傳熱過程計算習(xí)題課件

1、4.4.4 總傳熱速率方程的應(yīng)用傳熱面積的計算：K 為常數(shù)時：當(dāng)K為變量，但K隨溫度呈線性變化時：4.4.4 總傳熱速率方程的應(yīng)用傳熱面積的計算：（3）K 隨溫度不呈線性變化時：若K 隨溫度變化不大，可以采用分段計算法： 將換熱器分段，每段的K視為常量，將各段計算所得的換熱面積相加和。（3）K 隨溫度不呈線性變化時：用圖解積分法或數(shù)值積分法求得。例4-10 現(xiàn)要求每小時將500kg的乙醇飽和蒸氣（Tb=78.5 ）在換熱器內(nèi)冷凝并冷卻至30 ,已知其傳熱系數(shù)在冷凝和冷卻時分別為1=3500Wm-2 K-1， 2=700Wm-2 K-1，t1=15 ， t2=35。已知水的傳熱系數(shù)3=1000W

2、m-2 K-1，cp,c=4.2kJkg-1K-1,忽略管壁和污垢熱阻,求換熱器的傳熱面積。解：乙醇冷凝放熱：乙醇冷卻放熱：總放熱：Q1+Q2=1.41105W冷卻水流量用傳熱速率方程求傳熱面積，既有相變傳熱，也有無相變的變溫傳熱，因此將傳熱面積分段求解，分為冷凝段和冷卻段，求得兩段分界處的水溫，再求其他。78.578.5353015冷凝段兩段分界處水溫：t=35-17.3=17.7 78.578.5353015冷凝段：78.578.535301517.7 冷卻段換熱器傳熱面積S=S1+S2=3.04+1.40=4.44m278.578.535301517.7 2. 實驗測定總傳熱系數(shù)K方法：

3、實驗測定流體的溫度、流量等參數(shù)， 通過 計算。例3. 換熱器的操作型計算若qm,c=1.2 qm,c，t1、t2不變，應(yīng)采取什么措施? （忽略管壁熱阻和污垢熱阻）T1T2t1t28020T=116.3P=1.765105Pa殼間水蒸氣冷凝空氣湍流例4-11原流量下：新流量下：（2）傳熱速率原流量下 ，式中0525(1)熱量恒算60002000030000100000新流量下，強制湍流，管徑不變， 則原流量下新流量下只有提高飽和蒸氣的壓力才能滿足要求。T1= 116.3T2=T1t1=20t2=80P=1.765105PaT1=？qm,c=1.2 qm,c4.4.5 傳熱單元數(shù)法（NTU法） 傳

4、熱單元法又稱傳熱效率-傳熱系數(shù)法（-NTU)一、傳熱效率最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差 變化的傳熱速率。理論上最大的溫差：17熱容流量：qmcp 由熱量衡算得最小值流體可獲得較大的溫度變化最小值流體：熱容流量最小的流體為最小值流體。18二、傳熱單元數(shù)基于冷流體的傳熱單元數(shù)19傳熱單元數(shù)： 量綱為1的函數(shù)，反映傳熱推動力和傳熱所要求的溫度變化。傳熱推動力，（NTC)c 長度量綱，是傳熱熱阻和流體流動狀況的函數(shù)。 總傳熱系數(shù)越大，傳熱單元長度越短，所需傳熱面積越小。同理，對熱流體：傳熱單元長度Hc:2021三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系根據(jù)熱量衡算和傳熱速率方程導(dǎo)出。以單程并流換熱器為

5、例推導(dǎo)。并流：令：22三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系同理，逆流時傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系：若熱流體為最小值流體，則令：得出了冷流體為最小值相同的公式。傳熱單元數(shù)法 單程逆流換熱器中和 NTU 關(guān)系 折流換熱器中和 NTU 關(guān)系 244.4.6 傳熱計算示例 例題：用120C的飽和水蒸汽將流量為36m3/h的某稀溶液在雙管程列管換熱器中從溫度為80C上升到95C，每程有直徑為252.5mm管子30根，且以管外表面積為基準(zhǔn)K=2800 W/m2.C，蒸汽側(cè)污垢熱阻和管壁熱阻可忽略不計。求：（1）換熱器所需的管長；（2）操作一年后，由于污垢積累，溶液側(cè)的污垢系數(shù)增加了0.00009m2.C/W，若

6、維持溶液原流量及進(jìn)口溫度，其出口溫度為多少？若又保證溶液原出口溫度，可采取什么措施？（定性說明） 溶液的=1000kg/m3；cp=4.2kJ/kg. C。(四) 壁溫的計算對穩(wěn)態(tài)傳熱過程 整理上式可得：壁溫總是接近較大一側(cè)的流體溫度；若1 2， 則壁溫如果管壁兩側(cè)有污垢，則(四) 壁溫的計算例4-11 在一由252.5mm鋼管構(gòu)成的廢熱鍋爐中，管內(nèi)通入高溫氣體，進(jìn)口500,出口400。管外為p=981kN/m2壓力（絕壓）的水沸騰。已知高溫氣體對流傳熱系數(shù)a1=250W/ m2，水沸騰的對流傳熱系數(shù)a2=10000 W/ m2。忽略污垢熱阻。試求管內(nèi)壁平均溫度Tw及管外壁平均tw。 解：(a

7、) 總傳熱系數(shù) 以管子內(nèi)表面積S1為基準(zhǔn) 500400(c)計算單位面積傳熱量 (d)管壁溫度 Q/A1=K1tm =242271=65580W/ m2 T-熱流體的平均溫度，取進(jìn)、出口溫度的平均值 T=(500+400)/2=450 管內(nèi)壁溫度 (b) 平均溫度差 在p=981 kN/m2，水的飽和溫度為179 管外壁溫度 由此題計算結(jié)果可知：由于水沸騰對流傳熱系數(shù)很大，熱阻很小，則壁溫接近于水的溫度，即壁溫總是接近對流傳熱系數(shù)較大一側(cè)流體的溫度。又因管壁熱阻很小，所以管壁兩的溫度比較接近。 4.3.3 保溫層的臨界直徑六、 換熱器6.1 間壁式換熱器（一）管式換熱器1.蛇管換熱器：沉浸式和

8、噴淋式2.套管式換熱器3.列管式換熱器（二）板式換熱器：夾套換熱器、螺旋板式換熱器（三）翅片式換熱器（四）熱管蛇管的形狀（2）沉浸式（3）噴淋式（1）沉浸式蛇管換熱器整體沉浸式蛇管換熱器強化措施：可減少管外空間；容器內(nèi)加攪拌器。（2）噴淋式蛇管換熱器 放置在室外空氣流通處。管外流體湍動程度較高，故其給熱系數(shù)較沉浸式為大; 缺點：噴淋不易均勻。噴淋式換熱器2.套管式換熱器每一段套管稱為一程，長46m，程數(shù)由傳熱而定。優(yōu)點：簡單，能耐高壓，可嚴(yán)格逆流，有利傳熱缺點：接頭較多易泄露，單位體積傳熱面積小。3. 列管式換熱器a)單管程單殼程結(jié)構(gòu)：一束裝在圓柱型殼體內(nèi)的圓管，兩端再加設(shè)封頭（端蓋）組成。b

9、)多程換熱器當(dāng)流體在管束內(nèi)(間)流動的距離2個換熱器列管長度時，稱相應(yīng)的換熱器為多管程(殼程)換熱器。 固定管板式管殼式換熱器固定管板式換熱器：簡單，但殼側(cè)不易清洗。浮頭式換熱器：無溫差應(yīng)力，浮頭可拆卸；U型管式換熱器：殼體與管束分開，管內(nèi)清洗難填料函式換熱器：浮頭和殼體之間采用填料函密封浮頭式換熱器U型管換熱器40U型管換熱器特點：結(jié)構(gòu)較浮頭簡單；但管程不易清洗。圓缺形圓盤形多管程：增大管內(nèi)流體u，提高管內(nèi)的加擋板：增大殼程流體的湍動，提高殼程的（二）板式換熱器 特點：構(gòu)造簡單，但傳熱面積受容器壁面的限制，一般不超過10m2，且傳熱系數(shù)也不高。 為強化傳熱，可在釜內(nèi)安裝攪拌器；為及時移走釜內(nèi)

10、熱量，可在其中安裝蛇管。加熱蒸汽冷凝水物料釜夾套攪拌器（1）夾套式換熱器（2）螺旋板式換熱器特點：傳熱系數(shù)高；不易結(jié)垢和堵塞；能利用溫度較低的熱源；結(jié)構(gòu)緊湊。（3）板翅式換熱器的板束(4) 平板式換熱器流向示意圖（三) 翅片式換熱器（四）熱管熱管是一個封閉的金屬管，管內(nèi)有毛細(xì)吸液液芯結(jié)構(gòu)，抽除管內(nèi)全部不凝性氣體并充以定量的可氣化的工作液體。蒸汽芯網(wǎng)導(dǎo)管吸熱蒸發(fā)端放熱冷凝端熱管示意圖6.2 換熱器傳熱過程的強化（一）強化傳熱的途徑增大傳熱面積A： 從改革換熱器結(jié)構(gòu)入手，開發(fā)單位體積傳熱面積大的換熱器。 A金屬材料用量 設(shè)備費用 具體措施：設(shè)計制造高效緊湊的換熱器：波紋形的平板式換熱器板間距46m

11、m，其單位體積換熱面積是列管換熱器的6倍；螺旋管為列管的3倍。如：平板式、板翅式及螺旋板式換熱器。 提高傳熱系數(shù)K設(shè)法減小對K值影響較大的熱阻，即可使K；/ 對K影響不大：管壁厚度較薄，金屬大；Ri 、Ro為管內(nèi)、外側(cè)污垢層的熱阻。 垢層熱導(dǎo)率很小，即使很薄熱阻很大； 1mm垢層熱阻=40mm厚鋼板的熱阻對流傳熱膜系數(shù)i、o：同一數(shù)量級，或相差不大同時提高兩側(cè)；相差懸殊時，要K，需重點增加小的一方的具體措施：u流體湍動程度 層流底層厚度 ，采用外加脈動或超聲波，增加流體的湍動程度。在流體中加入固體顆粒增加傳熱。Cp，固體 Cp，氣體，少量加入即可增加氣體的熱容量，也可增加氣體的湍動程度。采用大

12、的流體作載熱體，如熔鹽、液態(tài)金屬等，以降低傳熱邊界層的熱阻，增大傳熱速率。具體措施：設(shè)計特殊的傳熱壁面，使流體在流動過程中不斷改變流動方向，促使形成湍流。如翅片結(jié)構(gòu)，內(nèi)置各種插物：麻花鐵、螺旋圈等。增大平均溫度差tm兩流體采用逆流傳熱；提高熱流體的溫度或降低冷流體的溫度。根據(jù)技術(shù)上的可能和經(jīng)濟(jì)上的合理性： 選擇加熱劑或冷卻劑。554.6.1 換熱器的分類按用途分類： 加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器按冷熱流體熱量交換方式分類：混合式、蓄熱式和間壁式主要內(nèi)容：1. 根據(jù)工藝要求，選擇適當(dāng)?shù)膿Q熱器類型；2. 通過計算選擇合適的換熱器規(guī)格。564.6.2 間壁式換熱器的類型一、夾套換熱器57流

13、體流過折流擋板581. 固定管板式特點：結(jié)構(gòu)簡單；但殼程檢修和清洗困難。592. 浮頭式特點：可完全消除熱應(yīng)力,便于清洗和檢修, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜603. U型管式特點：結(jié)構(gòu)較浮頭簡單；但管程不易清洗。614.6.3 列管換熱器的選用1. 根據(jù)工藝任務(wù)，計算熱負(fù)荷2. 計算tm3. 依據(jù)經(jīng)驗選取K，估算A4. 確定冷熱流體流經(jīng)管程或殼程，選定u 先按單殼程多管程的計算，如果0.8，應(yīng)增加殼程數(shù)； 由u和V估算單管程的管子根數(shù)，由管子根數(shù)和估算的A，估算管子長度，再由系列標(biāo)準(zhǔn)選適當(dāng)型號的換熱器。浙江大學(xué)本科生課程化工原理第五章 傳熱過程計算與換熱器62/16設(shè)計方法及步驟：5.3.1列管式換熱器（管殼式

14、換熱器）635. 核算K 分別計算管程和殼程的，確定垢阻，求出K，并與估算的K進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。6. 計算A 根據(jù)計算的K和tm，計算A，并與選定的換熱器A相比，應(yīng)有10%25%的裕量。64選用換熱器中的有關(guān)問題：(1) 流體流經(jīng)管程或殼程的選擇管程：不清潔或易結(jié)垢、腐蝕性、壓力高的流體。殼程：飽和蒸汽、需要冷卻、粘度大或流量小的流體。原則：傳熱效果好，結(jié)構(gòu)簡單，清洗方便(2) 流體uuK，在同Q、tm下A，節(jié)省設(shè)備費；uHf ，操作費用增加；u選擇是經(jīng)濟(jì)上權(quán)衡的問題，但要避免層流流動 。65(3) 換熱器中管子的規(guī)格和排列方式管子的規(guī)格：192mm和252.5mm 管長：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m排列方式：正三角形正方形直列正方形錯列66流體垂直流過管束外流動674.6.4 傳熱過程的強化途徑一、增大tm 提高加熱劑T1的溫度或降低冷卻劑t1的溫度 兩側(cè)變溫情況下，盡量采用逆流流動為了增強傳熱效率，可采取tm、A/V、K。二、增大A/V 直接接觸傳熱，可增大A 和湍動程度，使Q68 采用高效新型換熱器改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)入手來增大A 和湍動程度，使Q(a)光直翅片 (b)鋸齒翅片 (c)多孔翅片69三、增大K盡可能利用有相變的熱載體（大）用大的熱載體，如液體金屬Na等減小金屬壁、污垢及兩側(cè)流體熱阻中較大者的熱阻提高較小一側(cè)有