《化工原理教学》传热计算ppt课件

1、化工原理化工原理主讲教师：童主讲教师：童汉清汉清4 传热过程的计算传热过程的计算一、热量衡算方程式一、热量衡算方程式 1、显热与潜热、显热与潜热显热概念：温度变化，形状不变。显热概念：温度变化，形状不变。显热计算：比热物理性质，显热计算：比热物理性质，CP：kJ/(kgoC) Q = W CP(t1-t2)潜热概念：温度不变，形状变化。潜热概念：温度不变，形状变化。潜热计算：汽化潜热物理性质，潜热计算：汽化潜热物理性质，R：kJ/kg Q = W R2、热量衡算方程式、热量衡算方程式1冷热流体均无相变冷热流体均无相变热流体的放热量热流体的放热量 = W1 Cp1T1T2 冷流体的吸热量冷流体的

2、吸热量 = W2 Cp2 t2 t1假设不计热损失，那么：热流体的放热量假设不计热损失，那么：热流体的放热量 = 冷流体的吸热量冷流体的吸热量Q = W1 Cp1T1T2 = W2 Cp2t2 t12热流体有相变，冷流体无相变热流体有相变，冷流体无相变热流体的放热量热流体的放热量 = W1 Cp1T1T2 + W1 R冷流体的吸热量冷流体的吸热量 = W2 Cp2 t2 t1假设不计热损失，那么：热流体的放热量假设不计热损失，那么：热流体的放热量 = 冷流体的吸热量冷流体的吸热量Q = W1 Cp1T1T2 + W1 R = W2 Cp2t2 t1假设热损失为假设热损失为Q损，那么：损，那么：

3、Q = W1 Cp1T1T2 + W1 R = W2 Cp2t2 t1+Q损损3冷流体有相变，热流体无相变冷流体有相变，热流体无相变热流体的放热量热流体的放热量 = W1 Cp1T1T2 冷流体的吸热量冷流体的吸热量 = W2 Cp2 t2 t1 + W2 r假设不计热损失，那么：热流体的放热量假设不计热损失，那么：热流体的放热量 = 冷流体的吸热量冷流体的吸热量Q = W1 Cp1T1T2 = W2 Cp2t2 t1 + W2 r 假设热损失为假设热损失为Q损，那么：损，那么：Q = W1 Cp1T1T2 = W2 Cp2t2 t1 + W2 r +Q损损4冷热流体均有相变冷热流体均有相变热

4、流体的放热量热流体的放热量 = W1 Cp1T1T2 + W1R冷流体的吸热量冷流体的吸热量 = W2 Cp2 t2 t1 + W2 r假设不计热损失，那么：热流体的放热量假设不计热损失，那么：热流体的放热量 = 冷流体的吸热量冷流体的吸热量Q = W1Cp1T1T2 +W1R= W2Cp2t2 t1+W2 r 假设热损失为假设热损失为Q损，那么：损，那么：Q=W1Cp1T1T2 +W1R=W2Cp2t2 t1+W2 r +Q损损二、传热速率方程式二、传热速率方程式11WS1TTQ 热1平面壁的传热速率平面壁的传热速率mwW壁SbtTQ 22W冷S1ttQ 对于平面壁对于平面壁QQQQ 冷壁热

5、SSSS 21壁2121wwww2www1w111111bStTSSbStttTTTSttSbtTSTTQ ）（总21111bK 设设那那么么 tSKtTSKQ 平面壁的传热速率平面壁的传热速率2111bStTQ ）（总对于圆筒壁对于圆筒壁QQQQ 冷壁热ooiiooiiwwwwoowwwiiw111111SSbStTSSbStttTTTSttSbtTSTTQmmm 总 对于圆筒壁：传热面积以圆管外外表为基对于圆筒壁：传热面积以圆管外外表为基准进展计算。准进展计算。 ooiio111SSbSSKm tSKtTSKQ外外 ooii11SSbStTQm 总圆筒壁的传热速率圆筒壁的传热速率那那么么设

6、设三、总传热系数三、总传热系数K1、总传热系数、总传热系数K的物理意义的物理意义 温度差为温度差为1oC时，单位时间内经过单位面时，单位时间内经过单位面积的传热量。积的传热量。 单位：单位：W/m2oC 总传热系数总传热系数( (简称传热系数简称传热系数)K)K是评价换热器性能是评价换热器性能的一个重要参数，又是换热器的传热计算所需的根的一个重要参数，又是换热器的传热计算所需的根本数据。本数据。 K K的数值与流体的物性、传热过程的操作条的数值与流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等诸多要素有关，因此件及换热器的类型等诸多要素有关，因此K K值的变动值的变动范围较大。范围较大。 2、总

7、传热系数、总传热系数K的来源的来源 1计算计算平面壁的传热速率平面壁的传热速率2111bStTQ ）（总21111bK tSKtTSKQ 圆筒壁的传热速率圆筒壁的传热速率ooii11SSbStTQm 总ooiio111SSbSSKm tSKtTSKQ外外 设计中应思索污垢热阻的影响，即设计中应思索污垢热阻的影响，即 ooosisooiiimo11ddbdRRKddd管壁外外管壁外外表污垢热表污垢热阻阻管壁内外表管壁内外表污垢热阻污垢热阻总传热系数计算式总传热系数计算式某些常见流体的污垢热阻的阅历值可查附录。某些常见流体的污垢热阻的阅历值可查附录。污垢热阻污垢热阻( (又称污垢系数又称污垢系数)

8、 ) 对现有的换热器，经过实验测取有关的数据，如流体的流量和温度等，然后用总传热速率方程式计算得到K值。 实测的K值不仅可以为换热器的设计提供根据，而且可以了解换热器的性能，从而寻求提高设备传热才干的途径。 2实验测定实验测定 某些情况下管壳式换热器的总传热系数K的阅历值列于表4-6。 从表4-6可看出，通常阅历值的范围较大，设计时可根据实践情况选取中间的某一数值。假设为降低操作费，可选较小的K值；假设为降低设备费，可选较大的K值。二、总传热系数 3选用实践消费的阅历数据选用实践消费的阅历数据提高总传热系数途径的分析提高总传热系数途径的分析 总热阻总热阻= =管内热阻管内热阻+ +管内垢阻管内

9、垢阻+ +壁阻壁阻+ +管外垢阻管外垢阻+ +管外热阻管外热阻oooosisooiiim11ddbdRRKddd壁壁阻阻总热总热阻阻管内管内热阻热阻管内管内垢阻垢阻管管外外垢垢阻阻管管外外热热阻阻3、提高、提高K值的途径值的途径假设传热面为平壁或薄管壁，那么假设传热面为平壁或薄管壁，那么 sisoio111bRRK当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 io111K1000;10211010001101111121K设设 那那么么 现提高现提高 10000 2那那么么 100 1假设提高假设提高 那么那么 10100001101111121K100100011001111

10、121KiK管壁内侧对流传热控制管壁内侧对流传热控制io, 假设管壁内、外侧对流传热控制管壁内、外侧对流传热控制相当假设管壁两侧对流传热热阻很假设管壁两侧对流传热热阻很小，而污垢热阻很大小，而污垢热阻很大污垢热阻控制污垢热阻控制假设io， 那么假设io那么oK管壁外侧对流传热控制管壁外侧对流传热控制 欲提高K值，强化传热，最有效的方法是减小控制热阻。 K值总是接近且永远小于 中的小者。 当两侧对流传热系数相差较大时，K近似等于 中小者。 o,i o,i 当冷热流体对流给热系数相差较大时，当冷热流体对流给热系数相差较大时，K值取决值取决于较小的对流给热系数，所以，要提高总传热系数于较小的对流给热

11、系数，所以，要提高总传热系数值，关键在于从热阻较大的一侧入手，设法添加较值，关键在于从热阻较大的一侧入手，设法添加较小的对流给热系数。小的对流给热系数。四、平均温度差的计算四、平均温度差的计算 1、恒温差传热、恒温差传热 壁面两侧进展热交换的冷热流体，其温度不壁面两侧进展热交换的冷热流体，其温度不随时间及位置而变化。随时间及位置而变化。2、变温差传热、变温差传热 采用对数平均值计算平均温度差传热平均推采用对数平均值计算平均温度差传热平均推进力。进力。 (1) 并流并流冷热流体流动方向一样。冷热流体流动方向一样。 221122112121lnlntTtTtTtTtttttm并 (2) 逆流逆流冷

12、热流体流动方向相反。冷热流体流动方向相反。 122112212121lnlntTtTtTtTtttttm逆 (3) 错流错流冷热流体流动方向垂直。冷热流体流动方向垂直。 (4) 折流折流并流、逆流共存。并流、逆流共存。 错流和折流的平均温度差错流和折流的平均温度差安德华安德华Underwood鲍曼鲍曼Bowman图算法：图算法： 先按逆流操作算出对数平均温度差，再由曲线图先按逆流操作算出对数平均温度差，再由曲线图差出校正系数。差出校正系数。/mtmtt曲线图横坐标曲线图横坐标 1112tTttP冷热流体的最初温差冷流体的温升曲线图纵坐标曲线图纵坐标 1221ttTTR冷流体的温升热流体的温降

13、3、对数平均值与算术平均值、对数平均值与算术平均值例：例：A=8，B=6 2BA 算术平均值算术平均值 对数平均值对数平均值 BAlnBA 7268算术平均值算术平均值 95.668ln68对数平均值对数平均值 假设：假设：A=80，B=6 算术平均值算术平均值 432680对数平均值对数平均值 57.28680ln6802ln212121tttttt结论结论1、对数平均值永远小于算术平均值、对数平均值永远小于算术平均值结论结论2、A、B相差越大，对数平均值比算术平相差越大，对数平均值比算术平均值小的程度越大。均值小的程度越大。4、逆流推进力与并流推进力、逆流推进力与并流推进力245 oC 1

14、75 oC120 oC 160 oC 并流：并流： Ctom9.5110125ln10125160175120245ln160175120245并 逆流：逆流： 245 oC 175 oC160 oC 120 oC Ctom9.685585ln5585120175160245ln120175160245逆结论：逆流推进力大于并流推进力结论：逆流推进力大于并流推进力 例例1、用单程列管换热器预热某物料，物料从管、用单程列管换热器预热某物料，物料从管内流过，流量为内流过，流量为500kg/h，温度由，温度由25oC升至升至65oC，加热介质用热水，热水流量为加热介质用热水，热水流量为1000kg/

15、h，初温为，初温为95oC。知物料的比热为。知物料的比热为3.66kJ/(kgoC)，水的比，水的比热为热为4.17kJ/(kgoC)，换热器的总传热系数，换热器的总传热系数K为为60W/( m2oC)。试计算逆流操作换热器所需的传。试计算逆流操作换热器所需的传热面积。热损失不计热面积。热损失不计例例2：每小时：每小时500的常压苯蒸汽用直立列管换热器加的常压苯蒸汽用直立列管换热器加以冷凝，并冷却到以冷凝，并冷却到30oC。冷却介质为。冷却介质为20oC的冷水，冷的冷水，冷水的出口温度不超越水的出口温度不超越45oC，冷热流体呈逆流流动。知，冷热流体呈逆流流动。知苯蒸汽的冷凝温度为苯蒸汽的冷凝

16、温度为80 oC，汽化潜热为，汽化潜热为390kJ/kg，平，平均比热为均比热为1.86kJ/(kgoC)，并估算出冷凝段的传热系数，并估算出冷凝段的传热系数为为 500W/(m2oC)， 冷 却 段 的 传 热 系 数 为， 冷 却 段 的 传 热 系 数 为 100 W/(m2oC)。试求所需传热面积及冷却水用量。假设。试求所需传热面积及冷却水用量。假设采用并流操作，所需的冷却水用量为多少？采用并流操作，所需的冷却水用量为多少？例例3：某容器内盛有温度为：某容器内盛有温度为105oC的甲苯的甲苯1400kg，于其，于其中装有外外表积为中装有外外表积为3.2m2的蛇管换热器，蛇管内通入的蛇管换热器，蛇管内通入13oC的冷水，知以外外表积为基准的总传热系数为