化工原理-第五章-传热过程与传热设备

t1T1T2t蓄热式间壁式直接接触式Tt间壁式热流体蓄热式tT直接接触冷流体分类§5.1换热器的分类与型式t1T1T2t夹套式列管式套管式t1T1T2t2套管式T1T2夹套式t1T1T2t2列管式间壁式换热器§5.1换热器的分类与型式t1T1T2t管程数：单管程、双管程、多管程壳程数：单壳程、双壳程、多壳程t1T1T2t2单管程、单壳程t1T2T1t2双管程列管式t1T2T1t2双管程、双壳程列管式换热器§5.1换热器的分类与型式TTwtwtT1T2t1t2三个串联传热环节：热流体侧的对流传热间壁的导热冷流体侧的对流传热t1T1T2t§5.2间壁式换热器的传热过程分析)(WhTTAQ)(ttAQWCmWWAbtTQt1T1T2t§5.3传热过程的基本方程热量衡算方程传热速率方程总传热系数和壁温的计算t1T1T2t2套管式mc,Cpcmh,Cph换热器要解决的两大问题：已知换热任务：1）把热流体（冷流体）从温度T1（t1）降温（升温）到T2(t2）。2）把质量为m的流体气化（或冷凝）所需的冷流体（热流体）的量？传热面积？t1T1T2tTTwtwt无相变时：1221ttcmTTcmQpccphh有相变时：mrQT1T2t1t2§5.3.1热量衡算方程TtTtTTwtwt蒸汽冷凝液t1T1T2tdAKttdAdAbdAttdAttdAbttdAttdQxChCCmhhChCCCwCmwCwhhhwhh11111总热阻总推动力-------总传热速率方程§5.3.2总传热速率方程TTwtwtT1T2t1t2thtcx，AxdA一、总传热速率方程=KAtm1出进tdAKxQ=KA△tmK：总传热系数，W/m2K△tm：对数平均温差mtKAQ--称为总传热热阻KA1§5.3.2总传热速率方程t1T1T2tiimOOOOAAbAAK111iimOOiiAAbAAK111iiOmOOOAAAbAK11imiOOiiAbAAAK11外表面为基准内表面基准总传热速率方程：§5.3.2总传热速率方程t1T1T2t二、污垢热阻SiimiOiSOOOiiRAbAAARAAK11iOSiiiOmOSOOOAARAAAbARK11内侧污垢热阻外侧污垢热阻对于厚度为b的平壁sisiRRbK00111常用流体在传热表面形成的污垢热阻，大致范围如下：流体污垢热阻m2·K／kW米2·小时·℃/千卡水(u1m/s，t50℃)蒸馏水0.090.0001海水0.090.0001清净的河水0.210.00024未处理的凉水塔用水0.580.00068经处理的凉水塔用水0.260.0003经处理的锅炉用水0.260.0003硬水、井水0.580.00068水蒸气优质、不含油0.0520.00006劣质、不含油0.090.0001往复机排出0.1760.00021液体处理过的盐水0.2640.00031有机物0.1760.00021燃料油1.060.0012焦油1.760.0021气体空气0.26～0.530.0003～0.00062溶剂蒸气0.140.00016t1T1T2tt1T1T2t传热面上有污垢存在时，热阻增大:在相同传热面积时，传热速率下降。在传热负荷相同时，所需传热面积增加。计算K值时，污垢热阻一般可忽略不计通常根据污垢层的厚度及其导热系数，估算污垢热阻。关于污垢热阻见附录十一t1T1T2tTTwtwtT1T2t1t2§5.2.4壁温的计算热流体侧的壁温hhhwhAQttcccmwhwcAQtAbQtt冷流体侧的壁温t1T1T2t壁温的计算与讨论：1．一般换热器金属壁的大，即b/（Am）小，热阻小，tWh=tWC；3．如果两侧有污垢，还应考虑污垢热阻的影响。CCCWCmWCWhhhWhhAttAbttAttQ11hhCCCChhCWCWhhAAAAtttt11hWChtt,2即：则：，若：、CWcWhhttttCCCCWCmWCWhhhhWhhARttAbttARttQ1)1(1)1(t1T1T2tTtt0AtTtmTtt2t10AT1T2tt0AT1并流T2tt2t10AT1t2逆流T2tt10A§5.4传热过程的平均温差tm的计算一．恒温差传热二．逆流、并流流动时的传热mtKAQT1t1t2逆流T2tt2t10AmtKAttttKAQ1212ln1212lntttttmt1T1T2t§5.4传热过程的平均温差tm的计算逆流和并流流动时的对数平均温差tm逆流和并流流动时的传热速率tdAKdQdtcmdQdTcmdQpccphhpccphhcmdQdtcmdQdT11BcmcmdQtTdphhpcc11BtddQtdAKBtdQttdQBtd021T1t1t2逆流T2tt2t10dAABKAtt12ln以逆流流动为例推导对数平均温差的计算BQtt12t1T1T2t§5.4传热过程的平均温差tm的计算1212lntttttm错流折流逆,mmtt三、错流、折流等其他流动方式时的传热其中：t1T1T2t2列管式t1T1T2t§5.4传热过程的平均温差tm的计算错流、折流等其他流动方式的tm的计算冷流体的温升热流体的温降1C2C2h1httttR两流体的最初温差冷流体的温升1112ChCCttttPP258图5-18P258式5-27通常采用Underwood和Bowan提出的图算法（也可采用理论求解tm的计算式，但形式太复杂）。21111221(,)fPRttPTtTTRtt＝冷流体温升两流体最初温差热流体温降冷流体温升1）先按逆流计算对数平均温差tm逆2）求平均温差校正系数3）求平均传热温差mmtt逆t1T1T2t§5.4传热过程的平均温差tm的计算P258图5-18流向的选择对比1．在流体进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，并流最小，其它流动型式的tm介于两者之间。从提高传热推动力来言，逆流最佳。1）采用逆流可以较小的传热面积A完成相同的换热任务；2）可以节省加热和冷却介质的用量或多回收热。3）传热面上冷热流体间的温度差较为均匀。t1T1T2tT1并流T2tt2t10AT1t2逆流T2tt10A2．在某些方面并流也优于逆流。如工艺上要求加热某一热敏性物质时，要求加热温度不高于某值（并流t2maxT2）；或者易固化物质冷却时，要求冷却温度不低于某值（并流T2mint2），如易于控制流体出口温度。流向的选择对比t1T1T2tT1并流T2tt2t10AT1t2逆流T2tt10A3．采用折流和其它复杂流型的目的是为了提高传热系数，从而提高K来减小传热面积。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，最好使0.9，绝不能使0.8，否则另外选其他流型。4．当换热器一侧流体发生相变，可能其温度保持不变，此时就无所谓逆并流，不论何种流动形式，只要进出口温度相同，则tm均相等流向的选择对比t1T1T2tAtKQm21TTcmQphh12ttcmQpccLMTD法------对数平均温差法小结1212lntttttm逆、并流：逆,mmtt其他流动情况t1T1T2tSiimiOiSOOOiiRAbAAARAAK11iOSiiiOmOSOOOAARAAAbARK11t1T1T2t某工厂用300kN/m2（绝压）的饱和蒸汽，将环丁砜水溶液由105℃加热到115℃后，送再生塔再生，已知其流量为200m3/h、密度为1080kg/m3、比热为2.93kJ/kgK，试求蒸气用量。又若换热器的管外表面积为110m2，计算温度差时水溶液的温度可近似取为其算术平均值，求传热系数。Ttt2t10Amh,rmc,Cp105℃115℃例1t1T1T2t105解：使冷流体由度加热至115度需加入的热量：2221200()10802.93(115105)1760kJ/s3600spQmctt加热蒸气放出的热量与之相等：11760kJ/ssQmr29300/kNm由附录表中查得：压力为的饱和蒸气，其温度为133.3度、汽化潜热为2168kJ/kg,故：例1t1T1T2t11760/21680.812kg/s2920kg/hsmmQKAt应用总传热方程求传热系数：Ttt2t10A例294.223.183.28ln3.183.28ln3.181153.1333.281053.133121221tttttttmKmWtAQKm2369794.22110101760在一列管式换热器中用机油和原油换热，原油在管外流动，进口温度为120℃，出口温度上升到160℃；机油在管内流动，进口温度为245℃，出口温度下降到175℃。（1）试分别计算并流和逆流时的平均温度差。（2）若已知机油质量流量ms1=0.5kg/s，其比热cp1=3kJ/kgK，并流和逆流时的K均等于100W/m2K；求单位时间内传过相同热量分别所需要的传热面积。t1T1T2t例2解：T1=245T2=175t1=120t2=160(a)逆流T1=245T2=175t1=120t2=160(b)并流hT245→175cT160←120T85551212ln(/)mTTTTT69hT245→175cT120→160T125151212ln(/)mTTTTT52t1T1T2t例21112(2)()0.53(245175)105kJ/s=105000WspQmcTT210500020.2m()10052mQAKt并并210500015.2m()10069mQAKt逆逆t1T1T2t例2AtKQm21TTcmQphh12ttcmQpcc1212lntttttm逆、并流：t1T1T2t?AtKQm21TTcmQphh12ttcmQpcc1212lntttttm逆、并流：??问题1221hphhhcpcccQmcttmcttmax111hphhcQmctt最大可能传热速率：实际传热速率：max211cpchcQmcttmaxmax1max2min11min(,)()()phcQQQmcttt1T1T2t§5.5传热效率和传热单元数最大可能传热速率率冷流体实际吸收热量速1112tTttc最大可能传热速率率热流体实际放出热量速1121tTTThmaxQQ最大可能传热速率实际传热速率传热效率的物理意义：当热流体的热容密度mhcph最小时：当冷流体的热容密度mccpc最小时：1112tTttc1121tTTThT1t2T2tt10At1T1T2t§5.5.1传热效率)](),(min[1111maxtTCmtTCmQphhpcc如果已知换热器的传热效率，就可以根据冷热流体的进口温度确定换热器的传热速率Q，即maxmin11()()phcQQmcttt1T1T2t§5.5.1传热效率在换热器中的微元传热面积dA上，由热量衡算方程式和传热速率方程式可得：tdAKdAttKdtcmdtcmdQchcpcchphh)(对于冷流体，满足：pccccmKdAtdt当传热系数K和比热Cpc为