传热操作技术-间壁式传热过程计算（化工原理课件）

化工原理常用的加热剂和冷却剂换热器换热器要投入使用，就要选择适宜的加热剂或冷却剂，常用的加热剂和冷却剂有哪些呢？该如何进行选择呢？换热目的将工艺流体加热将工艺流体冷却

加热剂冷却剂若换热的目的是将冷流体加热,此时热流体称为加热剂若换热的目的是将热流体冷却,此时冷流体称为冷却剂水蒸气热水或高压热水烟道气熔盐导热油加热剂水蒸气是最常用的加热剂剂。通常使用饱和水蒸气,在蒸汽过热程度不大时，过热20~30℃的范围,允许使用过热蒸汽。水蒸气1蒸汽汽化潜热大,蒸汽消耗量相对较小2在给定的压力下，冷凝温度恒定所以可通过改变加热蒸汽的压力来调节其温度3蒸汽冷凝时给热系数很大,能够在较低的温度差下操作404010203优点水蒸气价廉、无毒、无失火危险等缺点：

饱和温度与压力对应，且对应的压力较高，对设备的机械强度要求高，投资费用大无毒、腐蚀性小。温温度范围373~573K。可利用二次热源,节约能量。热水通常可使用锅炉热水和从换热器或蒸发器得到的冷凝水。优点和蒸汽冷凝相比,给热系数较低，加热的均匀性不好。使用高压热水时对设备的强度要求和操作费用都很高。缺点热水或高压热水导热油烃醚含氮杂环醇硅油含卤烃温度范围473~623K，蒸汽压力低，不用高压就能够得到高温，使用方便，既可用于加热又可用于冷却硝酸钠硝酸钾亚硝酸钠熔盐温度范围573~773K,流动性好,最高工作温度可达600℃。熔盐加热装置应具有高度的气密性，并用惰性气体保护。由于硝酸盐和亚硝酸盐混合物具有强氧化性，因此应避免和有机物质接触。一氧化碳二氧化碳烟道气温度范围873~1173K,流动性好,传热效率高,操作简单。水江河地下温度与当地气候以及季节有关,通常在10~30℃地下水的温度则较低,通常在4~15℃凉水塔冷却水间壁式换热器混合式换热器空气冷却剂有通风机的冷却塔有增大传热面的换热器翅片式换热器空气冷却剂给热系数小比热容较低耗用量较大不会产生污垢冷冻盐水以烃、醚、醇、硅油、含卤烃及含氮杂环等物质作为主，温度范围473~623K，蒸汽压力低，既可用于加热又可用于冷却。此外,为了得到更低的冷却温度或更好的冷却效果,还可借助于制冷技术,使用沸点更低的制冷剂，如液氨等。加热剂或冷却剂的选择根据工艺物料被加热或冷却的程度决定，选用工艺上要求加热升温的低温流体作为冷却剂提高经济效益生产系统中无可利用为加热剂或冷却剂的流体加热剂冷却剂水蒸气水空气常用的加热剂水蒸气热水导热油熔盐烟道气常用的冷却剂水空气工业生产中常用的加热剂和冷却剂有哪些？思考题化工原理热负荷计算传热面积时，需要先知道传热速率，传热速率是换热器单位时间内能够传递的热量，属于换热器本身的特性。但当换热器还未选定或设计出来之前，传热速率是无法确定的，面对这样的难题，该怎么办呢？传热速率：换热器单位时间内能够传递的热量，属于换热器本身的特性热负荷是生产上要求换热器单位时间内传递的热量，是换热器的生产任务，由生产要求决定，与换热器的结构无关。≥热负荷传热速率计算基础：热量衡算方程稳态传热，忽略热损失时冷流体吸收热量=热流体放出热量热负荷的确定流体热量的变化不只与温度有关，还与状态，即与是否发生相变有关，所以分两种情况来分析。无相变冷流体出口温度tc2热流体进口温度th1冷流体进口温度tc1热流体出口温度th2流体放出或吸收的热量，即换热器的热负荷，W流体的比热容，可取为流体进、出口平均温度下的比热容，J/(kg·℃）或KJ/(kg·K）流体的质量流量，kg/s有相变①饱和状态下②非饱和状态下例：过热蒸气→冷凝→过冷液体饱和蒸汽冷凝饱和液体沸腾蒸汽冷凝潜热，J/kg焓差法由于工业换热器中流体的进口压力、出口压力差不大，故近似认为是恒压过程。根据热力学定律，恒压过程热等于物系的质量焓差，则有热流体的进出口的质量焓，J•kg-1冷流体的进出口的质量焓，J•kg-1表明了冷热流体的流量关系，他们之间总是热量守恒热负荷的计算确定换热器的传热速率换热器的选型和设计无相变有相变热负荷的计算方法请大家确定一下换热过程中载热剂的用量？思考题化工原理逆流和并流时的平均温度差换热器间壁式传热速率方程确定传热温度差流体传热的平均温度差，又称为平均推动力，用∆tm表示。其大小和计算方法与换热器中两流体的流动方向及温度变化情况有关。平均温度差t2

T1t1T2t2

T1t1T2并流逆流t2

T1t1T2恒温传热时的t2

T1t1T2t2

T1t1T2流体的流动方向对∆tm无影响变温传热时的大多数情况下，间壁一侧或两侧的流体温度沿换热器的管长而变化，称为变温传热。此时，换热器各截面的温度差不相同。变温传热时，若两流体的相互流向不同，则对的影响也不相同。简化假定：①传热为稳定传热过程，两流体的质量流量为常量，分别为qm1和qm2；②两流体的比热容均为常量,分别为Cp1,Cp2；③传热系数K不变，为常量；④换热器的热损失可忽略不计。t2

T1t1T2逆流和并流时的∆tm

传热速率方程：热量衡算方程：T1t2T2

dTdtdAdQt1Δt=T-t

平均传热温度差的推导Δt2Δt1Q

当qm,1Cp,1、qm,2Cp,2为常数，-T、-t为线性关系-(T-t)也为线性关系一侧流体温度有变化，另一侧恒温时∆tm,逆=∆tm,并进出口条件相同时，∆tm,逆>∆tm,并工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）∆t1/∆t2<2时，可近似取∆tm=1/2（∆t1+∆t2）逆流和并流时的平均传热温度差有助于我们进行换热设备的设计计算操作条件的优化为什么换热器仅有一侧温度发生变化时，其大小与流向无关？思考题化工原理总传热系数传热系数AB评价换热器传热性能的重要参数又是对传热设备进行工艺计算的基本数据总传热系数K的数值流体的物性换热器的类型传热过程的操作条件如何准确确定K呢？K的来源实验测定选取经验值公式计算K的来源实验测定流体的温度流体的流量换热器的尺寸求得传热速率Q、平均温度差△tm和传热面积A，再由传热基本方程计算K值。实验测定

实验得到的K值可靠性较高

换热器的类型

换热器的尺寸

流体的性质

操作条件1为换热器的计算提供依据2了解换热器的性能，寻求提高换热器的传热能力的途径。实验测定

K的来源实验测定选取经验值选取经验值

K的来源实验测定选取经验值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，计算公式可利用串联热阻加和原理导出。公式计算热流体冷流体TtTwtwQ热流体侧的对流管壁内的热传导冷流体侧的对流热流体冷流体TtTwtwQ稳态传热：公式计算

分别是换热器管内表面积、管内外表面积平均值和管外表面积管内对流传热系数管外对流传热系数由等比定理得：用平均传热温差代替(T-t)总传热速率方程：注意：A可分别选取管外表面积A0

，管内表面积Ai或管内外表面积平均值，而传热系数K必须与所选取的传热面积相对应。热流体冷流体TtTwtwQ若以管外表面积为基准，A=Ao工程上，习惯以管外表面积为基准，除了特别说明外，手册中所列的K值都是基于管外表面积的，故以下的传热系数K都是对应于管外表面积的。换热器标准系列中的传热面积也是指管外表面积。管壁内、外侧表面的污垢热阻分别用Rsi、Rso表示，由于污垢层一般很薄，对于管内侧垢阻的传热面以管内表面积Ai计，对于管外侧垢阻的传热面以管外表面积Ao计总传热系数的求解方法准确评价设备的传热性能设备的选择和设计总传热系数的求解方法通过实验测定通过查取经验数据通过公式计算已知换热器的总传热系数K,单位传热面积的传热阻力是多少？思考题化工原理强化传热为了增强换热器的传热效果，常常需要对设备条件或操作条件进行改进。所谓换热器的强化,就是力求使换热设备的传热速率尽可能增大,力图用较少的传热面积或较小体积积的设备来完成同样的传热任务。增大传热面积A增大平均温度差△tm增大总传热系数K增大传热面积A改进传热面的结构翅片管换热器，增加传热面积，同时也增大流体的湍动程度，从而提高热流量Q。特别在给热系数小的一侧采用翅片，对提高传热系数更是有效增大传热面积A

板式换热器板翅式换热器增大传热面积A

旋流板塔如果进行换热的两种流体在工艺上允许直接接触,则设法增大两流体相间的接触面积及相间的湍动程度,也就增加了单位体积内的传热效果增大传热面积A

增大平均温差△tm平均温度差的大小取决于两流体的温度大小及其流动形式。增大平均温度差△tm当两侧流体均为变温的情况，应尽可能考虑从结构上采用逆流或增加壳程数，均可得到较大的平均温度差。物料的温度由工艺条件所决定，不能随意变动，但通过选择不同的加热剂或冷却剂，改变其流量或操作条件可使其温度发生很大的变化。增大平均温度差△tm

用饱和水蒸气作为加热剂时，增加水蒸气的压力可以提高其温度螺旋板式换热器套管式换热器增大总传热系数K这是强化传热过程中最现实和有效的途径。要有效地提高K值，应设法减小其中对K值影响最大，最有控制作用的分热阻减小任一项分热阻，都可以提高K提高传热系数减小传热的总热阻一般，金属的导热热阻很小，不会成为传热的主要热阻采取措施提高小的对流传热系数α两α相差很大同时提高两侧的对流传热系数，才能有效提高K值。两α较为接近提高α值抑制污垢的生成或及时除垢污垢热阻是一个可变的因素污垢热阻很小，可不考虑减缓污垢的形成，同时及时清除污垢换热器刚投入使用时使用时间的延长污垢逐渐沉积成为阻碍传热的主要因