 化学反应通常要控制在一定的温度下进行,若为放热反应, 则往往要移走部分或全部反应热量,反之需从外界传热给反应釜。又如蒸发、蒸馏和干燥等单元操作中, 都要向设备输入或输出热量。除此之外, 化工设备的保温、生产过程中的

4、热能的合理利用以及废热( 余热 的回收等等都涉及传热的问题。本章重点讨论传热的基本原理及其典型的设备换热器。4-2 热量传递的基本方式一.热传导(导热conduction先讨论两个问题;冬天,铁凳与木凳温度一样,但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子上,感到冷得多,这是为什么?一杯热牛奶,放在水里比摆在桌子上要冷得快,为什么?若物体各部分之间不发生相对位移,仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导(导热。热传导的条件是系统两部分之间存在温度差,此时热量将从高温部分向低温部分传递,或从高温物体传向与之接触的低温物体。二.热对流(对流convection热对流是指流体各部分之

5、间发生相对位移、冷热流体质点相互掺混所引起的热量传递。热对流仅发生在流体之中, 而且必然伴随有导热现象。在流体中产生对流的原因有二个:一是因流体中各处的温度不同而引起密度的差异, 使轻者上浮, 重者下沉, 流体质点产生相对位移, 这种对流称为自然对流(natural convection。二是因泵或搅拌等外力所致的质点强制流动, 这种对流称为强制对流(forced convection。三 . 辐射radiation任何物体, 只要其绝对温度不为零度 (0 K, 都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量, 同时又不断地吸收来自外界物体的辐射能, 当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等

6、时, 该物体就与外界产生热量的传递。这种传热方式称为热辐射。热辐射线可以在真空中传播, 无需任何介质, 这是热辐射与对流和传导的主要不同点。因此辐射传热的规律就不同于对流和传导。4-3 两流体通过间壁换热与传热速率方程式一、冷热流体热交换形式间壁式换热器-热流体通过间壁将热量传递给冷流体,化工中应用极为广泛。有夹套式热交换器;蛇形式热交换器;套管式热交换器;列管式热交换器;板式热交换器。如图4-1所示。 图4-1 间壁式换热器列管换热器。混合式-冷热流体直接接触。很多人看过电影“洗澡”吧,老式澡堂中水池的水,是将水蒸汽直接通人冷水中,使冷水加热,此即直接混合式。蓄热式-先将热流体的热量储存在热

7、载体上,然后由热载体将热量传递给冷流体、此即蓄热式换热器。如图4-2所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。 图4-2 蓄热式示意图二、传热速率与热通量1、传热速率(rate of heat transferQ或热流量(rate of heat flow-单位时间内通过传热面的热量J/s2、热通量(heat fluxq 或热流密度-单位时间通过单位传热面积传递的热量W/ m2。三、稳态传热与非稳态传热稳态传热(steady-state heat transfer-物体中各点温度只随位置变而不随时间变化。四、两流体通过间壁的传热过程-对流、导热、对流五、传热速率方程式Q=KA t m=推动

8、力/热阻K-总传热系数(overall heat transfer coefficient,W/m2.K。其大小决定于两流体的流动型态,流体性质,设备尺寸大小。t m-推动力,冷热流体的平均温差。第二节热传导4-4 傅立叶定律一、温度场和温度梯度1、温度场(temperature field-某一瞬时,空间所有各点的温度分布。2、温度梯度(temperature gradient -温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。二、傅立叶定律(Fourier s lawdxdt A Q - dx dtA Q -=式中,Q 传热速率,W ; A 导热面积,2m ;比例系数。称为导热系数,11-K m

9、 W ;dxdt 温度梯度,它是个矢量,其方向是沿温度梯度增加的正方向。 如图4-3所示。 图4-3温度梯度之方向示意图Q = -A dxdt =导热推动力/导热热阻 推而广之,则传递过程的普遍关系式为: 过程传递速率=过程的推动力/过程的阻力 (对传热,传质,动量传递“三传”均适用。-导热系数(thermal conductivity(W/m K4-5 导热系数1物理意义-壁面为1m 2,壁厚为1m ,两面温差为1K 时,单位时间内以传导方式所传递的热量。表示物质导热能力的大小,是物质的特性之一。的数值和物质组成,结构,密度,温度,湿度及压差有关。2各种材料的变化规律固体:随着温度的升高而下

10、降气体:随着温度的升高而升高。液体:随着温度的升高而下降。结论 纯金属的银最大,合金次之,依次是建筑材料、液体(水最大、绝热材料,气体最小。保温材料选小的材料,提高传热,选大的金属材料。4-6 平壁的稳态热传导( steady state conduction1单层平壁的稳态热传导积分条件:当x =0 时t =t 1 ;当x =b 时 t = t 2 图4-4 平壁导热示意图Q= A (t 1-t 2/b=t/R= 推动力/阻力注意 t 为壁面两侧的温度差。2多层平壁的热传导Q = t/R 或 (111n i i i n i i it t Q b A +=-= -推动力为各推动力之和(总温度差

11、;总热阻为各层热阻之和。4-7 圆筒壁的稳态热传导1、单层圆筒壁的热传导 图4-5 圆筒壁导热示意图现讨论在半径为r ,厚度为dr 的薄壁圆筒,其传热面积可视为常量,薄壁圆筒温差为dt ,则沿半径方向的导热速率微分方程边界条件:r=,t=,r=, t= 积分: Q = (t 1-t 2/ R R =b /A m其中; A m =2lr mr m = ( r 2 r 1/ln r 2/r 1b = r 2 r 12多层圆筒壁的热传导Q = t /R R =b i /i A mi或(=+=+-=ni n n nni n n r r t t L Q 1111ln 12-推动力为各推动力之和(总温度差

12、;总热阻为各层热阻之和。【例4-1】 在一mm 5.360的钢管外包有两层绝热材料,里层为mm 40的氧化镁粉,平均导热系数1107.0-=K mW ,外层为mm 20的石棉层,其平均导热系数1115.0-=K m W 。现用热电偶测得管内壁的温度为500,最外层表面温度为80,管壁的导热系数1145-=K m W 。试求每米管长的热损失及保温层界面的温度。解:(a 每米管长的热损失(343232121411ln 1ln 1ln 12r r r r r r t t q +-=此处, 03.00035.00265.00265.02053.021=+=r m r , m r m r 09.002.

13、007.007.004.003.043=+=+=,1119107.009.0ln15.0103.007.0ln 07.010265.003.0ln 45180500(14.32-=+-=m W q(b 保温层界面温度3t(232121311ln 1ln 12r r r r t t q +-=03.007.0ln07.010265.003.0ln 451500(14.321913+-=t解得: C t =1323【例4-2】某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成,两层的厚度均为100 mm ,其导热系数分别为0.9 W/(m 及0.7 W/(m 。待操作稳定后,测得炉壁的内表面温度为700,

14、 外表面温度为130。为减少燃烧炉的热损失,在普通砖的外表面增加一层厚度为40 mm, 导热系数为0.06 W/(m的保温材料。操作稳定后,又测得炉内表面温度为740, 外表面温度为90。设两层材料的导热系数不变。计算加保温层后炉壁的热损失比原来减少百分之几?解:设单位面积炉壁的热损失为q(q = Q/S,加保温层前,是双层平壁的热传导 W/m2加保温层后,是三层平壁的热传导 W/m2热损失减少的百分数(q1 q2/q1 =(2240 - 707/2240 = 68.4%【作业】P198 4-4 4-6第三节对流传热4-8 对流传热方程与对流传热系数解放前曾有过这样的民谣:“穷人穷在租里,冷天

15、冷在风里。”为什么“冷天冷在风里”呢?我们坐在教室里,手脸都不感觉得冷,如果开启电扇,扇起风来,就感觉冷了,这是为什么?因为室内空气流速加大,空气将人体表面的热量带走的速率加大,人体内部热量补充不上,所以感觉冷。一杯热牛奶,用均匀搅拌比不搅拌要凉得快,边搅拌边吹风,则凉得更快。前者利用牛奶对流,后者再加上空气对流。空气的流速加大,可加快热量的传递,这是一种什么形式的热量传递呢?我们定义为对流给热。对流给热的定义是,通过流体内分子的定向流动和混合而导致热量的传递。对流给热服从牛顿冷却定律,也称牛顿给热定律。1湍流主体的对流。2滞流内层的热传导。3壁面与靠近壁面的流体间的热传导。有效膜(effec

16、tive film、膜理论模型(film theory model由此,对流给热既受热传导规律制约,又受流体流动规律的支配。是一个极为复杂的过程在同样的温差下,即流动比不流动q大,流速大比流速小q大;化工中换热器内的冷热流体都为湍流流动。湍流时对流给热的热阻主要集中在层流底层。是强化的重要途径。所以 u层流底层厚度对流给热速率。 传热壁面两侧热、冷流体在垂直流动的截面上的温度分布可描绘为上图。 注意 温度分布-传热的热阻主要集中在层流底层。讨论 对流传热方程-牛顿冷却定律牛顿冷却定律的数学表达式。就是:固体对流体的给热传热速率(Q ,与壁面积成正比,与壁面和流体间的温度差(t t w -成正比

17、。Q = i A i (T -T w Q = o A o (t w -t Q = t /R = 推动力/阻力t -推动力-流体平均温度与壁面间温度之差(K。-对流传热系数(convective heat-transfer coefficient 或膜系数(film coefficient,指热流体对壁面或壁面对冷流体(W/m 2.K A -传热面积。A i = d i l A o =d o l4-9 影响膜系数的因素1流体流动产生的原因-自然对流或强制对流。 2流动状况。3流体有无相变化,有相变化的膜系数远大于无相变化的膜系数。 4流体性质。5传热表面的形状,位置,大小。4-10 对流传热中的

18、量纲分析白金汉法步骤Step : 列出影响过程的诸物理量,影响的因素:传热面的特征尺寸,物性,流速(操作条件, g t -单位质 量流体的浮升力;Step : 根据定理确定无因次数群的数目,在此h=8,m=4(长度,质量,时间,温度 则i=8-4=4,即得4个量纲为一的准数。 Step : 确定准数形式列出物理量的因次 =Ku a l bcdec p f(g t h选择m 个(m=4物理量作为i 个(i=4无因次准数的共同物理量,这也正是白金汉法的关键所在。选择时因遵循以下原则: i 不能包括待求的物理量,即共同物理量中不包括 ii 不能同时选用因次相反的物理量,如管径d 和管长, iii选择

19、的共同物理量中应包括该过程中的所有基本因次。因次分析Nusselt 准数-N u=l / Reyndds 准数-Re = lu / Pranclt 准数-Pr =c /Grashof 准数-Gr =g tl 32/2 Nu = KRe a Pr f Gr h 2、 定性温度确定物性数据的温度,通常, 3、 特征尺寸特征尺寸是指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。对管内强制对流给热,圆管,特征尺寸为管内径,非圆管,特征尺寸为当量直径.4-11 流体无相变时对流传热系数的经验关联式与许多因素有关,的求取十分复杂,目前主要通过因次分析法,在大量实验的基础上,得到一些经验的、应用范围受限制的准数关联式。

20、例如圆管内湍流给热系数用如下公式: 低粘度流体:np C du d =8.0023.0当流体被加热时,4.0=n ,流体被冷却时,3.0=n 。高粘度流体:14.033.08.0027.0=w p C du 式中,若流体为气体,则0.114.0=w 若流体被加热,则05.114.0= w 若流体被冷却,则95.014.0= w式中,流体的导热系数,11-K m W ; 流体的粘度,11-s m kg ;p C 流体的比热,11-K kg J ; 流体的密度,3-m kg ;u 流体在管内的流速,1-s m ; d 定形尺寸,此处为管径,m ;给热系数,12-K m W ;w 取管壁温度时的流体

21、粘度,11-s m kg ;圆形管内过渡流时的对流给热系数为: -=8.15Re 1061湍过计算的经验关联式很多。可以查阅化学工程手册的传热分册。一般情况下,值的大致范围如下:空气自然对流,525 12-K mW ; 空气强制对流,30300 12-K m W ;水蒸汽冷凝,10008000 12-K m W ;水沸腾,150030000 12-K m W ;【讨论】1、应用经验式时应注意哪些问题? 首先分析所处理的问题是哪一类? 定性温度 选取公式,注意规定范围,特征尺寸。 建立数量级概念 气 水 =-du 又空气为低粘度流体4.08.08.0Pr (023.0Pr Re 023.0du

22、d d n = 4.08.042698.0(10517.1(068.010831.2023.0=-1231.18-=K m W 校核:60294068.020=d L 故:12.31.18-=K m W 2当物性及设备不改变,仅改变流速,根据上述计算式知 8.0u 现1.8422-=s m u u128.08.088.3131.182(-=K m W uu a a4-12 流体有相变时的对流传热一、蒸汽冷凝时的对流传热1.蒸汽冷凝方式蒸汽冷凝方式膜状冷凝(filnwise condensation滴状冷凝(dropwise condensation 膜状冷凝:当冷凝液能润湿壁面时,则在壁面上形

23、成一层完整的液膜。滴状冷凝:当冷凝液不能润湿壁面,由于表面张力的作用,冷凝液在壁面上形成许多液滴,并沿壁面落下。冷凝液在壁面上不能形成完整的液膜将蒸汽分开,大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中,可供蒸汽冷凝。因此热阻小得多。实验结果表明,滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数大510倍。所以,工业冷凝器的设计都按膜状冷凝考虑。2.冷凝给热过程的热阻当饱和蒸汽与低于其温度的冷壁接触时, 蒸汽凝结为液体,放出汽化潜热。在饱和蒸汽冷凝过程中,汽液两相共存。恒压下只能有一个汽相温度。也即,在冷凝给热时汽相不可能存在温度梯度。由于T汽相内,因此在汽相内不存在任何热阻。在冷凝给热过程中,蒸汽凝结面产生的冷凝液形成

24、液膜并覆盖在壁面上。因此,蒸汽的冷凝只能在冷凝液表面上发生,冷凝时放出的潜热必须通过这层液膜才能传给冷壁。可见,冷凝给热过程的热阻几乎全部集中于冷凝液膜内。这是蒸汽冷凝给热过程的一个主要特点。3、影响冷凝传热的因素除流体的物性、冷凝壁面尺寸及放置位置、冷凝传热温度差等外,还有:(1不凝性气体(空气的影响-安装排气口,定期排放不凝性气体(当含有1%时的空气时,冷凝时的膜系数可降低60%左右。(2蒸汽流速和流向的影响-流速高,会对液膜表面产生明显的粘滞摩擦力,液膜表面的不凝性气体会被吹散;若与液膜流向(向下相同,可加速液膜流动,有利。(3蒸汽过热的影响-冷却与冷凝两个过程(4传热面的形状与布置-冷

25、凝液膜为膜状冷凝传热的主要热阻,如何减薄液膜厚度降低热阻,是强化膜状冷凝传热的关键。二、液体沸腾时的对流传热1、大容器饱和沸腾现象boiling特征-在液体内部的加热壁面上不断有汽泡生成、长大、脱离和浮升到液体表面。汽泡存在和成长的条件-过热度(液体饱和温度与主体温度之差特点-沸腾传热系数远大于无相变时的膜系数(液体对流、液体不断汽化2、沸腾曲线-控制在核状沸腾下操作。自然对流区-过热度小于5K,少量汽泡产生,热量依靠自然对流由壁面到液体主体。核状沸腾(nucleateboiling-过热度增大,汽泡增多。汽泡的激烈运动,使液体受到剧烈的搅拌作用。膜状沸腾(film boiling-过热度继续

26、增大,形成汽膜,热阻大。3、影响沸腾传热的因素液体物性-导热系数和密度增大,粘度和表面张力减小,Q增大温度差-过热度操作压力-提高压力即提高液体饱和温度。加热面状况-清洁、粗糙,可强化沸腾传热。【作业】P199 4-9 4-11第四节传热计算4-14 热量衡算一、传热速率与热负荷的概念及关系(难点1传热速率-换热器本身在一定条件下的换热能力,是换热器本身的特性。2热负荷-换热器中单位时间内冷热流体交换的热量,由生产上的要求决定,是生产上对换热器换热能力的要求。3关系:生产上一般传热速率大于或等于热负荷。二、热量衡算式 Q r =Q l +Q s以某换热器为衡算对象,列出稳定传热时的热量衡算方程

27、。如图4-7所示。 图4-7热平衡方程推导图 (00002211-+-=-+-T C G t C G T C G t C G ph h pc c ph h pc c(1221t t C G T T C G pc c ph h -=-上式即贯穿传热过程始终的热平衡方程。讨论 若热损失在热流体一边,并没有通过传热面,则Q=Ql=Qr-Qs 若热损失在冷流体一边,即把热量传给冷流体后损失的,则Q= Q r =Q l +Q s注意 掌握规律,此处易出错。应用 求载热体的用量或流体的温度。三、热负荷计算1焓差法 Q r = G r (H 1-H 2 Q l = G l (h 2-h 1焓值查附录2显热法

28、 Q r = G r C pr (T 1-T 2 Q l = G l C pl (t 2-t 1C pr ,C pl -为常数或平均温度下的比热。此法应用非常广泛。 Q=GC t 弄清t 的含义。3潜热法 Q r =G r R Q l = G l r发生相变化时使用。4-15 传热平均温度差1恒温传热t m -参与传热的流体在器内任一位置和任一时间,温度不变。t m = T-t2变温传热-参与传热的流体温度随时随地变。分析 流体沿流动方向的温度变化(掌握 (1(2(3(4冷流体恒温热流体恒温两变温流体并流两变温流体逆流一.传热过程的积分表达式定态操作的换热器内冷、热流体的温度沿传热面是变化的。

29、即随传热过程的进行,冷流体温度逐渐上升而热流体温度逐渐下降,所以换热器内各截面上的总推动力亦是变化的。因此,要计算换热器的总热流量Q,或计算传递一定热流量Q所需要的传热面积A,必须对 积分。假定(1传热系数K=常数,即在整个传热面上保持不变。(2为常量,不随T变化。(3热损失不计。 二.操作线与推动力的变化规律为将以上两式积分,必须找出推动力随流体温度T或t的变化规律。现以套管换热器中冷、热流体逆流操作且无相变为例进行积分。 换热器内冷、热流体温度随传热面的变化为:现建立换热器的操作线方程: 在冷流体入口端和任意截面作 热量衡算,则 式中, T t 关系为一直线关系,线上的每一点代表换热器某一

30、截面上冷、热流体的温度,该直线称之为换热器的操作线。 并且,当 在T-t 坐标中作出该直线,如下图AB 直线所示。 作对角线,由图可以看出,总推动力刚好等于操作线和对角线间的垂直距离,即,两直线间的垂直距离必亦随横坐标或纵坐标呈直线变化,在此的变化亦为直线。 所以, 三.传热基本方程式 将代入,又整个换热器作热量衡算可得: 四. 对数平均推动力上面的是逆流操作换热器中两端热、冷流体温度差的对数平均值,亦称对数平均推动力。对数平均推动力恒小于算术平均推动力,特别是当换热器两端推动力相差悬殊时,对数平均值要比算术平均值小得多。当换热器一端两流体温差接近于零时,对数平均推动力将急剧减小。1若换热器两

31、端温差有一为零时,则对数平均温差必为零。这就意味着传递相应的热流量,需要无限大的传递面(。2若3并流(无相变 ,所以在冷、热流体进出口温度相同的条件下,并(逆流操作两端推动力相差较大(小 例如 因此在换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条件下,采用逆流操作,可以节省传热面积。这是逆流操作的优点之一。5一侧有相变 操作线为一水平线 6两侧均有相变(操作线缩为一个点 7错流或折流错流折流 -校正系数可根据P,R两参数和流体流动方式查图P = 冷流体温升/两流体最初温差R = 热流体的温降/冷流体的温升;特例,曲折次数超过4次,8变温传热时流体流动方向的选择从平均温差考虑-逆流节省传热面积。从载热体

32、用量考虑-逆流节省冷却剂或加热剂用量。并流特点-冷流体温度不高于某温度或热流体不低于某温度。【讨论题】用90热水将流量为1000kg/h的原油从20加热到70,原油比热为2.0kj/kg.k。试计算逆流与并流操作所需的加热剂用量。分析:热流体出口温度未知-求G r -必知T2-讨论逆并流极限值并流T2t2逆流T2t1【作业】P 199 4-16 4-18 4-194-16总传热系数一、总传热系数计算式公式推导讨论两流体通过间壁的恒温传热热流体向壁面的对流传热:Q i= i A i(T-T W管壁导热:Q= A m(T W-t W/b管外壁向冷流体的对流传热:Q O= O A O(t W-t稳定

33、传热(加比定律:Q = (T-t/(R1+R2+R3传热方程:Q =K A (T-t1/KA=1/i A i + b/ Am + 1/o A o讨论 1若为平壁 A =A i = A m =A o,则:1/K=1/i+ b/ + 1/o2若为n层平壁,则:1/K=1/i + b/ + 1/o3若固体壁为金属材料,则:1/K=1/i+ 1/o当两个膜系数相差很大时,则K与膜系数小的接近,即热阻总是由热阻大的那一侧对流传热所控制。若提高K,关键是提高膜系数小的那一侧或同时提高。4若为圆筒壁,则必须选基准。内表面为基准:1/K i=1/i+ bd i/ d m + d i/o d o外表面为基准:1

34、/K o=d o/i d i + bd o/ d m + 1/o若do/di小于2时,可近似为平壁。5选基准-通常以膜系数小的那一侧作为基准。【例4-5】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,a i= 6000W/(m2。冷却水管为f252.5mm的钢管,其导热系数l=45 W/(m。试求(1在该状况下的总传热系数;(2若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若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。解(1以管外壁为基准的总传热系数为 由以上计算可以看出管壁的热阻很小,

35、可忽略不计。(2若将管外空气一侧的对流传热系数ao提高一倍,则总传热系数为 总传热系数增加了97.1%。(3若将管内冷却水一侧的对流传热系数ai提高一倍,则总传热系数为 总传热系数只增加了1.6%。讨论由上述计算可以看出,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,要提高一个具体传热过程的总传热系数,必须首先比较传热过程各个环节上的分热阻,对分热阻最大的环节进行强化,这样才能使总传热系数显著提高。结论: 传热系数总是由膜系数小的那一侧流体控制。为了提高传热系数,设法提高小的膜系数。二、污垢热阻-根据经验选取三、换热器中总传热系数的经验值-选大的进行设计4-

36、17 壁温计算 原则上可以由三个方程解三个未知数。由此式可知,在传热过程中热阻大的环节其温差也必然大。金属壁的热阻通常可以忽略,即,于是 此式表明,传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比,壁温必接近于热阻较小或给热系数较大的流体温度。思考题在列管式换热器中,用饱和蒸汽加热空气,分析其传热过程?求传热管壁温接近哪种流体温度?传热系数接近哪种流体的膜系数?4-18 传热计算-设计计算和校核计算分析过程 依据Q=KA tm求传热速率(热负荷求平均推动力求传热系数求传热面积(校核-L or n一、设计型计算的命题方式设计任务:将一定流量G r的热流体自给定温度冷却至指定温度。设计条件:可供使用的冷却介质温

37、度,即冷流体的进口温度。计算目的:确定经济上合理的传热面积A及换热器其它有关尺寸。设计型计算中参数的选择1.由传热任务计算换热器的热流量(热负荷1.作出适当的选择并计算平均推动力.为计算设计者首先必须:(1选择流体的流向,即决定采用逆流、并流还是其它复杂流动方式。(2选择冷却介质的出口温度。3.计算冷、热流体与管壁的对流传热系数和总传热系数K。为求得K,须计算两侧的对流传热系数,故设计者必须决定(1冷、热流体何者走管内,何者走管外(壳程(2选择适当的流速;(3选定适当的污垢热阻。4.由传热基本方程,计算传热面积A,设计必须做到经济上合理,技术上可行,也即最优设计。【例4-6】P169 例4-1

38、9分析:1、水蒸汽消耗量-热量衡算Q r = Q l +Q s热流体-相变化(潜热法;冷流体-温差法2.传热面积(套管长-传热基本方程依据Q=KA t m求传热速率(热负荷-冷流体水在管内,Q=Q l求平均推动力-一流体变温,逆流求传热系数-定基准-管内水的膜系数未知-求膜系数-按步骤进行定性温度-查物性特性尺寸L=d i (若水在管间环隙内流动L=d e=D i-d o雷诺准数Re-判断流型选公式计算比较膜系数的大小,确定基准。求传热面积(管长若考虑热损失为5%,则再计算蒸汽消耗量和传热面积。二、换热器的操作型计算(校核计算例如,判断一个现有换热器对指定的生产任务是否适用。或者预测某些参数的

39、变化对换热器传热能力的影响等。第一类命题给定条件:换热器的传热面积以及有关尺寸,冷、热流体的物理性质,冷、热流体的流量和进口温度以及流体的流动方式。计算目的:冷、热流体的出口温度。计算方法:逆流时,传热联式第二类命题给定条件: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,冷流体的进口温度以及流动方式。计算目的:所需冷流体的流量及出口温度。计算方法:由非线性方程,必须试差迭代求得。由传热联式: 得:求得。 三、传热单元法1、传热效率=Q/Q max=(T1-T2/(T1-t1 or=(t2-t1/ (T1-t12、传热单元数NTU1=(T1-T2/ t m=KA

40、/ G r C prNTU2=(t2-t1/ t m=KA/ G l C pl3、热容流量比R= (GC pmin/( GC pmax逆流时: 对第二类操作型问题,可据已知条件选用其中一组方程,试差求解,即由方程试差求解得【例4-7】某工业酒精精馏塔顶的全凝器,塔顶为工业酒精的饱和蒸汽,温度为78,汽化潜热为1850-=kg kJ H ,蒸汽流率为13340-h kg 。全凝器用mm 5.230铜管,管内通以冷却水。现侧得冷却水在管内的流率15.0-=s m u ,冷却水的进出口温度分别为20和40。在定性温度下水的物理数据如下:37.995-=m kg ,817.0=厘泊,11618.0-=

41、K m W ,114174-=K kg J C p 。已知酒精蒸汽对管壁的冷凝给热系数122268-=K m W ,钢管的导热系数1145-=K m W ,试求该和换热器的传热面积和冷却水消耗量。解: W s kJ Q 5110886.76.78885036003340=-Ct m =-=3.474230.02040782078ln4078(2078(4.08.01023.0 =pC du d4.038.03618.0417410817.010817.07.9955.0025.0025.0618.0023.0=- 12250098.12219569.0-=K m W 11222211d d d

42、 d b K m += 1221020025.02500030.010275.045030.00025.0226811-=+=K m W K2234.163.47102078600m t K Q A m =(211t t C M H M Q p -= (121145.920404174786600-=-=-=s kg t t C Q M p【例4-8】在一传热面积为15.8的m 2的逆流套管换热器中,用油加热冷水。油的流量为2.85kg/s 、进口温度为110;水的流量为0.667 kg/s 、进口温度为35。油和水的平均比热分别为1.9及4.18kJ/(kg.。换热器的总传热系数为320W/

43、(m 2。试求水的出口温度及传热量。 分析:方法一-对数平均温度差法(LMTD 法 水的出口温度t 2- 热量衡算Q r =Q l +Q sG r C pr(T1-T2 = G l C pl(t2-t12.851.9(110-T2=0.6674.18(t2-35(110-T2/ (t2-35=0.515 110-T2=0.515(t2-35Q=KA t m=32015.8(110-t2-(T2-35/ln(110-t2/ (T2-352.851900(110-T2=32015.8(110-T2-(t2-35/ln(110-t2/ (T2-35 ln(110-t2/ (T2-35= 32015.

44、8(0.515-1/ 2.8519000.515=-0.8793(T2-35 /(110-t2 =2.409 t2=90.8传热量Q=G l C pl(t2-t1=0.6674.18(90.8-35=155.6kW方法二-NTU法计算(传热单元数法 故水(冷流体为最小值流体。 查图得=0.73因冷流体为最小值流体,故由传热效率定义式得: 解得水的出口温度为:换热器的传热量为:【作业】P199 4-20 4-24习题课小结一、前提条件:稳定传热二、热量衡算式当Q损失=0时Q L = W h C ph(T1-T2 = W c C pc(t2-t1 = W相r = Q 工艺热负荷放热速率吸热速率相变

45、热传热速率(吸或放三、传热速率方程Q=系数传热面积传热温度差=(/bAt 导热圆筒壁时 ,单层=At 给热=KAt m总传热四、K及t m 注意应用条件单层平壁,圆筒壁厚度不大时注意并流、逆流时t1及t2【例4-9】P200 4-29有一单管程的列管换热器,其规格如下:管径252.5mm ,管长3m ,管数37根。今采用此换热器冷凝并冷却CS 2的饱和蒸汽,自饱和温度46冷却到10。CS 2在管外冷凝,其流量为300kg/h ,比汽化热 为350kJ/kg 。冷却水在管内,进口温度为5,出口温度为32。逆流流动。已知CS 2的冷凝和冷却的总传热系数分别为K 1=291W/m 2.K 和K 2=

46、174W/m 2.K 。试问些换热器是否合用?(均以内表面积计算解:由于饱和蒸汽经过冷凝与冷却两个过程,故要分别进行计算 冷凝过程:查(5+32/=18.5下水的比热容 c p =4.184kJ/kg.K 或按常温下水的比热2018.5 4.18318.510 4.191x x -=- 1.5 4.1838.5 4.191x x -=- 35.55558.5 1.5 6.x x -=-根据热量衡算:r l s Q Q Q =+得:21(hr hl p G R G c t t =- 即:211(300350=4000 4.184(32hr hl p G R G c t t t =-即冷却过程:根

47、据热量衡算:r l s Q Q Q =+得: 1221(hr pr hl pl G c T T G c t t -=- 查(46+10/=28下CS 2的比热容 c p =1.0kJ/kg.K即:1300 1.0(4610 4.184(5hl G t -=- 联立求解,得t 1=7.4传热面积12111222/m m A A A Q K t Q K t =+=+冷凝面积A 11212(467.4(463224.624.36467.4 1.01ln ln4632m t t t K t t -=-冷却面积A 21212(467.4(10533.616.47467.4 2.04ln ln105m t

48、 t t K t t -=-传热面积:1112222/3003501000/360029124.36300 1.01000(4610/360017416.474.11 1.05 5.16m m A Q K t Q K t m =+=+-=+= 换热器本身的面积:237 3.140.0203 6.97i i A n d l m A =故该换热器可以满足要求。【例4-10】某车间需将流量为30m 3/h 、浓度为10%的NaOH 水溶液由20预热至60,然后送入压强为19.62kPa(表压的反应器内。加热介质为127的饱和蒸汽,碱液管全部采用直径为763mm 的钢管。当阀门全开时,管路、换热器及所

49、有局部阻力的当量长度之和为330m 。摩擦系数取0.02。该车间库存一台两管程列管换热器,其规格为:列管尺寸252mm ;长度为3m ;总管数72根。碱液离心泵的特性曲线见图。试计算:1、库存换热器能否满足传热任务?2、离心式碱液泵能否满足输送任务?若能,再求轴功率;3、当碱液泵在上述管路上达到最大输送量时,求碱液的出口温度。在操作条件下,NaOH 水溶液的物性常数为,密度1100kg/m 3,导热系数为0.58W/m ,比热容为3.77kJ/kg ,粘度为1.5mPa s,Pr=0.7,蒸汽冷凝系数为10000W/m 2,钢的导热系数为46.5W/m ,污垢热阻总各为0.0003m 2/W ,忽略热损失。分析:该题为换热器传热性能及泵性能核算的综合题。现分别计算如下: 1、库存换热器传热能力核算,换热器的传热速率为:Q=KA t m 面积 A O = nd O (l -0.1=720.025(3-0.13.14=16.4m 2 传热推动力t m =(T -t 1-(T -t 2/ln(T -t 1/ (T -t 2 =(60-20/ln(127-20/(127-60=85.45K 求传热系数-水的膜系数未知-先求 u= V/A = 304/3.140.0212(72/23600=0.668m/