化工原理課件-兩流體間的熱量傳遞

1§5.3

兩流體間的熱量傳遞一、兩流體通過間壁傳熱的分析（一）傳熱過程中冷熱流體的接觸方式換熱方式

2間壁式換熱器§5.3

兩流體間的熱量傳遞3（二）載熱體及其選擇載熱體：提供或取走熱量的流體。起加熱作用的載熱體稱為加熱劑；

如水蒸汽、煙道氣

如冷卻水、空氣起冷卻作用的載熱體稱為冷卻劑。

在溫度不超過180℃的條件下，飽和水蒸汽是最適宜的加熱劑；而當(dāng)溫度不很低時(shí)，水是最適宜的冷卻劑。

§5.3

兩流體間的熱量傳遞4（三）對(duì)流傳熱過程分析dtA2A1tWtTWT傳熱壁冷流體熱流體§5.3

兩流體間的熱量傳遞5

湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化；

過渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)；

層流內(nèi)層：速度脈動(dòng)較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)?！獙恿鲀?nèi)層為傳遞過程的主要阻力Re越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層厚度越薄§1.3流體流動(dòng)現(xiàn)象6層流內(nèi)層對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層。減薄層流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑?！?.3

兩流體間的熱量傳遞（四）對(duì)流傳熱速率——牛頓冷卻定律溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式溫度梯度小，對(duì)流方式熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式湍流主體過渡區(qū)域式中Q──對(duì)流傳熱速率，W；──對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；7

Tw

──壁溫，℃；

T──流體平均溫度，℃；

A──傳熱面積，m2?！?.3

兩流體間的熱量傳遞1.2.

復(fù)雜問題簡單化表示。推動(dòng)力：阻力：8二、傳熱速率與傳熱系數(shù)twTw對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱冷流體熱流體tTQ三個(gè)串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)：§5.3

兩流體間的熱量傳遞9（3）管外對(duì)流（1）管內(nèi)對(duì)流（2）管壁熱傳導(dǎo)對(duì)于穩(wěn)定傳熱

§5.3

兩流體間的熱量傳遞10§5.3

兩流體間的熱量傳遞K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)討論：1．當(dāng)傳熱面為平面時(shí)，dA=dA1=dA2=dAm11以內(nèi)表面為基準(zhǔn)(dA=dA1)∴dm——換熱管的對(duì)數(shù)平均直徑。其中：K1——以換熱管的內(nèi)表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)；§5.3

兩流體間的熱量傳遞2．當(dāng)傳熱面不等時(shí)12以外表面為基準(zhǔn)(dA=dA2)以壁表面為基準(zhǔn)：近似用平壁計(jì)算§5.3

兩流體間的熱量傳遞13不同基準(zhǔn)所得最后結(jié)果相同，但通常計(jì)算時(shí)以管外表面積為基準(zhǔn)。3．1/K值的物理意義總熱阻內(nèi)側(cè)熱阻管壁熱阻外側(cè)熱阻§5.3

兩流體間的熱量傳遞4.

兩側(cè)污垢熱阻Rs1、Rs2145.

總傳熱系數(shù)的探討K由各環(huán)節(jié)熱阻相加而成，所以原則上減小任何環(huán)節(jié)熱阻，均可提高K值，增大傳熱速率?？偀嶙?/K的數(shù)值將由其中最大熱阻決定。

K由小者決定。（1>>

2

）

提高K有效方法是提高小者?！?.3

兩流體間的熱量傳遞污垢會(huì)產(chǎn)生較大的熱阻。15K的數(shù)量級(jí)概念（SI制單位）液液：數(shù)百氣氣、氣液：數(shù)十汽液：上千§5.3

兩流體間的熱量傳遞氣液熱交換時(shí)，提高氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)汽液熱交換時(shí)，提高液側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)

6.總傳熱速率方程tm——平均溫度差

——總傳熱速率方程167.壁溫估算§5.3

兩流體間的熱量傳遞1．大，即b/Am小，熱阻小，tW=TW17TW接近于T，即大熱阻小側(cè)流體的溫度。

3．兩側(cè)有污垢

2．當(dāng)tW=TW，得

§5.3

兩流體間的熱量傳遞18三、傳熱溫差和熱量衡算無熱損失：熱流體ms1,T1,cp1T2冷流體ms2,t1,cp2t2（一）熱量衡算§5.3

兩流體間的熱量傳遞19無相變時(shí)

相變時(shí)

式中

r──熱流體的汽化潛熱，kJ/kg；

TS

──熱流體的飽和溫度，℃?！?.3

兩流體間的熱量傳遞20傳熱計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)和核心：（二）傳熱平均溫度差1.恒溫傳熱2.變溫傳熱t(yī)m與流體流向有關(guān)§5.3

兩流體間的熱量傳遞21逆流并流錯(cuò)流折流A逆流和并流時(shí)的tmt2t1T1T2t1t2T1T2逆流并流§5.3

兩流體間的熱量傳遞22以逆流為例推導(dǎo)T2t1t2T1dTdtdAAtt2t1Tt§5.3

兩流體間的熱量傳遞23又∴(1)§5.3

兩流體間的熱量傳遞24又∴(2)(1)、(2)聯(lián)立得：§5.3

兩流體間的熱量傳遞25---------對(duì)數(shù)平均溫差1）也適用于并流

t2tAt1T2T1§5.3

兩流體間的熱量傳遞262）較大溫差記為t1，較小溫差記為t2；3）當(dāng)t1/t2<2，可用算術(shù)平均值代替4）當(dāng)t1＝t2時(shí)B錯(cuò)流和折流時(shí)的tm§5.3

兩流體間的熱量傳遞27§5.3

兩流體間的熱量傳遞管程數(shù)：換熱器內(nèi)的管子組數(shù)通過在頂蓋內(nèi)裝置隔板實(shí)現(xiàn)P153圖5-1928優(yōu)點(diǎn)：提高管內(nèi)流體的流速而增大給熱系數(shù)；缺點(diǎn)：阻力損失增大，平均溫差降低殼程數(shù)：流體在殼內(nèi)流經(jīng)的次數(shù)通過在殼內(nèi)安裝與管束平行的隔板實(shí)現(xiàn)§5.3

兩流體間的熱量傳遞29C不同流動(dòng)型式的比較

(1)

在進(jìn)、出口溫度相同的條件下,逆流的平均溫度差最大,并流的平均溫度差最小,其他形式流動(dòng)的平均溫度介于逆流和并流之間。(2)

逆流可以節(jié)省冷卻介質(zhì)或加熱介質(zhì)的用量。

§5.3

兩流體間的熱量傳遞(3)

采用折流和其他復(fù)雜流動(dòng)的目的是為了提高傳熱系數(shù)，其代價(jià)是平均溫度差相應(yīng)減小。如要求冷流體被加熱時(shí)不得超過某一溫度或熱流體冷卻時(shí)不得低于某一溫度，應(yīng)采用并流操作。30三、傳熱效率-傳熱單元數(shù)法（一）傳熱計(jì)算類型

傳熱速率方程：

熱量衡算方程：（逆、并流）§5.3

兩流體間的熱量傳遞（ε-NTU法）31（其他流動(dòng)情況）

1.設(shè)計(jì)型計(jì)算：設(shè)計(jì)任務(wù)：計(jì)算結(jié)果：§5.3

兩流體間的熱量傳遞將一定流量的熱流體自給定溫度T1冷卻至指定溫度T2。設(shè)計(jì)條件：冷流體的流量及進(jìn)口溫度t1。設(shè)備設(shè)計(jì)尺寸，或某一類型的換熱器能否滿足要求。則換熱器滿足要求。32

計(jì)算步驟：（1）計(jì)算熱流量(熱負(fù)荷)

Q＝ms1cp1(T1-T2)§5.3

兩流體間的熱量傳遞（2）計(jì)算平均推動(dòng)力Δtm；（3）計(jì)算冷熱流體與管壁的對(duì)流給熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)；（4）計(jì)算傳熱面積，A＝Q/KΔtm或則換熱器滿足要求。332.

操作型計(jì)算：

第一類：求冷熱流體的出口溫度。條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷熱流體的流量，進(jìn)口溫度以及流體的流動(dòng)方式。第二類：求所需冷流體的流量及出口溫度。條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物理性質(zhì)，熱流體的流量和進(jìn)、出口溫度，冷流體的進(jìn)口溫度以及流動(dòng)方式?！?.3

兩流體間的熱量傳遞34解：由熱量衡算式：由傳熱速率方程：整理得：例5-11：某氣體冷卻器總傳熱面積為20m2，空氣質(zhì)量流量為2.5kg/s，溫度為100℃，冷卻水的質(zhì)量流量為2.4kg/s，進(jìn)口溫度為15℃，與空氣作逆流流動(dòng)。換熱器的總傳熱系數(shù)為80W/(m℃)，氣體和水的平均比熱容分別為1.0kJ/(kg℃)和4.187kJ/(kg℃)

。試求兩流體出口溫度?！?.3

兩流體間的熱量傳遞（a）35∴由（a）得：36§5.3

兩流體間的熱量傳遞聯(lián)立求解得：解：由熱量衡算式：例2：某氣體冷卻器總傳熱面積為20m2，用以將流量為1.4kg/s的某種氣體從50℃冷卻到35℃。使用的冷卻水初溫為25℃，與氣體作逆流流動(dòng)。換熱器的總傳熱系數(shù)為230W/(m℃)，氣體的平均比熱容為1.0kJ/(kg℃)。試求冷卻水用量及出口水溫。由傳熱基本方程式：37§5.3

兩流體間的熱量傳遞將以上數(shù)據(jù)代入得：（a）（b）由（b）試差求t2，代入（a）求ms2對(duì)數(shù)平均溫差法（LMTD法）（二）傳熱效率-傳熱單元數(shù)法1.傳熱效率38最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差變化的傳熱速率。理論上最大的溫差：mscp―熱容流量熱容流量小的流體可獲得較大的溫度變化最小值流體：熱容流量最小的流體為最小值流體?！?.3

兩流體間的熱量傳遞39§5.3

兩流體間的熱量傳遞2.

傳熱單元數(shù)（NTU：numberofheattransferunit）40傳熱單元數(shù)：傳熱單元數(shù)的意義：熱流體溫度的變化相當(dāng)于平均溫度差的倍數(shù)。無因次§5.3

兩流體間的熱量傳遞同理：413.

傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系根據(jù)熱量衡算和傳熱速率方程導(dǎo)出：逆流：并流：§5.3

兩流體間的熱量傳遞其中：42若則：若§5.3

兩流體間的熱量傳遞則：43若∴并流：§5.3