熱交換的計(jì)算

化工基礎(chǔ)AnIntroductiontoChemicalIndustryandEngineering教學(xué)目的：重點(diǎn)難點(diǎn)：課型：§4.4熱交換(heatexchange)的計(jì)算學(xué)習(xí)總傳熱方程及其推導(dǎo)，比較不同傳熱形式，并計(jì)算各種換熱方式的溫差，了解強(qiáng)化傳熱過程的途徑?？倐鳠岱匠碳皞鳠釡夭畹挠?jì)算理論知識復(fù)習(xí)傳導(dǎo)傳熱（heatconduction）

:對流傳熱(convectionofheat):平面壁：圓筒壁：FourierheatequationNewtonheatequation§4.4熱交換(heatexchange)的計(jì)算化工生產(chǎn)中經(jīng)常用到的傳熱操作是熱流體經(jīng)管壁或器壁向冷流體傳熱的過程，該過程稱為間壁式熱交換或換熱。熱流體湍流主體冷流體湍流主體Tt器壁Q一、總傳熱方程

(overallheattransferequation)熱流體T一側(cè)壁面TW另一側(cè)壁面tW冷流體t對流傳導(dǎo)對流熱流體湍流主體冷流體湍流主體Tt?Steadystate:總傳熱方程:平面壁的總傳熱方程總傳熱方程:＆平面壁:K——傳熱系數(shù)(coefficientofheattransfer)

或總傳熱系數(shù)，W.m-2.K-1;R——總熱阻，為串聯(lián)各分熱阻的總和。復(fù)合平面壁：圓筒壁的總傳熱方程＆圓筒壁：或基于管外表面積的傳熱系數(shù)K2:以圓管內(nèi)壁面、外壁面和平均壁面為基準(zhǔn)的K值各不相同，但KA一定是相同的。總傳熱方程：※

K是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。其大小取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等。傳熱系數(shù)√通過公式計(jì)算K√查取相關(guān)手冊選用經(jīng)驗(yàn)值(基于管外表面積)√通過實(shí)驗(yàn)測定K傳熱系數(shù)的大致范圍換熱流體K/W.m-2.K-1換熱流體K/W.m-2.K-1氣體-氣體氣體-有機(jī)物氣體-水10~3010~4010~60冷凝水蒸氣-氣體冷凝水蒸氣-有機(jī)物冷凝水蒸氣-水10~5050~400300~2000油-油油-水水-水100~300150~400800~1800冷凝水蒸氣-沸騰輕油冷凝水蒸氣-沸騰溶液冷凝水蒸氣-沸騰水500~1000300~25002000~4000例題例4-7夾套反應(yīng)釜的內(nèi)徑為80cm，釜壁碳鋼(=50W.m-1.K-1)板厚8mm,襯搪瓷厚3mm(=1.0W.m-1.K-1)，夾套中通飽和水蒸氣(h=10000W.m-2.K-1)加熱，水蒸氣溫度為120℃，釜內(nèi)為有機(jī)物(h=250W.m-2.K-1)，溫度為80℃。求該條件下單位面積的傳熱速率和各熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。解：因內(nèi)徑0.8m≈外徑0.822m,可近似作為平面壁，則可見：主要熱阻在搪瓷襯里和有機(jī)物這一側(cè)。如果忽略水蒸氣和碳鋼的熱阻，計(jì)算結(jié)果只相差3.6%。例4-8在列管加熱器中,20℃原油流經(jīng)管內(nèi)(h=200W.m-2.K-1)，管外用120℃飽和水蒸氣加熱(h=10000W.m-2.K-1)，管子為48mm×2mm無縫鋼管(=50W.m-1.K-1)，管內(nèi)油垢層厚為1mm(=1.0W.m-1.K-1)。求通過每米管長的傳熱速率。若將h1、h2分別提高一倍，則傳熱速率有何變化？解：可見：提高原來h已經(jīng)很大的這側(cè)流體的傳熱膜系數(shù)，對總傳熱的影響是不大的；而降低熱阻大的這側(cè)流體的熱阻，對傳熱速率的提高則是有意義的。r1r’1r2總傳熱方程:傳熱溫差連續(xù)定態(tài)傳熱有兩種情況:恒溫和變溫定態(tài)恒溫傳熱:兩流體經(jīng)傳熱面進(jìn)行熱交換時(shí),沿壁面上兩流體的溫度不僅不隨時(shí)間變化，同時(shí)也不隨壁面的不同位置而變化。如蒸發(fā)和蒸餾。K或℃?zhèn)鳠釡夭疃☉B(tài)變溫傳熱：傳熱壁面各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化，但隨傳熱面位置不同而不同。冷熱并流逆流錯(cuò)流簡單折流傳熱溫差并流和逆流特點(diǎn)：在相同的條件下(如相同的換熱時(shí)間或換熱面積)，逆流傳熱平均溫度差大于并流傳熱平均溫度差。逆流比并流換熱更完全。并流逆流21t2t2并流傳熱溫度差的前后變化比逆流劇烈。傳熱溫差對數(shù)平均溫差:熱交換的計(jì)算例4-11套管換熱器中,用一定量的熱流體將另一定量的冷流體加熱。熱流體溫度由120℃降到70℃，冷流體由20℃升到60℃。比較并流與逆流的傳熱溫差。T1=120℃T2=70℃t1=20℃t2=60℃T1=120℃t1=20℃t2=60℃T2=70℃解：并流℃℃逆流℃℃℃℃℃根據(jù)總傳熱方程=KAt，傳熱量相同時(shí)，逆流所需的傳熱面積比并流小，設(shè)備尺寸隨之可以減小。換熱器中冷、熱兩種流體進(jìn)行熱交換，若忽略熱損失，熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。熱量衡算兩種流體均無相變：一種流體有相變：兩種流體均有相變：例4-9用134℃的飽和水蒸氣(304kPa)通入夾套發(fā)生冷凝,使沸騰的甲苯氣化成甲苯蒸氣送往反應(yīng)器,甲苯沸點(diǎn)為110.6℃(氣化熱363.5kJ.kg-1),加熱面為1m2,每小時(shí)氣化200kg甲苯.求傳熱系數(shù)K。若保溫后甲苯氣化過程尚有10%熱損失，求水蒸氣每小時(shí)消耗量。根據(jù)需要傳熱速率應(yīng)為：由總傳熱方程得：水蒸氣凝結(jié)熱2.16×103kJ.kg-1，消耗水蒸氣量：定態(tài):解:例4-12在某以一定尺寸的套管換熱器中，熱流體與冷流體并流換熱。熱流體由120℃降到70℃，冷流體由20℃到60℃。若換熱器及有關(guān)條件（流體進(jìn)口溫度及流量等）不變，將并流改為逆流，求冷、熱流體排出溫度?？稍O(shè)傳熱系數(shù)、物料的比容及設(shè)備的熱損失不變。解：T1=120℃t1=20℃t2=60℃T2=70℃t1=20℃T1=120℃t’2=？T’2=？℃℃例:用一傳熱面積為3m2，由25mmk2．5mm的管子組成的單程列管式換熱器，用初溫為10℃的水將機(jī)油由200℃冷卻至100℃，水走管內(nèi)，機(jī)油走管間。已知水和機(jī)油的質(zhì)量流量分別是1000kg/h和1200kg/h，其定壓質(zhì)量熱容分別為4.18kJ/(kg.K)和2.0kJ/(kg.K),水側(cè)和機(jī)油側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別是2000w/(m2.K)和250w/(m2.K)

。兩流體呈逆流流動(dòng)(Re＞104)，忽略管壁和污垢的熱阻。

(])計(jì)算說明該換熱器是否合用?(2)夏天當(dāng)水的初溫達(dá)到30℃時(shí)，而機(jī)油的流量及冷卻程度不變，問此時(shí)換熱器是否合用?如何解決，(假設(shè)傳熱系數(shù)不變)。例要求每小時(shí)冷凝500kg乙醇蒸氣,并將凝結(jié)液冷卻至30C,乙醇的凝結(jié)溫度為78.5C，凝結(jié)熱為880kJ.kg-1，液體乙醇的平均比定壓熱容為2.8kJ.Kg-1.K-1，乙醇蒸氣在該條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為3500W.m-2.K-1，乙醇液體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為700W.m-2.K-1。冷卻水（逆流）的初始溫度為15C

，排出溫度為35C

，水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1000W.m-2.K-1。管壁及污垢層的熱阻可忽略。水的比定壓熱容為4.2kJ.Kg-1.K-1。試計(jì)算熱交換器應(yīng)有的換熱面積。（先求出冷卻水的用量，再將冷凝區(qū)和冷卻區(qū)分開計(jì)算）78.5oC78.5oC30oC15oC?35oC乙醇水？冷凝區(qū)冷卻區(qū)兩種流體均無相變：一種流體有相變：兩種流體均有相變：利用總傳熱速率方程進(jìn)行計(jì)算的過程中，為了使計(jì)算簡便，通常假設(shè)：

(1)傳熱為定態(tài)操作過程；

(2)兩流體的比熱為常量(可取進(jìn)、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。逆流與并流傳熱的比較相同條件（如相同的流體和相同的起始及最終溫度）下，逆流比并流有更大的平均傳熱推動(dòng)力——傳熱溫差，相應(yīng)地只要較小的換熱面積。并流換熱時(shí)，冷流體受熱后的極限溫度只低于或接近于熱流體換熱后的最終溫度。逆流換熱時(shí)則不受此限制，冷流體受熱后的極限溫度只低于或接近于熱流體的初始溫度，熱流體換熱后的極限溫度只高于或接近于冷流體的初始溫度，熱能能較充分地利用與回收，相應(yīng)地只要用較少的傳熱介質(zhì)（加熱劑或冷卻劑）就可以達(dá)到要求的傳熱效果。并流傳熱溫度差的前后變化比逆流劇烈。并流的特點(diǎn)及其用途＆并流的特點(diǎn)：初期傳熱速率大，后期傳熱速率小。＆用途：有熱效應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)；也用于換熱時(shí)防止過熱或過冷的場合。強(qiáng)