传热计算讲稿.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第4章 传热（第四节）,化工原理,Principles of,Chemical Engineering,第四章,传热,2025/12/6 周六,讲授内容,概述,4.1,热传导,4.2,对流传热,4.3,传热计算,4.4,对流传热系数关联式,4.5,辐射传热,4.6,换热器,4.7,2025/12/6 周六,本节讲授,内容,4,平均温度差,6,传热单元数法,2,总传热速率微分方程,5,传热面积的计算,3,总传热系数,1,能量衡算,7,保温层的临界直径,4.4 传热计算,2025/12/6 周六,传热计算,设计计算,校核计算,根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。,判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。,依据：总传热速率方程和热量衡算,2025/12/6 周六,一、热量衡算,热量衡算是反映,两流体在换热过程中温度变化的相互关系。,对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略，则在,单位时间内的换热器中,热流体放出的热量,等于,冷流体吸收的热量。,即：,换热器的热量衡算式,应用：计算换热器的传热量（热负荷）,Q,2025/12/6 周六,1,、换热器中的两流体无相变化,根据热力学性质的计算公式：,流体的比热容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时：,恒压时：,2025/12/6 周六,（,1,）饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下离开：,（,2,）冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器：,2,、换热器中的热流体有相变化,2025/12/6 周六,二、总传热速率方程,通过换热器中任一微元面积,dS,的间壁两侧的流体的传热速率方程：,总传热速率微分方程,or,传热基本方程,K,局部总传热系数，（,w/m,2,）,K,的,物理意义：,在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。,2025/12/6 周六,对于整个换热器，传热基本方程式可写成：,或,总传热热阻,注意：,其中,K,必须和所选择的传热面积相对应,，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。,t,m,和,K,为整个换热器的平均值,2025/12/6 周六,传热基本方程可分别表示为：,式中：,K,i,、K,o,、K,m,分别为管内表面积、外表面积和内外侧的平均表面积的传热系数，,w/m,2,K,S,i,、S,o,、S,m,换热器管内表面积、外表面积和内外侧的平均面积，,m,2,。,注：工程上大多以外表面积为计算基准,，,K,o,不再加下标“,o,”,2025/12/6 周六,三、总传热系数,1,.,总传热系数,K,的来源,1,）生产实际的经验数据,2,）实验测定,3,）分析计算,2,.,传热系数,K,的计算,假设热流体走管程，冷流体走壳程,b,t,W,t,T,W,T,热流体,冷流体,2025/12/6 周六,流体通过管壁的传热包括：,1,）热流体（,走管程,）把热量传递给管壁,（内壁）,的对流传热：,2,）通过管壁的热传导,3,）管壁,（外壁）,与冷流体的对流传热,换热器总传热速率（以外面积为基准）：,2025/12/6 周六,联立上述四个关联式得：,若以外表面为基准,2025/12/6 周六,基于外表面积总传热系数计算公式,同理：,2025/12/6 周六,3,.,污垢热阻,在计算传热系数,K,值时，,污垢热阻一般不可忽视，,污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。,若管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别用,R,si,和,R,so,表示，根据串联热阻叠加原则，,2025/12/6 周六,当传热面为平壁或薄管壁时：,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，,若,则,4.,提高总传热系数的途径,2025/12/6 周六,总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。,提高,K,值，关键在于,提高,对流传热系数,较小一侧的,。,两侧的,相差不大,时，则必须,同时提高两侧的,，,才能提高,K,值。,污垢热阻为控制因素时,，则必须,设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。,2025/12/6 周六,对于整个换热器，传热基本方程式可写成：,换热器的热量衡算式,2025/12/6 周六,四、传热的平均温度差,恒温差传热：,变温差传热：,传热温度差,不随位置而变,的传热,传热温度差,随位置而改变,的传热,传热,流动形式,并流：,逆流：,错流：,折流：,两流体,平行而同向,的流动,两流体,平行而反向,的流动,两流体,垂直交叉,的流动,一流体只,沿一个方向流动,，而,另一流体反复折流,2025/12/6 周六,逆流,T,1,t,1,t,2,T,2,T,1,t,1,T,2,t,2,并流,S,T,2,T,1,t,1,t,2,S,T,2,T,1,t,2,t,1,1,.,逆流和并流时的平均温差,2025/12/6 周六,假定：,（1）换热器在稳态情况下操作；,（2）流体的比热容均为常量，且传热系数,K,为常量；,（3）换热器无热损失,得到对于整个换热器的总传热速率方程：,2025/12/6 周六,注意：,在应用对数平均温度差计算式时，通常将换热器两端温度差,t,中数值大的作为,t,2,，,小的作为,t,1,当,时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。,对数平均温度差（适用于并流及逆流）,2025/12/6 周六,例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。,解：,逆流时：,热流体：,冷流体：,70 25,2025/12/6 周六,并流时：,热流体：,冷流体：,85 10,在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。,2025/12/6 周六,2,.,错流和折流时的平均温度差,错流和折流的平均温度差，常采用,安德伍德,和,鲍曼,提出的图算法。,先按逆流时计算对数平均温度差,t,m,逆,，然后乘以考虑流动型式的温度修正系数,t,，,得到实际平均温度差,t,m,。,错流,折流,2025/12/6 周六,错流和折流时的平均温度差,其中,计算,P,R,的值后,可查图得到,t,的值,2025/12/6 周六,例：通过一单壳程双管程的列管式换热器，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，问此时的传热平均温差为多少?若将水的出口温度提高到35，平均温差又为多少?,逆流时,解：,2025/12/6 周六,又冷却水终温提到,35,0,C,，,逆流时：,查图,P232,图,4,19,（,a,）,2025/12/6 周六,查图得：,2025/12/6 周六,3,.,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。因此，,就提高传热推动力而言，逆流优于并流及其他形式流动。,当换热器的传热量,Q,及总传热系数,K,相同的条件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。,2025/12/6 周六,（,2,）,逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。,所以，换热器应当尽量,采用逆流流动,，尽可能,避免并流流动。,在某些生产工艺有特殊要求时,，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。,当换热器有一侧流体发生相变而保持温度不变时，,就无所谓并流和逆流了，,不论何种流动型式，只要进出口温度相同，平均温度就相等。,2025/12/6 周六,（,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,，温度修正系数,t,是用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，一般在,设计时最好使,t,0.9，至少不能使,t,0.8,。否则应另选其他流动型式，以提高,t,。,2025/12/6 周六,五、传热面积的计算,1,.,传热系数,K,为常数,其中：,2,.,传热系数,K,为变数,2025/12/6 周六,积分,：,不能用解析法求解时，可采用数值积分、图解积分或,分段计算的方法。,将每段中的物性、传热系数,K,j,视为常量，分段计算传热温差,t,mj,和相应的热流量,Q,j,及传热面积,S,j,，,或,总传热面积,：,2025/12/6 周六,六、传热单元数法（自学）,1,.,传热效率,WCp,：,流体的,热容量流率,2025/12/6 周六,当热流体的热容量流率较小时,若冷流体的热容量流率较小,2025/12/6 周六,2,.,传热单元数,NTU,1）传热单元数的定义,对于冷流体,积分,(,NTU)c,：,基于冷流体的传热单元数,2025/12/6 周六,当,K,与,Cpc,为常数，且,T-t,可用平均温度差代替时,同理,基于流体的传热单元数,当,K,与,Cph,为常数时,2025/12/6 周六,2）传热单元数的含义：,（1）对于已知的换热器利用处理的物料而言，它表示该,换热器的换热能力的大小。,K,与,A,大，表示换热器的能力大,，可完成更高的换热要求,（2）对已知流体的换热器而言，它,表示换热要求的高低与换热的难易程度。,换热要求高，即流体进出口的温差大；传热的推动力小，换热所需的单元数大。,2025/12/6 周六,3）传热单元数的物理意义,将,改写成,2025/12/6 周六,基于,WCp,值小的流体的传热单元长度,可视为,(,Wc,p,),min,的流体温度变化与传热温差相等时的换热器的管长,。,传热系数,K,愈大,，即热阻愈小，,传热单元长度愈小,。换热时所需要的传热面积也愈小。,换热器的长度（对于一定的管径）等于传热单元数和传热单元长度的乘积。一个传热单元可视为换热器的一段,2025/12/6 周六,3,.,传热效率与传热单元数的关系,将（2）代入（1），并整理得,并流时,2025/12/6 周六,若冷流体为最小值流体,并令,C,min,=Wcc,pc,C,max,=Whc,ph,，,(NTU),min,=KS/C,min,2025/12/6 周六,2025/12/6 周六,将,(4),代入,(3),得,逆流时传热效率和传热单元数的关系为：,2025/12/6 周六,当两流体之一有相变化时，,(,WCp),max,趋于无穷大,当两流体的,WCp,相等时,并流时：,逆流时：,2025/12/6 周六,七、保温层的临界直径,设：,保温层内表面温度为,t,1,，,周围环境温度为,t,f,，,保温层的内外半径分别为,r,i,和,r,o,，,保温层外表面对环境的对流传热系数为,。,稳定传热时，管道的热损失为：,当保温层厚度增加，,R,1,增大，而,R,2,下降。因此总热阻可能下降。,2025/12/6 周六,热损失,Q,为最大值时的保温层直径,保温层的临界直径,保温层的外径小于临界直径，即,d,2,d,c,dQ/dr,o,为正值，,增加保温层的厚度反而使热损失增加。,2025/12/6 周六,作业,2025/12/6 周六,小结,Thanks,any question?,?,2025/12/6 周六,