热交换的计算

化工基础AnIntroductiontoChemicalIndustryandEngineering教学目的：重点难点：课型：§4.4热交换(heatexchange)的计算学习总传热方程及其推导，比较不同传热形式，并计算各种换热方式的温差，了解强化传热过程的途径。总传热方程及传热温差的计算理论知识复习传导传热（heatconduction）

:对流传热(convectionofheat):平面壁：圆筒壁：FourierheatequationNewtonheatequation§4.4热交换(heatexchange)的计算化工生产中经常用到的传热操作是热流体经管壁或器壁向冷流体传热的过程，该过程称为间壁式热交换或换热。热流体湍流主体冷流体湍流主体Tt器壁Q一、总传热方程

(overallheattransferequation)热流体T一侧壁面TW另一侧壁面tW冷流体t对流传导对流热流体湍流主体冷流体湍流主体Tt•Steadystate:总传热方程:平面壁的总传热方程总传热方程:＆平面壁:K——传热系数(coefficientofheattransfer)

或总传热系数，W.m-2.K-1;R——总热阻，为串联各分热阻的总和。复合平面壁：圆筒壁的总传热方程＆圆筒壁：或基于管外表面积的传热系数K2:以圆管内壁面、外壁面和平均壁面为基准的K值各不相同，但KA一定是相同的。总传热方程：※

K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。传热系数√通过公式计算K√查取相关手册选用经验值(基于管外表面积)√通过实验测定K传热系数的大致范围换热流体K/W.m-2.K-1换热流体K/W.m-2.K-1气体-气体气体-有机物气体-水10~3010~4010~60冷凝水蒸气-气体冷凝水蒸气-有机物冷凝水蒸气-水10~5050~400300~2000油-油油-水水-水100~300150~400800~1800冷凝水蒸气-沸腾轻油冷凝水蒸气-沸腾溶液冷凝水蒸气-沸腾水500~1000300~25002000~4000例题例4-7夹套反应釜的内径为80cm，釜壁碳钢(=50W.m-1.K-1)板厚8mm,衬搪瓷厚3mm(=1.0W.m-1.K-1)，夹套中通饱和水蒸气(h=10000W.m-2.K-1)加热，水蒸气温度为120℃，釜内为有机物(h=250W.m-2.K-1)，温度为80℃。求该条件下单位面积的传热速率和各热阻占总热阻的百分数。解：因内径0.8m≈外径0.822m,可近似作为平面壁，则可见：主要热阻在搪瓷衬里和有机物这一侧。如果忽略水蒸气和碳钢的热阻，计算结果只相差3.6%。例4-8在列管加热器中,20℃原油流经管内(h=200W.m-2.K-1)，管外用120℃饱和水蒸气加热(h=10000W.m-2.K-1)，管子为48mm×2mm无缝钢管(=50W.m-1.K-1)，管内油垢层厚为1mm(=1.0W.m-1.K-1)。求通过每米管长的传热速率。若将h1、h2分别提高一倍，则传热速率有何变化？解：可见：提高原来h已经很大的这侧流体的传热膜系数，对总传热的影响是不大的；而降低热阻大的这侧流体的热阻，对传热速率的提高则是有意义的。r1r’1r2总传热方程:传热温差连续定态传热有两种情况:恒温和变温定态恒温传热:两流体经传热面进行热交换时,沿壁面上两流体的温度不仅不随时间变化，同时也不随壁面的不同位置而变化。如蒸发和蒸馏。K或℃传热温差定态变温传热：传热壁面各点温度不随时间而变化，但随传热面位置不同而不同。冷热并流逆流错流简单折流传热温差并流和逆流特点：在相同的条件下(如相同的换热时间或换热面积)，逆流传热平均温度差大于并流传热平均温度差。逆流比并流换热更完全。并流逆流21t2t2并流传热温度差的前后变化比逆流剧烈。传热温差对数平均温差:热交换的计算例4-11套管换热器中,用一定量的热流体将另一定量的冷流体加热。热流体温度由120℃降到70℃，冷流体由20℃升到60℃。比较并流与逆流的传热温差。T1=120℃T2=70℃t1=20℃t2=60℃T1=120℃t1=20℃t2=60℃T2=70℃解：并流℃℃逆流℃℃℃℃℃根据总传热方程=KAt，传热量相同时，逆流所需的传热面积比并流小，设备尺寸随之可以减小。换热器中冷、热两种流体进行热交换，若忽略热损失，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。热量衡算两种流体均无相变：一种流体有相变：两种流体均有相变：例4-9用134℃的饱和水蒸气(304kPa)通入夹套发生冷凝,使沸腾的甲苯气化成甲苯蒸气送往反应器,甲苯沸点为110.6℃(气化热363.5kJ.kg-1),加热面为1m2,每小时气化200kg甲苯.求传热系数K。若保温后甲苯气化过程尚有10%热损失，求水蒸气每小时消耗量。根据需要传热速率应为：由总传热方程得：水蒸气凝结热2.16×103kJ.kg-1，消耗水蒸气量：定态:解:例4-12在某以一定尺寸的套管换热器中，热流体与冷流体并流换热。热流体由120℃降到70℃，冷流体由20℃到60℃。若换热器及有关条件（流体进口温度及流量等）不变，将并流改为逆流，求冷、热流体排出温度。可设传热系数、物料的比容及设备的热损失不变。解：T1=120℃t1=20℃t2=60℃T2=70℃t1=20℃T1=120℃t’2=？T’2=？℃℃例:用一传热面积为3m2，由25mmk2．5mm的管子组成的单程列管式换热器，用初温为10℃的水将机油由200℃冷却至100℃，水走管内，机油走管间。已知水和机油的质量流量分别是1000kg/h和1200kg/h，其定压质量热容分别为4.18kJ/(kg.K)和2.0kJ/(kg.K),水侧和机油侧的对流传热系数分别是2000w/(m2.K)和250w/(m2.K)

。两流体呈逆流流动(Re＞104)，忽略管壁和污垢的热阻。

(])计算说明该换热器是否合用?(2)夏天当水的初温达到30℃时，而机油的流量及冷却程度不变，问此时换热器是否合用?如何解决，(假设传热系数不变)。例要求每小时冷凝500kg乙醇蒸气,并将凝结液冷却至30C,乙醇的凝结温度为78.5C，凝结热为880kJ.kg-1，液体乙醇的平均比定压热容为2.8kJ.Kg-1.K-1，乙醇蒸气在该条件下的表面传热系数为3500W.m-2.K-1，乙醇液体的表面传热系数为700W.m-2.K-1。冷却水（逆流）的初始温度为15C

，排出温度为35C

，水的表面传热系数为1000W.m-2.K-1。管壁及污垢层的热阻可忽略。水的比定压热容为4.2kJ.Kg-1.K-1。试计算热交换器应有的换热面积。（先求出冷却水的用量，再将冷凝区和冷却区分开计算）78.5oC78.5oC30oC15oC?35oC乙醇水？冷凝区冷却区两种流体均无相变：一种流体有相变：两种流体均有相变：利用总传热速率方程进行计算的过程中，为了使计算简便，通常假设：

(1)传热为定态操作过程；

(2)两流体的比热为常量(可取进、出口的平均值)；

(3)总传热系数Ｋ为常量，即Ｋ值不随换热器的管长而变化；

(4)换热器的热损失可以忽略。逆流与并流传热的比较相同条件（如相同的流体和相同的起始及最终温度）下，逆流比并流有更大的平均传热推动力——传热温差，相应地只要较小的换热面积。并流换热时，冷流体受热后的极限温度只低于或接近于热流体换热后的最终温度。逆流换热时则不受此限制，冷流体受热后的极限温度只低于或接近于热流体的初始温度，热流体换热后的极限温度只高于或接近于冷流体的初始温度，热能能较充分地利用与回收，相应地只要用较少的传热介质（加热剂或冷却剂）就可以达到要求的传热效果。并流传热温度差的前后变化比逆流剧烈。并流的特点及其用途＆并流的特点：初期传热速率大，后期传热速率小。＆用途：有热效应的化学反应；也用于换热时防止过热或过冷的场合。强