




版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
第四章传热HeatTransfer化工原理卢莲英9/21/20231第四章传热化工原理卢莲英7/29/20231第四章传热(Heattransfer)1、掌握内容
传热基本方式、工业换热方式及适用范围;传热基本方程式及其相关参数的计算方法;热量衡算及其应用;传热系数计算及测定方法,设计计算与校核计算;强化传热的方法与途径。
2、理解内容
热负荷与传热速率间的关系,传热机理、传热膜概念,列管换热器的选型方法。
3、了解内容工业换热器的类型、结构、操作原理。
本章学习要求:9/21/20232第四章传热(Heattransfer)1、掌握第一节概述
传热是因温差导致的能量传递过程,又称热传递。由热力学第二定律可知,在有温度差存在时,热量会自发地从高温处传递到低温处。一、传热过程的应用
1、化学反应过程--加热与冷却众所周知,化学反应是化工生产的核心,多数化学反应都有一定的温度条件且伴随着反应热。例如:氨合成反应的操作温度为470~520℃;氨氧化法制备硝酸过程的反应温度为800℃等等。为了达到要求的反应温度,必先对原料进行加热;而这两个过程的反应又都是可逆放热反应,为了保持最佳反应温度、加快正反应速度,则必须及时移走反应放出的热量(若是吸热反应,要保持反应温度,则需及时补充热量)。
9/21/20233第一节概述传热是因温差导致的能量传递过程,又称热传以合成氨生产过程为例:9/21/20234以合成氨生产过程为例:7/29/202342、为物理单元操作创造必要的条件;对某些单元操作过程(如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等)往往需要输入或输出热量,才能保证操作的正常进行。如蒸馏操作中,为使塔釜内的液体不断气化,就需要向塔釜内的液体输入热量,同时,为了使塔顶的蒸气冷凝得到回流液和液体产品,就需要从塔顶蒸气中移出热量。3、提高热能的综合利用和余热的回收。
仍以合成氨生产过程为例,合成塔出口的合成气温度很高,为将合成气中的反应产物氨与反应原料氮、氢气加以分离必须要降温,为提高热量的综合利用和回收余热,可用其副产蒸气或加热循环气等。此外设备与管路的保温等。因此,传热是化工生产过程中的常规单元操作之一。9/21/202352、为物理单元操作创造必要的条件;7/29/20235化工生产中对传热过程的要求通常有以下两种情况:一、强化传热,即加大传热过程速率的过程。如各种换热设备中的传热,要求传热速率快,传热效果好。二、削弱传热,也即减小传热速率的过程。要求传热速率慢,以减少热量或冷量的损失。如设备和管道的保温过程。稳态传热(又称定态传热)。稳态传热的特点是传热速率为常数,并且系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。不稳态传热(又称非定态传热)。传热系统中各点的温度不仅随位置变化且随时间变化。本章中除非另有说明,只讨论稳态传热。
9/21/20236化工生产中对传热过程的要求通常有以下两种情况:7/29/20二、热量传递的基本方式
根据机理的不同,传热有三种基本方式:热传导、热对流和热辐射。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。
(一)热传导
热传导又称导热,是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移的前提下,只要存在温度差,就必然发生热传导。可见热传导不仅发生在固体中,同时也是流体内的一种传热方式。
在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的传热,是凭借流体分子的振动碰撞来实现的,换言之,这两类传热过程也应属于导热的范畴。很显然,导热过程的特点是:在传热过程中传热方向上无质点块的宏观迁移。9/21/20237二、热量传递的基本方式7/29/20237(二)热对流
热对流是利用流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的过程,简称对流。根据造成流体质点在传热方向上的相对运动的原因不同,又可分为强制对流和自然对流。若相对运动是由外力作用引起的,则称为强制对流。如传热过程因泵、风机、搅拌器等对流体做功造成传热方向上质点块的宏观迁移。若相对运动是由于流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异,使流体质点发生相对运动的,则称为自然对流。9/21/20238(二)热对流7/29/20238(三)热辐射热辐射是一种通过电磁波来传递热量的方式。具体地说,物体先将热能转变成辐射能,以电磁波的形式在空中进行传送,当遇到另一个能吸收辐射能的物体时,即被其部分或全部吸收并转变为热能,从而实现传热。根据赫尔-波尔兹曼定律:凡温度高于绝对零度的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去,同时有接受电磁波的能力,且物体的辐射能力大致与物体的绝对温度的4次方成正比。9/21/20239(三)热辐射7/29/20239因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。物体(固体、液体和气体)都能将热能以电磁波形式发射出去,而不需任何介质。1、热辐射不仅产生能量的传递,而且伴随着能量的转换。高温物体辐射向低温物体2、辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。3、任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能,但是只有物体的温度差别较大时,辐射传热才成为最主要的传热方式。高温物体辐射能低温物体9/21/202310因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。物体(固体、三、工业换热器1、混合式换热器主要特点:冷热两种流体间的热交换,是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。优点:传热速度快、效率高,设备简单,是工业换热器的首选类型。典型设备:如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器适用范围:无价值的蒸气冷凝,或其冷凝液不要求是纯粹的物料等,允许冷热两流体直接接触混合的场合。
废蒸气冷水热水9/21/202311三、工业换热器废蒸气冷水热水7/29/2023112、间壁式换热器主要特点:冷热两种流体被一固体间壁所隔开,在换热过程中,两种流体互不接触,热量由热流体通过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。优点:传热速度较快,适用范围广,热量的综合利用和回收便利。缺点:造价高,流动阻力大,动力消耗大。典型设备:列管式换热器、套管式换热器。适用范围;不许直接混合的两种流体间的热交换。9/21/2023122、间壁式换热器7/29/202312图4-2间壁式换热器——列管换热器。
9/21/202313图4-2间壁式换热器——列管换热器。7/29/202313、中间载热体式换热器中间载热体式换热器,又称热媒式换热器。其换热原理是:将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体(称为热媒)连接起来,载热体在高温流体换热器中从热流体吸收热量后,带至低温流体换热器传给冷流体。如空调的制冷循环、太阳能供热设备、热管式换热器等均属此类。此类换热过程广泛应用于核能工业、冷冻技术及工厂余热利用中。9/21/2023143、中间载热体式换热器7/29/202314换热器还可以按其他方式进行分类,有关其他分类方法和换热器的结构、特点等内容,将在后文中详细介绍。9/21/202315换热器还可以按其他方式进行分类,有关其他分类方法和换热器的结四、传热速率和热通量1、传热速率Q(rateofheattransfer)(热流量rateofheatflow)指单位时间内通过传热面的热量。整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力,单位为W;q=Q/A2、热通量q(heatflux)或热流密度(densityofheatflowrate)指单位时间内通过单位传热面积缩传递的热量。在一定的传热速率下,q越大,所需的传热面积越小。因此,热通量是反映传热强度的指标,又称为热流强度,单位为W/m2。9/21/202316四、传热速率和热通量7/29/202316稳态传热(steady-stateheattransfer)--物体中各点温度只随位置变而不随时间变化。Q=KA△tm=推动力/热阻
K----总传热系数(overallheattransfercoefficient),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。
△tm---推动力,冷热流体的平均温差。五、稳态传热与非稳态传热六、两流体通过间壁的传热过程--对流、导热、对流七、传热速率方程式应用:设计计算与校核计算;强化传热的途径9/21/202317稳态传热(steady-stateheattransfe第二节热传导一、傅立叶定律(一)导热的分类由热传导引起的传热速率称为导热速率,其与导热体内部的温度分布情况有关。导热体内部在空间和时间上的温度分布称为温度场。若温度场内各点的温度随时间变化,则称为不稳定温度场。可用数学表达式表示为:
t=f(x,y,z,θ)9/21/202318第二节热传导一、傅立叶定律若温度场内各点的温度随时间变化,式中t——温度,℃;x、y、z——任一点的空间坐标;θ——时间,s。显然,不稳定温度场中的导热为不稳定导热(又称非定态导热)。例如,从燃烧炉夹出的煤块,内外温度随时间变化,其导热速率也随时间变化。
9/21/202319式中7/29/202319若温度场内各点的温度不随时间改变,则称为稳定温度场。稳定温度场中的导热即为稳定导热(又称定态导热)。可用数学表达式表示为:t=f(x,y,z)
稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等温面。当稳定温度场中的温度只沿空间某一方向变化时,称为一维稳定温度场,此时的导热称为一维稳定导热。可用数学表达式表示为:t=f(x)9/21/202320若温度场内各点的温度不随时间改变,则称为稳定温度场。稳定温度(二)傅立叶定律导热过程的导热速率可借助傅立叶定律确定。傅立叶定律表明了导热体的导热速率与导热方向上温度的变化率和垂直于导热方向的导热面积成正比。对一维稳定导热过程,傅立叶定律可表述为
9/21/202321(二)傅立叶定律导热过程的导热速率可借助傅立叶定律确定。傅立上式中,称为温度梯度。由于导热方向为温度下降的方向,故需在右端加一负号。若要将上式写成等式,则需引入一比例系数λ,即
式中Q——导热速率,指导热体在单位时间内传递的热量,J/s或W;
——比例系数,称为导热系数,J/s∙m∙℃或W/m∙℃;A——导热面积,m2。上式即为一维稳定导热过程的傅立叶定律的数学表达式,是一维稳定导热计算的基本公式。
9/21/202322上式中,称为温度梯度。由于导热方向为温度下降的二、导热系数将上式改写为上式即为导热系数的定义式。其表明导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。它是表征物质导热性能的一个物性参数,
越大,导热性能越好。导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数值差别极大,一般而言,金属的导热系数最大,非金属次之,而气体最小。9/21/202323二、导热系数上式即为导热系数的定义式。其表明导热系数在数值上1.气体的导热系数与液体和固体相比,气体的导热系数最小,对导热不利,但却有利于保温和绝热。工业上所使用的保温材料(如玻璃棉等)就是因为其空隙中有大量静止的空气,所以其导热系数很小,适用于保温隔热。气体的导热系数随着温度的升高而增大;这与温度升高后气体分子的热运动加剧,碰撞机会增多有关。而在相当大的压强范围内,气体的导热系数随压强的变化很小,可以忽略不计,只有当压强很高(大于200MPa)或很低(小于2.7kPa)时,才应考虑压强的影响,此时导热系数随压强的升高而增大。
9/21/2023241.气体的导热系数与液体和固体相比,气体的导热系数最小,对导2.液体的导热系数液体可分为金属液体(液态金属)和非金属液体。液态金属的导热系数比一般液体的高,其中熔融的纯纳具有较高的导热系数,大多数金属液体的导热系数随温度的升高而降低。在非金属液体中,水的导热系数最大。除水和甘油外,大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。液体的导热系数基本上与压强无关。9/21/2023252.液体的导热系数液体可分为金属液体(液态金属)和非金属液体3.固体的导热系数导热性能与导电性能密切相关,一般而言,良好的导电体必然是良好的导热体,反之亦然。在所有固体中,金属的导热性能最好。大多数金属的导热系数随着温度的升高而降低,随着纯度的增加而增大,也即合金比纯金属的导热系数要低。非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程度及温度有关。大多数非金属固体的导热系数随密度增加而增大;在密度一定的前提下,其导热系数与温度呈线性关系,随温度升高而增大。应予指出,在导热过程中导热体内的温度沿传热方向发生变化,其导热系数也在变化,但在工程计算中,为简便起见通常使用平均导热系数。9/21/2023263.固体的导热系数导热性能与导电性能密切相关,一般而言,良三、平壁的稳态热传导1、单层平壁导热如图4-3所示,若平壁的面积A与厚度b相比很大,则从边缘处的散热可以忽略,壁内温度只沿垂直于壁面的x方向发生变化,即所有等温面是垂直于x轴的平面,且壁面的温度不随时间变化,显然为一维稳定导热。9/21/202327三、平壁的稳态热传导1、单层平壁导热7/29/202327由傅立叶定律
Qt1t2b9/21/202328由傅立叶定律Qt1t2b7/29/2023282、多层平壁热传导
在稳定传热时,通过上述串联平壁的导热速率都是相等的。即
根据等比定律则有b1b2b3Qtt1t2t3t4x9/21/2023292、多层平壁热传导在稳定传热时,通过上述串联平壁的导热速率化简得若由三层平壁导热向n层平壁推广,其导热速率方程式则为:式中下标i为平壁的序号。注意△t--壁面两侧的温度之差9/21/202330化简得7/29/202330四、圆筒壁的稳态热传导
1、单层圆筒壁导热化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导热问题。它与平壁导热的不同之处在于:温度随半径而变;此时傅立叶定律应改写为圆筒壁的导热面积随半径而变,A=2πrL。
9/21/202331四、圆筒壁的稳态热传导
1、单层圆筒壁导热化工生产中的导热问如图所示,设圆筒壁的内、外半径分别为r1和r2长度为L;内、外表面温度分别为t1和t2,且t1>t2;管材导热系数为λ。则由傅立叶定律有:因稳定过程导热体的导热速率为常数,若导热体的导热系数可视为常数或可取平均值,则上式中仅包含温度t和半径r两个变量。9/21/202332如图所示,设圆筒壁的内、外半径分别为r1和r2长度为L;内、将上式分离变量,并根据r=r1,t=t1;r=r2,t=t2的边界条件积分。即:积分得:
式中即为圆筒壁的导热热阻。上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式,该式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计算式的形式。9/21/202333将上式分离变量,并根据r=r1,t=t1;r=r2,t=t22、多层圆筒壁导热计算与多层平壁相似,对于多层圆筒壁,其导热速率方程可以表示为:9/21/2023342、多层圆筒壁导热计算与多层平壁相似,对于多层圆筒壁,其导热【例4-1】在一φ60×3.5mm的钢管外包有两层绝热材料,里层为40mm的氧化镁粉,平均导热系数λ=0.07W.m-1·K-1,外层为20mm的石棉层,其平均导热系数λ=0.15W.m-1·K-1.现用热电偶测得管内壁的温度为500Ċ,最外层表面温度为80Ċ,管壁的导热系数λ=45W.m-1·K-1.试求每米管长的热损失及保温层界面的温度.(类似P139:例4-4)解(a)每米管长的热损失
此处,9/21/202335【例4-1】在一φ60×3.5mm的钢管外包有两层绝热材料,9/21/2023367/29/202336【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100mm,其导热系数分别为0.9W/(m·℃)及0.7W/(m·℃)。待操作稳定后,测得炉壁的内表面温度为700℃,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40mm,导热系数为0.06W/(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/A),加保温层前,是双层平壁的热传导9/21/202337【例4-2】某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成,两层加保温层后,是三层平壁的热传导热损失减少的百分数
(q1–q2)/q1=(2240-707)/2240=68.4%9/21/202338加保温层后,是三层平壁的热传导热损失减少的百分数7/29【例4-3】某冷库的墙壁由三层材料构成,内层为软木,厚15mm,导热系数0.043W/(m·℃),中层为石棉板,厚40mm,导热系数0.10W/(m·℃),外层为混凝土,厚200mm,导热系数1.3W/(m·℃),测得内墙表面为-18℃,外墙表面温度为24℃,计算每平方米墙面的冷损失量;若将内、中层材料互换而厚度不变,冷损失量将如何变化。解t1=18℃,t4=24℃,λ1=0.043W/(m·℃),λ2=0.10W/(m·℃),λ3=1.3W/(m·℃)9/21/202339【例4-3】某冷库的墙壁由三层材料构成,内层为软木,厚15mt1=-18℃,t4=24℃,λ1′=0.10W/(m·℃),λ2′=0.043W/(m·℃),λ3=1.3W/(m·℃)互换材料后,由于导热热阻的增大,使得冷量损失减少。在使用多层材料保温时要注意热阻的分配。保温时,导热系数小的放在里层好
9/21/202340t1=-18℃,t4=24℃,λ1′=0.10W/(m·℃Problem1P198:Exercisesno.4-4andno.4-6ThankYou!9/21/202341Problem1P198:ThankYou!7/29第三节对流传热一、对流传热的分析1、滞流内层:流体呈滞流流动,沿壁面法向没有质点的移动和混合,即没有对流传热,传热方式仅是热传导。因为液体导热系数小,因此热阻较大,温度梯度大。2、缓冲层:流体流动介于滞流和湍流之间,热传导和对流传热同时起作用,热阻较小。3、湍流主体:质点剧烈运动,完全混合,温度基本均匀,无温度梯度。因此,对流传热的热阻主要集中在滞流内层,减薄其厚度是强化传热过程的关键。9/21/202342第三节对流传热一、对流传热的分析7/29/202349/21/2023437/29/202343二、对流传热速率方程
(牛顿冷却定律)由前面讨论知,对流传热是一个复杂的过程影响因素很多,因此计算是只能用半理论半经验的公式:对流传热速率=对流传热推动力/阻力=系数×推动力Q=αAΔtΔt——流体平均温度与壁面平均温度之差值℃α——对流传热系数(convectiveheat-transfercoefficient)或膜系数(filmcoefficient)W/m2℃,非物性常数流体与壁面间的平均温度差为1℃,面积为1/m2的热通量,对流传热系数越大,传热越剧烈。9/21/202344二、对流传热速率方程(牛顿冷却定律)7/29/202344对流传热是流体在外界条件作用下,在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程,因此影响h的主要因素是:1.流体的种类和相变化情况α气体<α液体α有相变>α无相变
2.流体的物性对α影响较大的流体物性有导热系数λ、粘度μ、比热Cp、密度ρ及对自然对流影响较大的体积膨胀系数β。具体地:
λ↑、μ↓、Cp↑、ρ↑、β↑→α↑三、影响对流传热系数的因素9/21/202345对流传热是流体在外界条件作用下,在一定几何形状、尺寸的设备3.流体的温度流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差Δt,流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。在传热计算过程中,当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。4.流体的流动状态流体呈湍流时,随着Re的增加,滞流底层的厚度减薄,阻力降低,α增大。流体呈滞流时,流体在热流方向上基本没有混杂作用,故α较湍流时小。即:
α滞流<α湍流
5.流体流动的原因自然对流:由于流体内部存在温度差,因而各部分的流体密度不同,引起流体质点的相对位移。强制对流:由于外来的作用,迫使流体流动。α自然对流<α强制对流9/21/2023463.流体的温度流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温6.传热面的形状、位置和大小传热壁面的几何因素对流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度分布都有较大影响,从而影响对流传热。如流体流过平板与管内的流动就不同,在自然对流时垂直热表面侧的流体就比水平热表面下面的流体自然对流条件要好。因此必须考虑传热面的特定几何条件对传热的影响,一般采用对对流传热有决定性影响的特征尺寸作为计算依据,称为定性尺寸。9/21/2023476.传热面的形状、位置和大小7/29/2023471、流体无相变时各准数的名称、符号、意义如下:准数式符号名称意义Nu努寒尔特准数(Nusselt)表示对流传热强弱程度的准数Re雷诺准数(Reynolds)反映流体流动湍动程度的准数Pr普兰特准数(Prandtl)反映物性对传热影响的准数Gr格拉斯霍夫准数(Grashof)反映自然对流强弱程度的准数四、对流传热的特征数关系式9/21/2023481、流体无相变时各准数的名称、符号、意义如下:准数式符号名称9/21/2023497/29/2023499/21/2023507/29/2023509/21/2023517/29/2023519/21/2023527/29/2023529/21/2023537/29/202353:准数之间通常用指数方程表示:Nu=CRemPrnGri其中c,m,n,i都是针对不同的情况下具体条件而测得的,这些值测得后,即可计算出对流传热系数。自然对流Re=0Nu=CPrnGri强制对流Gr=0Nu=CRemPrn2、流体有相变化时对于蒸气冷凝时Nu=f(Ga,Pr,KD)Ga=gl3ρ2/μ2伽利略准数KD=r/CpΔt冷凝准数一般情况下Nu=C(Ga,Pr,KD)n9/21/202354:2、流体有相变化时7/29/202354四、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式1、流体无相变时的对流传热系数①流体在管内作强制对流1)流体在圆形直管内作强制湍流a、低粘度(粘度小于2倍常温下水的粘度)的流体Nu=0.023Re0.8Prn或α=0.023λ/l(luρ/μ)0.8(Cpμ/λ)n应用范围:Re>100000.7<Pr<160L/di>60;特征尺寸:l取管内径di定性温度:流体进出口主体温度的算术平均值。其中n与热流方向有关,流体被加热时,n=0.4被冷却时n=0.3.9/21/202355四、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式7/29/2023b、高粘度液体Nu=0.027Re0.8Pr0.33(μ/μw)0.14μ:液体在主体平均温度下的粘度μw:液体在壁温下的粘度其中(μ/μw)0.14一项是考虑热流方向影响的校正项。在工程计算时,液体加热(μ/μw)0.14=1.05,液体被冷却时(μ/μw)0.14=0.959/21/202356b、高粘度液体7/29/202356由于滞流内层的厚度粘度随热流方向的不同而不同,液体被加热是,滞流内层的温度比主体温度高,又粘度反比于温度,因此滞流内层厚度减薄,致使对流传热系数增大。液体被冷却上,情况相反,对于液体Pr>1即Pr0.4>Pr0.3.因此加热时n=0.4。
2)流体在圆形直管内强制滞流a.自然对流可以忽略Nu=1.86Re0.33Pr0.33(di/L)0.33(μ/μw)0.14应用范围:Re<2000,L/di>60,RePrdi/L>10特征尺寸:di定性温度:平均温度(μw除外)9/21/202357由于滞流内层的厚度粘度随热流方向的不同而不同,液体被加热是,3)流体在圆形直管内作强制对流于过渡状态当Re=2300~10000α先按湍流时计算然后再用式φ=1-600000/Re1.8求出校正系数。φ<14)流体在弯管内强制对流在弯管内,由于离心力的作用,扰动加剧,较直管时大α`=α(1+1.77d/R)α`:弯管α:直管R:曲率半径5)流体在非圆形直管内强制对流计算当量直径,再用上面公式。9/21/2023583)流体在圆形直管内作强制对流于过渡状态7/29/202359/21/2023597/29/2023592、流体在管外强制对流1)流体在管束外强制垂直流动2)流体在换热器的管间流动二、液体有相变时的对流传热系数1、蒸气冷凝膜状冷凝;若冷凝液能够润湿壁面,则在壁面上形成一层完整的液膜,故称为膜状冷凝。滴状冷凝:若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,此种冷凝称为滴状冷凝。工业上遇到的大多是膜状冷凝,因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理,下面介绍纯净的饱和蒸气膜状冷凝的传热系数的计算方法。9/21/2023602、流体在管外强制对流7/29/2023602、液体的沸腾大容器沸腾:将加热面浸没在液体中,液体在壁面处受热沸腾,称大容器沸腾。管内沸腾:使液体在管内流动时受热沸腾,称管内沸腾。实验表明,大容器内液体饱和沸腾的情况随温度差Δt=tw-ts而变。下面以常压下水在大容器中沸腾传热为例,分析沸腾温度差Δt对传热系数和热通量q的影响。临界点c:由泡状沸腾向膜状沸腾的转折点。α泡状沸腾>α膜状沸腾,因此应控制在泡状区域内,其它液体在不同压强下的沸腾曲线与水的相类似,仅临界点的数值不同。25°C5°C沸腾温差Δt°C热通量q传热系数α9/21/2023612、液体的沸腾25°C5°C沸腾温差Δt°C热通量q传热系3影响沸腾传热的因素(1)液体物性液体的导热系数、密度、粘度、表面张力等对沸腾传热都有影响。一般α随k、ρ的增大、μ和σ的减少而增大。(2)温度差△t温差△t=tw-ts是影响沸腾传热的重要因素。在核状沸腾区:α=a(△t)n。式中a和n是根据液体种类、操作压强和壁面性质而定的常数,一般n=2~3。(3)操作压强提高操作压强即相当于提高了液体的饱和温度,使液体的表面张力和粘度下降,有利于汽泡的形成和脱离,使沸腾传热增强,在同样的△t下能得到更高的α。(4)加热壁面加热面的材料不同,光洁度不同,则形成汽化核心的条件不同,对沸腾传热有显著影响。通常新的清洁加热面α较高,当壁面被油脂沾污后,会使h急剧下降;壁面愈粗糙,汽化核心愈多,有利于沸腾传热。此外加热面的布置对沸腾传热也有明显影响,如在水平管束外沸腾时,其上升汽泡会覆盖上方管的一部分加热面,导致管的平均α下降。9/21/2023623影响沸腾传热的因素(1)液体物性液体的导热系数、α值的大致范围一般情况下,α值的大致范围如下:空气自然对流,5~25W/m.K;空气强制对流,30~300W/m.K;水蒸汽冷凝,1000~8000W/m.K;水沸腾,1500~30000W/m.K;9/21/202363α值的大致范围一般情况下,α值的大致范围如下:7/29/20应用准数关联式应注意的问题对应各种不同情况下的对流传热的具体函数关系是由实验确定的,在整理实验结果及使用方程式中应注意以下问题:1.应用范围关联式中Re、Pr、Gr等准数的数值范围等。2.定性温度各准数中决定物性参数的温度,有3种表示方法:取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2为定性温度取壁面平均温度t=(tw+Tw)/2为定性温度取流体和壁面的平均温度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2为定性温度壁温多为未知数,需用试差法,故工程上多用第一种方法3.特征尺寸无量纲准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸l。通常选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。9/21/202364应用准数关联式应注意的问题对应各种不同情况下的对流传热的具体9/21/2023657/29/202365【例4-4】一套管换热器,管套为Φ89×3.5mm钢管,内管为Φ25×2.5mm钢管,管长为2m,环隙中为p=100kPa的饱和水蒸汽冷凝,冷却水在内管中流过,进口温度为15℃,出口为35℃。冷却水流速为0.4m/s,试求管壁对水的对流传热系数。解:此题为水在圆形直管内流动定性温度查得25℃时水的物性数据(见附录)如下:9/21/202366【例4-4】一套管换热器,管套为Φ89×3.5mm钢管,内可按p143式(4-18)计算,水被加热,校正系数过渡流9/21/202367可按p143式(4-18)计算,水被加热,校正系数过渡流【例4-5】空气以4m/s的流速通过一Φ75.5×3.75mm的钢管,管长20m。空气入口温度为305K,出口温度为341K,试计算:1)空气与管壁间的对流传热系数。2)如空气流速增加一倍,其它的条件均不变,对流传热系数又为多少?解:此题为无相变时流体在管内作强制流动时对流传热系数,故首先判断流动类型,再选用对应关联式计算:9/21/202368【例4-5】空气以4m/s的流速通过一Φ75.5×39/21/2023697/29/2023699/21/2023707/29/202370Problem2P199:Exercisesno.4-9andno.4-11
ThankYou!9/21/202371Problem2P199:ThankYou!7/29第四节传热计算一、热量衡算换热器的热负荷计算:1、焓差法:Q=qm热(H1-H2)=qm冷(h2-h1)--焓值查附录2、显热法:无相变化时Q=qm热c热(T1-T2)=qm冷c冷(t2-t1)cpr,cpl---为常数或平均温度下的比热。此法应用非常广泛。Q=qmcp△t弄清△t的含义。3、潜热法:此法用于载热体在热交换中发生相的变化
Q=qm热r热=qm冷r冷9/21/202372第四节传热计算7/29/202372二、传热速率方程
Q=KAΔtm=____【热量衡算式】如120℃蒸汽变成40℃水所放出的热量是多少?Q=αAΔt注意各符号的含义9/21/202373【热量衡算式】如120℃蒸汽变成40℃水所放出的热量是多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。传热速率与热负荷的概念及关系(难点)[讨论]
①若热损失在热流体一边,并没有通过传热面,则Q=Ql=Qr-Qs②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=Qr=Ql+Qs
[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。9/21/2023741·传热速率---换热器本身在一定条件下的换热能力,是换热器三、传热温度差的计算在间壁式换热器中,按照参加热交换的两种流体,在沿着换热器的传热面流动时,各点温度变化的情况,可将传热过程分为恒温传热和变温传热两种。(一)恒温传热与变温传热1、恒温传热—蒸发(溶液沸腾和蒸汽冷凝)由于恒温传热时,冷热两种流体的温度都维持不变,所以两流体间的传热温度差亦为定值。即Δtm=T-t2、变温传热间壁一边流体变温而另一边流体恒温间壁两侧流体变温
9/21/202375三、传热温度差的计算7/29/202375(二)平均温度差Δtm的计算逆流:参与热交换的两种流体在间壁的两边分别以相反的方向运动。
并流:参与热交换的两种流体在间壁的两边以相同的方向流动。
错流:参加热交换的两种流体在间壁的两边,呈垂直方向流动称为错流。折流:参加热交换的两种流体在间壁两边,其中之一只沿一个方向流动,此称为简单折流,若两流体均作折流,或既有折流又有错流的称为复杂折流。9/21/202376(二)平均温度差Δtm的计算7/29/202376并流逆流错流折流9/21/202377并流逆流错流折流7/29/2023779/21/2023787/29/202378t1Tt2T1t2t1T2一侧流体变温:逆流与并流一样
9/21/202379t1Tt2T1t2t1T2一侧流体变温:逆流与并流一样7/2定态操作的换热器内冷、热流体的温度沿传热面是变化的。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(T-t)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,必须对下式积分1、传热过程的积分表达式9/21/202380定态操作的换热器内冷、热流体的温度沿传热面是变化的。即随传热假定(1)传热系数K=常数,即在整个传热面上保持不变。(2)cp1,cp2为常量,不随T变化。(3)热损失不计。2、操作线与推动力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9/21/202381假定(1)传热系数K=常数,即在整个传热面上保持不变。(2)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9/21/202382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∴
T~t关系为一直线关系,线上的每一点代表换热器某一截面上冷、热流体的温度,该直线称之为换热器的操作线。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。9/21/202383∴
T~t关系为一直线关系,线上的每一点代表换热器某一截面3、传热基本方程式将
代入
又整个换热器作热量衡算可得:
9/21/2023843、传热基本方程式将代入又整个换热器作热量衡算可得:74、对数平均推动力
1)若换热器两端温差有一为零时,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9/21/2023854、对数平均推动力1)若换热器两端温差有一为零时,则对数平2)若3)并流(无相变)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),所以9/21/2023862)若3)并流(无相变)在冷、热流体进出口温度相同的条件下例如4)一侧有相变操作线为一水平线9/21/202387例如4)一侧有相变操作线为一水平线7/29/2023875)两侧均有相变(操作线缩为一个点)9/21/2023885)两侧均有相变(操作线缩为一个点)7/29/2023886)对于错流和折流时的平均温度差:Δtm=φΔtΔtm逆φΔt<1,一般φΔt不宜小于0.8,否则使Δtm过小,很不经济。根据参数R、P查p160图4-25可知φΔt9/21/2023896)对于错流和折流时的平均温度差:7/29/202389。
。7)·变温传热时流体流动方向的选择①从平均温差考虑----逆流节省传热面积②从载热体用量考虑---逆流节省冷却剂或加热剂用量。③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9/21/2023907)·变温传热时流体流动方向的选择①从平均温差考虑---【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qmr----必知T2-----讨论逆并流极限值
并流T2≥t2
逆流T2≥t19/21/202391【讨论题】用90℃热水将流量为1000kg/h的原油从20℃Problem3P199:Exercisesno.4-16,no.4-18andno.4-19ThankYou!9/21/202392Problem3P199:ThankYou!7/29四、传热系数
由传热基本方程有W/m2∙℃可知,传热系数在数值上等于在传热温差为1℃时的传热通量。传热系数是评价换热器传热性能的重要参数,也是对传热设备进行工艺设计的依据。影响传热系数K值的因素很多,主要有换热器的类型、流体的种类和性质以及操作条件等。9/21/202393四、传热系数由传热基本方程有7/29/202393(一)传热系数的确定方法在换热器的工艺计算过程中,传热系数K的来源主要有以下三个方面:1、现场测定
对于已有换热器,传热系数K可通过现场测定法来确定。具体方法是:(1)现场测定有关的数据(如流体的流量和进出口温度等);(2)根据测定数据求得传热速率Q、传热温度差Δtm和传热面积A;(3)由传热基本方程计算K值。
9/21/202394(一)传热系数的确定方法在换热器的工艺计算过程中,传热系数K2、公式计算
在换热器结构确定的前提下,传热系数K可用公式计算确定。计算公式可应用串联热阻叠加原理导出。(1)K计算公式的推导过程
9/21/2023952、公式计算在换热器结构确定的前提下,传热系数K可用公式计按上图的机理分析可知,热、冷流体通过间壁的传热是一个“对流-传导-对流”的串联过程。各区域的传热速率如下:(1)热流体对壁面的对流传热(2)壁面内的导热(3)壁面到冷流体的对流传热9/21/202396按上图的机理分析可知,热、冷流体通过间壁的传热是一个“对流-对于稳定传热过程,各串联环节速率应相等。即上式中的Δt对变温传热过程而言,随位置的变化而变化,为计算简便起见,应将其替换为整个换热器的平均值Δtm。再联合传热基本方程式,则有9/21/202397对于稳定传热过程,各串联环节速率应相等。即7/29/2023消去Δtm可得当A取Ao时,则有:若传热壁面为平壁或薄管壁9/21/202398消去Δtm可得当A取Ao时,则有:若传热壁面为平壁或薄管2、污垢热阻的影响换热器在使用过程中,传热壁面会逐渐形成污垢(如水加热器中的水垢、压缩气冷却器中的油垢等),对传热造成附加热阻,该热阻称为污垢热阻。因污垢的组织结构较为疏松,内部存有静止流体,导热性能差,所以,通常污垢热阻比起壁面的热阻来要大得多,因而在传热计算中应考虑污垢热阻的影响。影响污垢热阻的因素很多,主要有流体的性质、传热壁面的材料、操作条件、清洗周期等。由于污垢热阻的厚度及导热系数难以准确地估计,因此通常选用经验值,表4-4列出了一些常见流体的污垢热阻Rd的经验值,可供参考.9/21/2023992、污垢热阻的影响换热器在使用过程中,传热壁面会逐渐形成污垢表4-4常见流体的污垢热阻R
d流体Rdm2∙℃/kW流体Rdm2∙℃/kW水(>50℃)水蒸汽蒸馏水0.09优质不含油0.052海水0.09劣质不含油0.09清净的河水0.21液体未处理的凉水塔用水0.58盐水0.172已处理的凉水塔用水0.26有机物0.172已处理的锅炉用水0.26熔盐0.086硬水、井水0.58植物油0.52气体燃料油0.172~0.52空气0.26~0.53重油0.86溶剂蒸汽0.172焦油1.729/21/2023100表4-4常见流体的污垢热阻Rd流体Rdm2∙℃/k若固体壁为金属材料,污垢忽略时,则:1/K=1/αi+1/αo
当两个膜系数相差很大时,则K与膜系数小的α接近,即总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。【例4-5】【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=100W/(m2·℃)。冷却水在管内流动,ai=6000W/(m2·℃)。冷却水管为Φ25×2.5mm的钢管,其导热系数λ=45W/(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。9/21/2023101若固体壁为金属材料,污垢忽略时,则:1/K=1/αi+解(1)以管外壁为基准的总传热系数为(忽略污垢热阻)由以上计算可以看出管壁的热阻很小,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,则总传热系数总传热系数增加了97.1%。9/21/2023102解(1)以管外壁为基准的总传热系数为(忽略污垢热阻)由以上(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。9/21/2023103(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(三)选取经验值
在换热器的工艺设计过程中,由于换热器的尺寸未知,因此传热系数K无法通过实测或计算公式来确定。此时,K值通常借助工具手册选取。教材中列出了列管换热器对于不同流体在不同情况下的传热系数的大致范围,可供参考。9/21/2023104(三)选取经验值在换热器的工艺设计过程中,由于换热器的尺寸表4-5列管换热器中K值的大致范围热流体冷流体传热系数KW/m2∙℃水水850~1700轻油水340~910重油水60~280气体水17~280水蒸汽冷凝水1420~4250水蒸汽冷凝气体30~300低沸点烃类蒸汽冷凝(常压)水455~1140高沸点烃类蒸汽冷凝(减压)水60~170水蒸汽冷凝水沸腾2000~4250水蒸汽冷凝轻油沸腾455~1020水蒸汽冷凝重油沸腾140~4259/21/2023105表4-5列管换热器中K值的大致范围热流体冷流体传热系数K五、壁温计算原则上可以由三个方程解三个未知数Q、Tw、tw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TW=tW,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。9/21/2023106五、壁温计算原则上可以由三个方程解三个未知数Q、Tw、[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①传热管壁温接近哪种流体温度?②传热系数接近哪种流体的膜系数?9/21/2023107[思考题]7/29/2023107[例4-6]在列管换热器中,两流体进行换热。若已知管内、外流体的平均温度分别为170℃和135℃;管内、外流体的对流传热系数分别为12000W/(m2·℃)及1100W/(m2·℃),管内、外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005m2·℃/W。试估算管壁平均温度。假设管壁热传导热阻可忽略。解:管壁的平均温度可由下式计算,即:9/21/2023108[例4-6]在列管换热器中,两流体进行换热。若已知管内、外流
解得:计算结果表明,管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度。
9/21/20231097/29/2023109六、传热计算---设计计算和校核计算(一)设计型计算的命题方式将一定流量Gr的热流体自给定温度T1冷却至指定温度T2。设计条件:可供使用的冷却介质温度,即冷流体的进口温度t1。设计任务: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9/21/2023110六、传热计算---设计计算和校核计算(一)设计型计算的命2.作出适当的选择并计算平均推动力△tm
(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t2。(热量衡算式计算出口温度)3.计算冷、热流体与管壁的对流传热系数α和总传热系数K。为求得K,须计算两侧的对流传热系数α,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。1.由传热任务计算换热器的热流量(热负荷)9/21/20231112.作出适当的选择并计算平均推动力△tm3.【例4-7】P169例4-19有一套管式换热器,在管径为Φ38×2mm的内管中有流速为1.5m/s的水从25℃加热到55℃,在内管与外套管的环隙中在压力为140kPa的饱和水蒸汽冷凝放热,其对流传热系数αo=104W/m2.K。水侧及水蒸汽冷凝侧的污垢热阻各取10-4m2.K/W,管壁热阻忽略不计。试求水蒸汽消耗量和所需传热面积。9/21/2023112【例4-7】P169例4-19有一套管式换热器,在管径为分析:1、水蒸汽消耗量----热量衡算Qr=Ql+Qs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△tm
①求传热速率(热负荷)--冷流体水在管内,Q=Ql②求平均推动力--一流体变温,逆流③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=di(若水在管间环隙内流动L=de=Di-do)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。④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。9/21/2023113分析:7/29/2023113分析:若考虑热损失为5%,则1、水蒸汽消耗量----热量衡算Qr=Ql+Qs2.传热面积(套管长)----传热基本方程依据Q=KA△tm
①求传热速率(热负荷)--冷流体水在管内,Q=Ql=1.69×105W(不变)②求平均推动力--△tm=69.2K(不变)③求传热系数--K0=2277W/m2.K(不变)④求传热面积(管长)A0=1.09m2(不变)Qmh=1.69×105/0.95=1.78×105W9/21/2023114分析:若考虑热损失为5%,则2.传热面积(套管长)----传(二)换热器的操作型计算例如,判断一个现有换热器对指定的生产任务是否适用(校核计算)。或者预测某些参数的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t2、T2。计算方法:逆流时,传热联式9/21/2023115(二)换热器的操作型计算例如,判断一个现有换热器对指定的生产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qm及出口温度t2。计算方法:由非线性方程,必须试差迭代求得t2。由传热联式:9/21/2023116第二类命题给定条件:换热器的传热面积以及有关尺寸,冷、热流体得:求得9/21/2023117得:求得7/29/2023117【例4-8】在一传热面积为15.8的m2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0.667kg/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/(m2·℃)。试求水的出口温度及传热量9/21/2023118【例4-8】在一传热面积为15.8的m2的逆流套管换热器中,分析:方法--对数平均温度差法(LMTD法)①水的出口温度t2--热量衡算Qr=Ql+QsqmrCpr(T1-T2)=qmlCpl(t2-t1)2.85×1.9×(110-T2)=0.667×4.18×(t2-35)(110-T2)/(t2-35)=0.515110-T2=0.515(t2-35)②Q=KA△tm=320×15.8×[(110-t2)-(T2-35)]/ln(110-t2)/(T2-35)2.85×1900×(110-T2)=320×15.8×[(110-T2)-(t2-35)]/ln(110-t2)/(T2-35)ln(110-t2)/(T2-35)=320×15.8×(0.515-1)/2.85×1900×0.515=-0.8793(T2-35)/(110-t2)=2.409t2=90.8℃传热量Q=qmlCpl(t2-t1)=0.667×4.18×(90.8-35)=155.6kW9/21/2023119分析:方法--对数平均温度差法(LMTD法)7/29/202Problem4P199:Exercisesno.4-20andno.4-24ThankYou!9/21/2023120Problem4P199:ThankYou!7/29习题课小结一、前提条件:稳态传热二、热量衡算式当Q损失=0时Q’=
qmrCpr(T1-T2)
=
qmlCpl(t2-t1)
=
qmR
=Q
工艺热负荷放热速率
吸热速率
相变热
传热速率
(吸或放)9/21/2023121习题课小结一、前提条件:稳态传热Q’=
qmrCpr(三、传热速率方程Q=系数×传热面积×传热温度差=(λ/b)A△t导热
园筒壁时A=Am单层=αA△t给热对流=KA△tm
总传热9/21/2023122三、传热速率方程Q=系数×传热面积×传热温度差=(λ/b)四、α、K及△tm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
9/21/2023123四、α、K及△tm注意应用条件单层平壁,圆筒壁厚度不大时【例4-9】P2004-29有一单管程的列管换热器,其规格如下:管径Φ25×2.5mm,管长3m,管数37根。今采用此换热器冷凝并冷却CS2的饱和蒸汽,自饱和温度46℃冷却到10℃。CS2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CS2的冷凝和冷却的总传热系数分别为K1=291W/m2.K和K2=174W/m2.K。试问些换热器是否合用?(均以内表面积计算)9/21/2023124【例4-9】P2004-29有一单管程的列管换热器,其解: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9/21/2023125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7
冷凝过程:查(5+32)/=18.5℃下水的比热容cp=4.184kJ/kg.K或按常温
根据热量衡算得:联立求解,得t1=7.4℃传热面积冷却过程:根据热量衡算得:查(46+10)/=28℃下CS2的比热容cp=1.0kJ/kg.K即:9/21/2023126冷凝过程:查(5+32)/=18.5℃下水的比热容cp=传热面积换热器本身的面积:故该换热器可以满足要求。冷却面积A2
冷凝面积A1
9/21/2023127传热面积换热器本身的面积:故该换热器可以满足要求。冷却面【例4-10】某车间需将流量为30m3/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,两液面间垂直距离为5m。加热介质为127℃的饱和蒸汽,碱液管全部采用直径为φ76×3mm的钢管。当阀门全开时,管路、换热器及所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φ25×2mm;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/m3,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/m2·℃,钢的导热系数为46.5W/m·℃,污垢热阻总各为0.0003m2·℃/W,忽略热损失。9/21/2023128【例4-10】某车间需将流量为30m3/h、浓度为10%的N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△tm①面积AO=πndOl=3.14×72×0.025×3=16.4m2
②传热推动力逆流△tm=〖(T-t1)-(T-t2)〗/ln(T-t1)/(T-t2)=(60-20)/ln(127-20)/(127-60)=85.45K校正系数:说明无法查图,则按逆流计算结果表示9/21/2023129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③求传热系数--水的膜系数未知--先求u=qv/A=30×4/3.14×0.0212×(72/2)×3600=0.668m/sRe=duρ/μ=0.021×0.668×1100/1.5×10-3=10290α=0.023Re0.8Prn
=0.023×(0.58/0.021)×(10290)0.8×9.70.4=25561/Ko=do/αidi+bdo/λdm+1/αo+R垢Ko=1/(1/10000+0.003×25/46.5×23+25/21×2556+0.0003)=1069④Q=KA△tm=1069×16.4×85.45=1498kW任务要求的传热速率(热负荷)为Q=qmlCpl(t2-t1)=(30×1100/3600)×3.77×(60-20)=1382kW所以换热器能够完成传热任务。9/21/2023130③求传热系数--水的膜系数未知--先求u=qv/A=2、碱液式离心泵的核算当qv=30m3/h时,由泵的特性曲线读得,泵能提供的压头H=35m,相应的效率为48%。溶液在输送管路中的流速u=30×4/3600×3.14×0.072=2.166m/s取碱液槽液面为0-0截面,并作为基准面,高位槽液面为2-2截面,则输送任务所需的压头:z0+u02/2g+p0/ρg+He=z2+u22/2g+p2/ρg+∑HfHe=5+19.62×1000/1100×9.81+0.02×(330/0.07)×2.1662/2×9.81=29.4mH.>He,该泵可完成输送任务。此时要求的功率为:Pe=Heqvρg/η=29.4×30×1100×9.81/0.48×3600=5.5kW实际泵所消耗的轴功率为:Pe’=5.5×35/29.4=6.55Kw9/21/20231312、碱液式离心泵的核算当qv=30m3/h时,由泵的3、最大输送量时碱液的出口温度为确定泵在上述管路上的最大输送量,要作出管路特性曲线,以决定泵的工作点。He=6.82+0.02×(330/0.07)(qv/3600×0.785×0.07)2/2×9.81=6.82+0.025qv2根据上式计算出相对应的H与qv值并列表,再绘出管路特性曲线,该线与泵的特性曲线的交点为泵的工作点,qv/m3/h1319.626.23232.739.3H4038.536.43433.2He/m11.0616.424.03433.645.5得qv=32m3/h,H=34m,η=40%9/21/20231323、最大输送量时碱液的出口温度为确定泵在上述管路上的在泵的最大质量流量下,传热速率为:Q’=q’mlCpl(t2’-t1)=KO’AO△tm’将已知数据代入得:ln[(T-t1)/(T-t2’)]=KO’AO/q’mlCpl=ln[(127-20)/(127-t2’)]=1096×16.4/9.78×3770=0.4875t2’=61.3℃当流量增加时,冷流体被加热的程度提高,原因是在原流量下并没有充分发挥换热器的作用。在最大流量下,列管换热器的有关参数值计算结果如下:ui=0.7132m/s,Rei=10980,αi=2692W/m2·K,KO’=1096W/m2·K泵的最大质量流量:qm=32×1100÷3600=9.78kg/s9/21/2023133在泵的最大质量流量下,传热速率为:在最大流量下,列管换热器的【例4-11】在并流换热器中,用水冷却油。水的进、出口温度分别为15℃和40℃,油的进、出口温度分别为150℃和100℃。现因生产任务要求油的出口温度降至80℃,设油和水的流量、进口温度及物性均不变,若原换热器的管长为1m,求将此换热器的管长增加多少米才能满足要求。换热器的热损失可忽略。解:原平均温度差Δt1=150-15=135K,Δt2=100-40=60KΔtm=(135-60)/ln(135/60)=92.5K由热量衡算Q=qmhCph(T1-T2)=qmcCpc(t2-t1)qmhCph/qmcCpc=(t2-t1)/(T1-T2)=(40-15)/(150-100)=0.59/21/2023134
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 2014年食品药品监督2014年工作总结
- 设备制作加工协议书
- 乡镇征地建小学协议书
- 专场供酒合同或协议书
- 养老院合同解除协议书
- 企业劳动服务期协议书
- 雇佣车辆安全协议书
- 餐厅撤资退股协议书
- 邻里建房遮光协议书
- 写字楼装修管理协议书
- 维保服务方案及维保体系
- 肺结核的真菌感染与治疗
- 2022年甘肃省天水市中考生物真题含答案2
- 2024年湖北三新供电服务有限公司招聘笔试参考题库含答案解析
- 徒手整形 培训课件
- 市场营销学电子教案
- 《内蒙古乳制品出口贸易发展现状、问题及完善对策研究》10000字
- 《网络安全与个人信息保护》主题班会课件
- 建筑集团公司商务管理手册(投标、合同、采购)分册
- 苏教版二年级下册《磁铁的磁力》课件
- 幼儿园课件小小银行家
评论
0/150
提交评论