(化工原理)第四節(jié)-傳熱計算課件

1、(化工原理)第四節(jié) 傳熱計算概述 傳熱計算主要有兩類：一類是設(shè)計計算,即根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負(fù)荷,確定換熱器的傳熱面積；另一類是校核計算,即計算給定換熱器的傳熱量、流體的流量或溫度等。 4-4-1 能量衡算-1 以小時為基準(zhǔn),無外功加入,且位能和動能項均可忽略,故實質(zhì)上為焓衡算。假設(shè)換熱器絕熱良好,熱損失可以忽略時, 單位時間內(nèi) 式中 Q 換熱器的熱負(fù)荷(即傳熱速率),kJ/h或W W流體的質(zhì)量流量,kg/h H 單位質(zhì)量流體的焓，kJ/kg若換熱器中兩流體無相變化 式中 cp 流體的平均定壓比熱,kJ/(kg)；t冷流體的溫度,；T熱流體的溫度,。能量衡算-3若換熱器中的熱流體有相變化 式中 W

2、h 飽和蒸氣(即熱流體)冷凝速率,kg/h； r飽和蒸氣的冷凝潛熱,kJ/kg。 冷凝液在飽和溫度下離開換熱器 若冷凝液的溫度低于飽和溫度時 式中cph 冷凝液的比熱,kJ/(kg)； Ts冷凝液的飽和溫度,。 4-4-2 總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)-1一、總傳熱速率微分方程dQ=K(T-t)dS=KtdS K局部總傳熱系數(shù),W/(m2)；T換熱器的任一截面上熱流體的平均溫度,t換熱器的任一截面上冷流體的平均溫度,總傳熱速率微分方程式總傳熱系數(shù)的定義式表明總傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于 單位溫度差下的熱通量。 總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)-2選擇的傳熱面積不同，總傳熱系數(shù)不同dQ=Ki(T-t)

3、dSi=KO(T-t)dS0=Km(T-t)dSm Ki、 KO、 Km基于管內(nèi)表面積、外表面積和內(nèi)外表面平均面積的總傳熱系數(shù)，W/(m2)；Si 、S0、Sm換熱器管內(nèi)表面積、外表面積和內(nèi)外側(cè)的平均面積,m2。dQ及（T-t）和選擇的基準(zhǔn)面積無關(guān),故di、do、dm管內(nèi)徑、外徑和內(nèi)外徑的平均直徑,m總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)-4二、總傳熱系數(shù)（一）、總傳熱系數(shù)的數(shù)值范圍 總傳熱系數(shù)K值主要取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型 總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)-6（二）、總傳熱系數(shù)的計算式 通過管壁之任一截面的熱傳導(dǎo)速率（Tw-tw）管任一截面兩側(cè)的溫度差,b管壁的厚度,m管壁

4、材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2) Sm管壁內(nèi)、外側(cè)表面的平均面積,m2。 dQ=i(T-TW)dSi dQ=O(tW-t)dSO總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)-7總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)-8 dQ=Ki(T-t)dSi=KO(T-t)dS0=Km(T-t)dSm總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)-9（三）污垢熱阻（四）、提高總傳熱系數(shù)途徑分析若傳熱面為平壁或薄管壁時，di、do及dm相等或相近 總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)-10若 io則 Ko由此可知總熱阻是由熱阻大的那一側(cè)的對流傳熱所控制,即當(dāng)兩個對流傳熱系數(shù)相差較大時,要提高K值,關(guān)鍵在于提高對流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的。若兩側(cè)相差不大時,則必

5、須同時提高兩側(cè)的,才能提高K值。若污垢熱為控制因素，則必須設(shè)法減慢污垢形成速率或及時清除污垢4-4-3 平均溫度差法-1 dQ=K(T-t)dS=KtdS 微分方程式,積分后才有實際意義 假定：（1）傳熱為穩(wěn)定操作過程；（2）兩流體的比熱為常量（可取進、出口的平均值）；（3）總傳熱系數(shù)K為常量,即K值不隨換熱器的管長而變化；（4） 換熱器的熱損失可以忽略。平均溫度差法-2一、恒溫傳熱時的平均溫度差換熱器的間壁兩側(cè)流體均有相變化時，就是恒溫傳熱。Q =KS(T-t)=KSt 二、變溫傳熱下的平均溫度差 1.逆流和并流時的平均溫度差 逆流 與 并流 平均溫度差法-3平均溫度差法-4由換熱器的熱量衡

6、算微分式知：根據(jù)前述的假定（1）傳熱為穩(wěn)定操作過程；（2）兩流體的比熱為常量（可取進、出口的平均值）；平均溫度差法-5如果將Q對T或t作圖,由上式可知 Q-T和Q-t是 直線關(guān)系,可分別表示為： T=mQ+k及 t=mQ+k上兩式相減,得：T -t =t=(m-m)Q +(k-k)式中m、k、m、k分別為Q-T和Q-t直線的斜率和截距。 平均溫度差法-6Q-t的直線的斜率為 dQ=K(T-t)dS=KtdS 平均溫度差法-7（3）總傳熱系數(shù)K為常量,即K值不隨換熱器的管長而變化；平均溫度差法-8平均溫度差tm等于換熱器兩端處溫度差的對數(shù)平均值 當(dāng) t2/t12時,可以用算術(shù)平均溫度差代替對數(shù)平

7、均溫度差,并流流動, 該式是計算逆流和并流時的平均溫度差tm的通式。 平均溫度差法-92.錯流和折流時的平均溫度差 錯流 與 折流對于錯流和折流時的對數(shù)平均溫度差,可采用安德伍德和鮑曼提出的圖算法先按逆流求算,然后再根據(jù)流動方向加以校正 平均溫度差法-10溫度差校正系數(shù)與冷、熱兩流體的溫度變化有關(guān),是P和R兩因素的函數(shù) 溫度差校正系數(shù)值可根據(jù)P和R兩因數(shù)查圖得 平均溫度差法-11平均溫度差法-12平均溫度差法-13平均溫度差法-14平均溫度差法-15平均溫度差法-16對于1-2型（單殼程雙管程）換熱器，可用下式計算 對于1-2n型,也可近似使用 平均溫度差法-17（三）流向的選擇在兩流體進、出

8、口溫度各自相同的條件下，逆流時的平均溫度差最大，并流時最小，其它流向介于兩者之間。逆流優(yōu)于并流和其它流型。當(dāng)換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)一定時，采用逆流流動，所需的換熱器的傳熱面積最小 逆流另一優(yōu)點是換熱器面積相同時，可節(jié)省加熱介質(zhì)的用量。這是因為逆流時，熱流體的出口溫度T2可降至的接近冷流體的進口溫度t1 ；而采用并流操作時，只能降到接近冷流體的出口溫度t2，即逆流時熱流體的溫降較并流時為大，因此逆流加熱介質(zhì)用量較少。同理逆流時冷流體的溫升較并流時大，故冷卻介質(zhì)的用量可少些平均溫度差法-18三、總傳熱系數(shù)K不為常數(shù)時的傳熱計算多數(shù)情況下可視為常數(shù)不為常數(shù)時積分在設(shè)計換熱器時，總傳熱系數(shù)K的來

9、源（1）選用生產(chǎn)實際的經(jīng)驗數(shù)據(jù)（2）實驗測定（3）K值的計算4-4-5 傳熱單元數(shù)法-1 傳熱單元數(shù)（NTU）法又稱傳熱效率-傳熱單元數(shù)（ NTU）法，在校核計算、熱能回收利用等方面的計算中得到了廣泛的應(yīng)用。一、傳熱效率換熱器的傳熱效率的定義為： 傳熱單元數(shù)法-2實際傳熱量最大可能傳熱量 Qmax=(Wcp)min(T1-t1)熱流體為最小值流體,即它的熱容量流率較小,則傳熱效率為 傳熱單元數(shù)法-3冷流體為最小值流體,即其熱容量流率較小,則傳熱效率為 傳熱單元數(shù)法-4二、傳熱單元數(shù)NTU 換熱器的熱量衡算和傳熱速率方程的微分式為： 對于熱流體,上式可改寫為： 傳熱單元數(shù)法-5上式的積分式稱為基于熱流體的傳熱單元數(shù),用NTU表