化工原理课件-两流体间的热量传递

1§5.3

两流体间的热量传递一、两流体通过间壁传热的分析（一）传热过程中冷热流体的接触方式换热方式

2间壁式换热器§5.3

两流体间的热量传递3（二）载热体及其选择载热体：提供或取走热量的流体。起加热作用的载热体称为加热剂；

如水蒸汽、烟道气

如冷却水、空气起冷却作用的载热体称为冷却剂。

在温度不超过180℃的条件下，饱和水蒸汽是最适宜的加热剂；而当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。

§5.3

两流体间的热量传递4（三）对流传热过程分析dtA2A1tWtTWT传热壁冷流体热流体§5.3

两流体间的热量传递5

湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化；

过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；

层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。——层流内层为传递过程的主要阻力Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄§1.3流体流动现象6层流内层对流传热的热阻主要集中在层流内层。减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。§5.3

两流体间的热量传递（四）对流传热速率——牛顿冷却定律温度梯度大，热传导方式温度梯度小，对流方式热传导和对流方式湍流主体过渡区域式中Q──对流传热速率，W；──对流传热系数，W/(m2·℃)；7

Tw

──壁温，℃；

T──流体平均温度，℃；

A──传热面积，m2。§5.3

两流体间的热量传递1.2.

复杂问题简单化表示。推动力：阻力：8二、传热速率与传热系数twTw对流对流导热冷流体热流体tTQ三个串联传热环节：§5.3

两流体间的热量传递9（3）管外对流（1）管内对流（2）管壁热传导对于稳定传热

§5.3

两流体间的热量传递10§5.3

两流体间的热量传递K——总传热系数，W/(m2·K)讨论：1．当传热面为平面时，dA=dA1=dA2=dAm11以内表面为基准(dA=dA1)∴dm——换热管的对数平均直径。其中：K1——以换热管的内表面为基准的总传热系数；§5.3

两流体间的热量传递2．当传热面不等时12以外表面为基准(dA=dA2)以壁表面为基准：近似用平壁计算§5.3

两流体间的热量传递13不同基准所得最后结果相同，但通常计算时以管外表面积为基准。3．1/K值的物理意义总热阻内侧热阻管壁热阻外侧热阻§5.3

两流体间的热量传递4.

两侧污垢热阻Rs1、Rs2145.

总传热系数的探讨K由各环节热阻相加而成，所以原则上减小任何环节热阻，均可提高K值，增大传热速率。总热阻1/K的数值将由其中最大热阻决定。

K由小者决定。（1>>

2

）

提高K有效方法是提高小者。§5.3

两流体间的热量传递污垢会产生较大的热阻。15K的数量级概念（SI制单位）液液：数百气气、气液：数十汽液：上千§5.3

两流体间的热量传递气液热交换时，提高气侧的对流传热系数汽液热交换时，提高液侧的对流传热系数

6.总传热速率方程tm——平均温度差

——总传热速率方程167.壁温估算§5.3

两流体间的热量传递1．大，即b/Am小，热阻小，tW=TW17TW接近于T，即大热阻小侧流体的温度。

3．两侧有污垢

2．当tW=TW，得

§5.3

两流体间的热量传递18三、传热温差和热量衡算无热损失：热流体ms1,T1,cp1T2冷流体ms2,t1,cp2t2（一）热量衡算§5.3

两流体间的热量传递19无相变时

相变时

式中

r──热流体的汽化潜热，kJ/kg；

TS

──热流体的饱和温度，℃。§5.3

两流体间的热量传递20传热计算的出发点和核心：（二）传热平均温度差1.恒温传热2.变温传热tm与流体流向有关§5.3

两流体间的热量传递21逆流并流错流折流A逆流和并流时的tmt2t1T1T2t1t2T1T2逆流并流§5.3

两流体间的热量传递22以逆流为例推导T2t1t2T1dTdtdAAtt2t1Tt§5.3

两流体间的热量传递23又∴(1)§5.3

两流体间的热量传递24又∴(2)(1)、(2)联立得：§5.3

两流体间的热量传递25---------对数平均温差1）也适用于并流

t2tAt1T2T1§5.3

两流体间的热量传递262）较大温差记为t1，较小温差记为t2；3）当t1/t2<2，可用算术平均值代替4）当t1＝t2时B错流和折流时的tm§5.3

两流体间的热量传递27§5.3

两流体间的热量传递管程数：换热器内的管子组数通过在顶盖内装置隔板实现P153图5-1928优点：提高管内流体的流速而增大给热系数；缺点：阻力损失增大，平均温差降低壳程数：流体在壳内流经的次数通过在壳内安装与管束平行的隔板实现§5.3

两流体间的热量传递29C不同流动型式的比较

(1)

在进、出口温度相同的条件下,逆流的平均温度差最大,并流的平均温度差最小,其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。(2)

逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。

§5.3

两流体间的热量传递(3)

采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数，其代价是平均温度差相应减小。如要求冷流体被加热时不得超过某一温度或热流体冷却时不得低于某一温度，应采用并流操作。30三、传热效率-传热单元数法（一）传热计算类型

传热速率方程：

热量衡算方程：（逆、并流）§5.3

两流体间的热量传递（ε-NTU法）31（其他流动情况）

1.设计型计算：设计任务：计算结果：§5.3

两流体间的热量传递将一定流量的热流体自给定温度T1冷却至指定温度T2。设计条件：冷流体的流量及进口温度t1。设备设计尺寸，或某一类型的换热器能否满足要求。则换热器满足要求。32

计算步骤：（1）计算热流量(热负荷)

Q＝ms1cp1(T1-T2)§5.3

两流体间的热量传递（2）计算平均推动力Δtm；（3）计算冷热流体与管壁的对流给热系数及总传热系数；（4）计算传热面积，A＝Q/KΔtm或则换热器满足要求。332.

操作型计算：

第一类：求冷热流体的出口温度。条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷热流体的流量，进口温度以及流体的流动方式。第二类：求所需冷流体的流量及出口温度。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。§5.3

两流体间的热量传递34解：由热量衡算式：由传热速率方程：整理得：例5-11：某气体冷却器总传热面积为20m2，空气质量流量为2.5kg/s，温度为100℃，冷却水的质量流量为2.4kg/s，进口温度为15℃，与空气作逆流流动。换热器的总传热系数为80W/(m℃)，气体和水的平均比热容分别为1.0kJ/(kg℃)和4.187kJ/(kg℃)

。试求两流体出口温度。§5.3

两流体间的热量传递（a）35∴由（a）得：36§5.3

两流体间的热量传递联立求解得：解：由热量衡算式：例2：某气体冷却器总传热面积为20m2，用以将流量为1.4kg/s的某种气体从50℃冷却到35℃。使用的冷却水初温为25℃，与气体作逆流流动。换热器的总传热系数为230W/(m℃)，气体的平均比热容为1.0kJ/(kg℃)。试求冷却水用量及出口水温。由传热基本方程式：37§5.3

两流体间的热量传递将以上数据代入得：（a）（b）由（b）试差求t2，代入（a）求ms2对数平均温差法（LMTD法）（二）传热效率-传热单元数法1.传热效率38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：mscp―热容流量热容流量小的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。§5.3

两流体间的热量传递39§5.3

两流体间的热量传递2.

传热单元数（NTU：numberofheattransferunit）40传热单元数：传热单元数的意义：热流体温度的变化相当于平均温度差的倍数。无因次§5.3

两流体间的热量传递同理：413.

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：逆流：并流：§5.3

两流体间的热量传递其中：42若则：若§5.3

两流体间的热量传递则：43若∴并流：§5.3