传热过程计算习题课件

1、4.4.4 总传热速率方程的应用传热面积的计算：K 为常数时：当K为变量，但K随温度呈线性变化时：4.4.4 总传热速率方程的应用传热面积的计算：（3）K 随温度不呈线性变化时：若K 随温度变化不大，可以采用分段计算法： 将换热器分段，每段的K视为常量，将各段计算所得的换热面积相加和。（3）K 随温度不呈线性变化时：用图解积分法或数值积分法求得。例4-10 现要求每小时将500kg的乙醇饱和蒸气（Tb=78.5 ）在换热器内冷凝并冷却至30 ,已知其传热系数在冷凝和冷却时分别为1=3500Wm-2 K-1， 2=700Wm-2 K-1，t1=15 ， t2=35。已知水的传热系数3=1000W

2、m-2 K-1，cp,c=4.2kJkg-1K-1,忽略管壁和污垢热阻,求换热器的传热面积。解：乙醇冷凝放热：乙醇冷却放热：总放热：Q1+Q2=1.41105W冷却水流量用传热速率方程求传热面积，既有相变传热，也有无相变的变温传热，因此将传热面积分段求解，分为冷凝段和冷却段，求得两段分界处的水温，再求其他。78.578.5353015冷凝段两段分界处水温：t=35-17.3=17.7 78.578.5353015冷凝段：78.578.535301517.7 冷却段换热器传热面积S=S1+S2=3.04+1.40=4.44m278.578.535301517.7 2. 实验测定总传热系数K方法：

3、实验测定流体的温度、流量等参数， 通过 计算。例3. 换热器的操作型计算若qm,c=1.2 qm,c，t1、t2不变，应采取什么措施? （忽略管壁热阻和污垢热阻）T1T2t1t28020T=116.3P=1.765105Pa壳间水蒸气冷凝空气湍流例4-11原流量下：新流量下：（2）传热速率原流量下 ，式中0525(1)热量恒算60002000030000100000新流量下，强制湍流，管径不变， 则原流量下新流量下只有提高饱和蒸气的压力才能满足要求。T1= 116.3T2=T1t1=20t2=80P=1.765105PaT1=？qm,c=1.2 qm,c4.4.5 传热单元数法（NTU法） 传

4、热单元法又称传热效率-传热系数法（-NTU)一、传热效率最大可能传热速率：换热器中可能发生最大温差 变化的传热速率。理论上最大的温差：17热容流量：qmcp 由热量衡算得最小值流体可获得较大的温度变化最小值流体：热容流量最小的流体为最小值流体。18二、传热单元数基于冷流体的传热单元数19传热单元数： 量纲为1的函数，反映传热推动力和传热所要求的温度变化。传热推动力，（NTC)c 长度量纲，是传热热阻和流体流动状况的函数。 总传热系数越大，传热单元长度越短，所需传热面积越小。同理，对热流体：传热单元长度Hc:2021三、传热效率与传热单元数的关系根据热量衡算和传热速率方程导出。以单程并流换热器为

5、例推导。并流：令：22三、传热效率与传热单元数的关系同理，逆流时传热效率和传热单元数的关系：若热流体为最小值流体，则令：得出了冷流体为最小值相同的公式。传热单元数法 单程逆流换热器中和 NTU 关系 折流换热器中和 NTU 关系 244.4.6 传热计算示例 例题：用120C的饱和水蒸汽将流量为36m3/h的某稀溶液在双管程列管换热器中从温度为80C上升到95C，每程有直径为252.5mm管子30根，且以管外表面积为基准K=2800 W/m2.C，蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计。求：（1）换热器所需的管长；（2）操作一年后，由于污垢积累，溶液侧的污垢系数增加了0.00009m2.C/W，若

6、维持溶液原流量及进口温度，其出口温度为多少？若又保证溶液原出口温度，可采取什么措施？（定性说明） 溶液的=1000kg/m3；cp=4.2kJ/kg. C。(四) 壁温的计算对稳态传热过程 整理上式可得：壁温总是接近较大一侧的流体温度；若1 2， 则壁温如果管壁两侧有污垢，则(四) 壁温的计算例4-11 在一由252.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口500,出口400。管外为p=981kN/m2压力（绝压）的水沸腾。已知高温气体对流传热系数a1=250W/ m2，水沸腾的对流传热系数a2=10000 W/ m2。忽略污垢热阻。试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw。 解：(a

7、) 总传热系数 以管子内表面积S1为基准 500400(c)计算单位面积传热量 (d)管壁温度 Q/A1=K1tm =242271=65580W/ m2 T-热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值 T=(500+400)/2=450 管内壁温度 (b) 平均温度差 在p=981 kN/m2，水的饱和温度为179 管外壁温度 由此题计算结果可知：由于水沸腾对流传热系数很大，热阻很小，则壁温接近于水的温度，即壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度。又因管壁热阻很小，所以管壁两的温度比较接近。 4.3.3 保温层的临界直径六、 换热器6.1 间壁式换热器（一）管式换热器1.蛇管换热器：沉浸式和

8、喷淋式2.套管式换热器3.列管式换热器（二）板式换热器：夹套换热器、螺旋板式换热器（三）翅片式换热器（四）热管蛇管的形状（2）沉浸式（3）喷淋式（1）沉浸式蛇管换热器整体沉浸式蛇管换热器强化措施：可减少管外空间；容器内加搅拌器。（2）喷淋式蛇管换热器 放置在室外空气流通处。管外流体湍动程度较高，故其给热系数较沉浸式为大; 缺点：喷淋不易均匀。喷淋式换热器2.套管式换热器每一段套管称为一程，长46m，程数由传热而定。优点：简单，能耐高压，可严格逆流，有利传热缺点：接头较多易泄露，单位体积传热面积小。3. 列管式换热器a)单管程单壳程结构：一束装在圆柱型壳体内的圆管，两端再加设封头（端盖）组成。b

9、)多程换热器当流体在管束内(间)流动的距离2个换热器列管长度时，称相应的换热器为多管程(壳程)换热器。 固定管板式管壳式换热器固定管板式换热器：简单，但壳侧不易清洗。浮头式换热器：无温差应力，浮头可拆卸；U型管式换热器：壳体与管束分开，管内清洗难填料函式换热器：浮头和壳体之间采用填料函密封浮头式换热器U型管换热器40U型管换热器特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。圆缺形圆盘形多管程：增大管内流体u，提高管内的加挡板：增大壳程流体的湍动，提高壳程的（二）板式换热器 特点：构造简单，但传热面积受容器壁面的限制，一般不超过10m2，且传热系数也不高。 为强化传热，可在釜内安装搅拌器；为及时移走釜内

10、热量，可在其中安装蛇管。加热蒸汽冷凝水物料釜夹套搅拌器（1）夹套式换热器（2）螺旋板式换热器特点：传热系数高；不易结垢和堵塞；能利用温度较低的热源；结构紧凑。（3）板翅式换热器的板束(4) 平板式换热器流向示意图（三) 翅片式换热器（四）热管热管是一个封闭的金属管，管内有毛细吸液液芯结构，抽除管内全部不凝性气体并充以定量的可气化的工作液体。蒸汽芯网导管吸热蒸发端放热冷凝端热管示意图6.2 换热器传热过程的强化（一）强化传热的途径增大传热面积A： 从改革换热器结构入手，开发单位体积传热面积大的换热器。 A金属材料用量 设备费用 具体措施：设计制造高效紧凑的换热器：波纹形的平板式换热器板间距46m

11、m，其单位体积换热面积是列管换热器的6倍；螺旋管为列管的3倍。如：平板式、板翅式及螺旋板式换热器。 提高传热系数K设法减小对K值影响较大的热阻，即可使K；/ 对K影响不大：管壁厚度较薄，金属大；Ri 、Ro为管内、外侧污垢层的热阻。 垢层热导率很小，即使很薄热阻很大； 1mm垢层热阻=40mm厚钢板的热阻对流传热膜系数i、o：同一数量级，或相差不大同时提高两侧；相差悬殊时，要K，需重点增加小的一方的具体措施：u流体湍动程度 层流底层厚度 ，采用外加脉动或超声波，增加流体的湍动程度。在流体中加入固体颗粒增加传热。Cp，固体 Cp，气体，少量加入即可增加气体的热容量，也可增加气体的湍动程度。采用大

12、的流体作载热体，如熔盐、液态金属等，以降低传热边界层的热阻，增大传热速率。具体措施：设计特殊的传热壁面，使流体在流动过程中不断改变流动方向，促使形成湍流。如翅片结构，内置各种插物：麻花铁、螺旋圈等。增大平均温度差tm两流体采用逆流传热；提高热流体的温度或降低冷流体的温度。根据技术上的可能和经济上的合理性： 选择加热剂或冷却剂。554.6.1 换热器的分类按用途分类： 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器按冷热流体热量交换方式分类：混合式、蓄热式和间壁式主要内容：1. 根据工艺要求，选择适当的换热器类型；2. 通过计算选择合适的换热器规格。564.6.2 间壁式换热器的类型一、夹套换热器57流

13、体流过折流挡板581. 固定管板式特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。592. 浮头式特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修, 结构复杂603. U型管式特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。614.6.3 列管换热器的选用1. 根据工艺任务，计算热负荷2. 计算tm3. 依据经验选取K，估算A4. 确定冷热流体流经管程或壳程，选定u 先按单壳程多管程的计算，如果0.8，应增加壳程数； 由u和V估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。浙江大学本科生课程化工原理第五章 传热过程计算与换热器62/16设计方法及步骤：5.3.1列管式换热器（管壳式

14、换热器）635. 核算K 分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。6. 计算A 根据计算的K和tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%25%的裕量。64选用换热器中的有关问题：(1) 流体流经管程或壳程的选择管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体。壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体。原则：传热效果好，结构简单，清洗方便(2) 流体uuK，在同Q、tm下A，节省设备费；uHf ，操作费用增加；u选择是经济上权衡的问题，但要避免层流流动 。65(3) 换热器中管子的规格和排列方式管子的规格：192mm和252.5mm 管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m排列方式：正三角形正方形直列正方形错列66流体垂直流过管束外流动674.6.4 传热过程的强化途径一、增大tm 提高加热剂T1的温度或降低冷却剂t1的温度 两侧变温情况下，尽量采用逆流流动为了增强传热效率，可采取tm、A/V、K。二、增大A/V 直接接触传热，可增大A 和湍动程度，使Q68 采用高效新型换热器改进传热面结构入手来增大A 和湍动程度，使Q(a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片69三、增大K尽可能利用有相变的热载体（大）用大的热载体，如液体金属Na等减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻提高较小一侧有