《化工原理教學課件》傳熱計算

1、化工原理 主講教師：童漢清,4 傳熱過程的計算,一、熱量衡算方程式,1、顯熱與潛熱,顯熱概念：溫度變化，狀態(tài)不變。 顯熱計算：比熱（物理性質），CP：kJ/(kgoC) Q = W CP(t1-t2),潛熱概念：溫度不變，狀態(tài)變化。 潛熱計算：汽化潛熱（物理性質），R：kJ/kg Q = W R,2、熱量衡算方程式,（1）冷熱流體均無相變,熱流體的放熱量 = W1 Cp1（T1T2 ） 冷流體的吸熱量 = W2 Cp2 （t2 t1）,若不計熱損失，則：熱流體的放熱量 = 冷流體的吸熱量,Q = W1 Cp1（T1T2 ） = W2 Cp2（t2 t1）,（2）熱流體有相變，冷流體無相變,熱流

2、體的放熱量 = W1 Cp1（T1T2 ）+ W1 R 冷流體的吸熱量 = W2 Cp2 （t2 t1）,若不計熱損失，則：熱流體的放熱量 = 冷流體的吸熱量,Q = W1 Cp1（T1T2 ）+ W1 R = W2 Cp2（t2 t1）,若熱損失為Q損，則：,Q = W1 Cp1（T1T2 ）+ W1 R = W2 Cp2（t2 t1）+Q損,（3）冷流體有相變，熱流體無相變,熱流體的放熱量 = W1 Cp1（T1T2 ） 冷流體的吸熱量 = W2 Cp2 （t2 t1） + W2 r,若不計熱損失，則：熱流體的放熱量 = 冷流體的吸熱量,Q = W1 Cp1（T1T2 ）= W2 Cp2（

3、t2 t1） + W2 r,若熱損失為Q損，則：,Q = W1 Cp1（T1T2 ）= W2 Cp2（t2 t1） + W2 r +Q損,（4）冷熱流體均有相變,熱流體的放熱量 = W1 Cp1（T1T2 ）+ W1R 冷流體的吸熱量 = W2 Cp2 （t2 t1） + W2 r,若不計熱損失，則：熱流體的放熱量 = 冷流體的吸熱量,Q = W1Cp1（T1T2 ）+W1R= W2Cp2（t2 t1）+W2 r,若熱損失為Q損，則：,Q=W1Cp1（T1T2 ）+W1R=W2Cp2（t2 t1）+W2 r +Q損,二、傳熱速率方程式,（1）平面壁的傳熱速率,對于平面壁,設,則,平面壁的傳熱速

4、率,對于圓筒壁,對于圓筒壁：傳熱面積以圓管外表面為基準進行計算。,圓筒壁的傳熱速率,則,設,三、總傳熱系數(shù)K,1、總傳熱系數(shù)K的物理意義 溫度差為1oC時，單位時間內(nèi)通過單位面積的傳熱量。 單位：W/（m2oC）,總傳熱系數(shù)(簡稱傳熱系數(shù))K是評價換熱器性能的一個重要參數(shù)，又是換熱器的傳熱計算所需的基本數(shù)據(jù)。 K的數(shù)值與流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等諸多因素有關，因此K值的變動范圍較大。,2、總傳熱系數(shù)K的來源 1）計算,平面壁的傳熱速率,圓筒壁的傳熱速率,設計中應考慮污垢熱阻的影響，即,管壁外表面污垢熱阻,管壁內(nèi)表面污垢熱阻,總傳熱系數(shù)計算式,某些常見流體的污垢熱阻的經(jīng)驗值可

5、查附錄。,污垢熱阻(又稱污垢系數(shù)),對現(xiàn)有的換熱器，通過實驗測取有關的數(shù)據(jù)，如流體的流量和溫度等，然后用總傳熱速率方程式計算得到K值。 實測的K值不僅可以為換熱器的設計提供依據(jù)，而且可以了解換熱器的性能，從而尋求提高設備傳熱能力的途徑。,2）實驗測定,某些情況下管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值列于表4-6。 從表4-6可看出，通常經(jīng)驗值的范圍較大，設計時可根據(jù)實際情況選取中間的某一數(shù)值。若為降低操作費，可選較小的K值；若為降低設備費，可選較大的K值。,二、總傳熱系數(shù),3）選用實際生產(chǎn)的經(jīng)驗數(shù)據(jù),提高總傳熱系數(shù)途徑的分析,總熱阻=管內(nèi)熱阻+管內(nèi)垢阻+壁阻+管外垢阻+管外熱阻,壁阻,總熱阻,管內(nèi)

6、熱阻,管內(nèi)垢阻,管外垢阻,管外熱阻,3、提高K值的途徑,若傳熱面為平壁或薄管壁，則,當管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時,設,則,現(xiàn)提高,則,若提高,則,管壁內(nèi)側對流傳熱控制,若,管壁內(nèi)、外側對流傳熱控制,相當,若管壁兩側對流傳熱熱阻很小，而污垢熱阻很大,污垢熱阻控制,若,則,管壁外側對流傳熱控制,欲提高K值，強化傳熱，最有效的辦法是減小控制熱阻。,K值總是接近且永遠小于 中的小者。 當兩側對流傳熱系數(shù)相差較大時，K近似等于 中小者。,當冷熱流體對流給熱系數(shù)相差較大時，K值取決于較小的對流給熱系數(shù)，所以，要提高總傳熱系數(shù)值，關鍵在于從熱阻較大的一側入手，設法增加較小的對流給熱系數(shù)。,四、平均溫度差的

7、計算,1、恒溫差傳熱,壁面兩側進行熱交換的冷熱流體，其溫度不隨時間及位置而變化。,2、變溫差傳熱,采用對數(shù)平均值計算平均溫度差（傳熱平均推動力）。,(1) 并流,冷熱流體流動方向相同。,(2) 逆流,冷熱流體流動方向相反。,(3) 錯流,冷熱流體流動方向垂直。,(4) 折流,并流、逆流共存。,錯流和折流的平均溫度差,安德華（Underwood）鮑曼（Bowman）圖算法：,先按逆流操作算出對數(shù)平均溫度差，再由曲線圖差出校正系數(shù)。,曲線圖橫坐標,曲線圖縱坐標,3、對數(shù)平均值與算術平均值,例：A=8，B=6,算術平均值,對數(shù)平均值,若：A=80，B=6,算術平均值,對數(shù)平均值,結論1、對數(shù)平均值永

8、遠小于算術平均值,結論2、A、B相差越大，對數(shù)平均值比算術平均值小的程度越大。,4、逆流推動力與并流推動力,并流：,逆流：,結論：逆流推動力大于并流推動力,例1、用單程列管換熱器預熱某物料，物料從管內(nèi)流過，流量為500kg/h，溫度由25oC升至65oC，加熱介質用熱水，熱水流量為1000kg/h，初溫為95oC。已知物料的比熱為3.66kJ/(kgoC)，水的比熱為4.17kJ/(kgoC)，換熱器的總傳熱系數(shù)K為60W/( m2oC)。試計算逆流操作換熱器所需的傳熱面積。（熱損失不計）,例2：每小時500的常壓苯蒸汽用直立列管換熱器加以冷凝，并冷卻到30oC。冷卻介質為20oC的冷水，冷水的出口溫度不超過45oC，冷熱流體呈逆流流動。已知苯蒸汽的冷凝溫度為80 oC，汽化潛熱為390kJ/kg，平均比熱為1.86kJ/(kgoC)，并估算出冷凝段的傳熱系數(shù)為500W/(m2oC)，冷卻段的傳熱系數(shù)為100 W/(m2oC)。試求所需傳熱面積及冷卻水用量。若采用并流操作，所需的冷卻水用量為多少？,例3：某容器內(nèi)盛有溫度為105oC的甲苯1400kg，于其中裝有外表面積為3.2m2的蛇管換熱器，蛇管內(nèi)通入13oC的冷水，已知以外表面積為基準的總傳熱系數(shù)為255W/(m2