《理學化工原理》PPT課件.ppt

1、第四章 熱量傳遞及設(shè)備,4.5 傳熱過程計算,化工原理,第五節(jié) 總傳熱速率和傳熱過程的計算,4-5-1 總傳熱速率方程 4-5-2 熱量衡算 4-5-3 總傳熱系數(shù) 4-5-4 平均溫度差 4-5-5 壁溫的估算 4-5-6 傳熱效率法,4-5-1 總傳熱速率方程,dQ = K (T-t) dA = Kt dA,Ai, A0, Am,4-5-2 熱量衡算,若換熱器內(nèi)兩種流體均無相變，且流體的比定壓熱容 不隨溫度變化時，熱量衡算可表示為：,若換熱器中流體有相變化，例如飽和蒸氣冷凝，冷凝液 在飽和溫度下離開。 式中：r為飽和蒸氣的潛熱，J/kg; Cp,c為冷卻劑的比定壓熱容，J/kg K,若冷凝

2、液溫度低于飽和溫度離開換熱器 式中：Cp,h為冷凝液的比定壓熱容，J/kg K； ts為飽和蒸汽溫度，,各部分傳熱速率方程：,管內(nèi)側(cè)流體：,管壁導(dǎo)熱：,管外側(cè)流體：,各部分傳熱速率方程：,管內(nèi)側(cè)流體：,各部分傳熱速率方程：,管內(nèi)側(cè)流體：,各部分傳熱速率方程：,管內(nèi)側(cè)流體：,管壁導(dǎo)熱：,各部分傳熱速率方程：,管內(nèi)側(cè)流體：,管外側(cè)流體：,管壁導(dǎo)熱：,各部分傳熱速率方程：,管內(nèi)側(cè)流體：,4-5-3 總傳熱系數(shù),1總傳熱系數(shù)K值的計算,對穩(wěn)態(tài)傳熱:,式中，K 總傳熱系數(shù)，W/m2K。 注意： K 與 A 對應(yīng)，選Ai、Am 或 A0,故穩(wěn)態(tài)傳熱時，,總傳熱系數(shù)計算公式,傳熱系數(shù)和傳熱面積,K 傳熱系數(shù)

3、，表示換熱設(shè)備性能的重要參數(shù)。,(1) K的計算 在實際生產(chǎn)中以外表面積A0作為傳熱面積。,K的來源： 實驗測定； 取生產(chǎn)實際的經(jīng)驗數(shù)據(jù)； 計算求得。,2污垢熱阻,Ri 和 RO,實際計算熱阻應(yīng)包括壁兩側(cè)污垢熱阻：,圓管中：,平壁：,3控制熱阻,從上面的式子可以看出，提高總傳熱系數(shù)，需設(shè)法減小熱阻，而傳熱過程中各層熱阻的值并不相等，其中熱阻最大的一層就是傳熱過程中的控制熱阻。只有設(shè)法降低控制熱阻，才能較大的提高傳熱速率。 當管壁熱阻均可忽略時：,【例題】,4-5-4 平均溫度差,幾點假設(shè)： 穩(wěn)態(tài)傳熱 兩流體的比定壓熱容均為常數(shù) K為常數(shù) 忽略熱損失 （1） 恒溫傳熱（兩側(cè)流體溫度恒定）,整臺換

4、熱器分析，并建立傳熱速率方程,沿管長某截面取微元傳熱面積dA，,傳熱速率方程：,熱量衡算方程：,（2）并流或逆流變溫傳熱,當qmhcph、 qmccpc=常數(shù)時， Q-T、 Q-t為線性關(guān)系， 所以， Q-(T-t)也為線性關(guān)系。,說明：,并流：, 逆流：,進、出口條件相同時，,工業(yè)上，一般采用逆流操作（節(jié)省加熱面積）。,【例題】,3錯流和折流時平均溫度差,【例題】,查圖4-39,4不同流動形式的比較,【例題】 有一碳鋼制造的套管換熱器，內(nèi)管直徑為89mm3.5mm，流量為2000kg/h的苯在內(nèi)管中從80冷卻到50。冷卻水在環(huán)隙從15升到35。苯的對流傳熱系數(shù)ah=230W/（m2K），水的

5、對流傳熱系數(shù) ac=290W/（m2K）。忽略污垢熱阻。試求：冷卻水消耗量；并流和逆流操作時所需傳熱面積；如果逆流操作時所采用的傳熱面積與并流時的相同，計算冷卻水出口溫度與消耗量，假設(shè)總傳熱系數(shù)隨溫度的變化忽略不計。,解 苯的平均溫度,比熱容cph=1.86103J/（kgK） 苯的流量qm,h=2000kg/h，水的平均溫度,水的比熱容cpc=4.178103J/（kgK）。 熱量衡算式為,熱負荷,冷卻水消耗量,（忽略熱損失）,以內(nèi)表面積Ai為基準的總傳熱系數(shù)為Ki，碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù),=45W/（mK）,=4.35103+7.46105+3.18103 =7.54103m2K/W Ki=133

6、W/（m2K），本題管壁熱阻與其它傳熱阻力相比很小，可忽略不計。,傳熱面積,傳熱面積,逆流操作 Si=6.81m2，,設(shè)冷卻水出口溫度為t2，則,，,t2=8033.4=46.6 水的平均溫度t=（15+46.6）/2=30.8，cpc=4.174103J（kg） 冷卻水消耗量,逆流操作比并流操作可節(jié)省冷卻水：,50 t2 15,35,4-5-5 壁溫的估算,4-5-6 傳熱效率-傳熱單元數(shù)法 設(shè)計型計算無須試差法,操作型計算需用試差法。 設(shè)計型計算,總之，對于設(shè)計型計算冷、熱流股的溫度都已知，或者可以通過熱流量衡算達到已知，無須試差。, 操作型計算 已有一臺面積為A的換熱器，若用其加熱某流體

7、，,若采用1955年由凱斯導(dǎo)出的傳熱效率及傳熱單元數(shù)法，則能避免試差而方便地求得其解。,(1) 傳熱效率和傳熱單元數(shù), 傳熱效率,逆流：,哪一側(cè)流體能獲得最大的溫度變化（T1-t1）max， 這將取決于兩流體熱容量流率(qmcp)的相對大小。,并流：,傳熱單元數(shù)NTU (The Number of Transfer Units ), 傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系,傳熱單元數(shù)物理意義：單位傳熱推動力引起的溫度變化； 表明了換熱器傳熱能力的強弱。,單程并流為例，假設(shè)冷流體為最小值流體,為便于工程計算，將、NTU、R之間關(guān)系繪制成曲線,(3) 應(yīng) 用已知R和NTU，可求得， 進而求t2 和t2 ， 可避免試差計算。,注意：,設(shè)計型計算：已知th1，th2，tc1 ，qmc，qmh，K，求傳熱面積A； 采用對數(shù)平均溫度差法,操作型計算： 已知th1 ，tc1，qmc，qmh，K，A 求th2 、tc2、Q。 采用傳熱效率法，不必試算。,【例題】 在一傳熱面積為15.8m2的逆流套管換熱器中，用油加熱冷水。油的流量為2.85kg/s，進口溫度為110；水的流量為0.667kg/s，進口溫度為35。油和水的平均比熱容分別為1.9kJ/(kg)及4.18 kJ/(kg)。換熱器的總傳熱系數(shù)為320W/（m2）試求水的出口溫度及傳熱量。,解：本題用NTU法計算。 qhcph=2.85190