化工基礎(chǔ)44-間壁式熱交換的計(jì)算91905

化工基礎(chǔ)教學(xué)目的：重點(diǎn)難點(diǎn)：§4.4熱交換的計(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

三個(gè)串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)：

熱流體側(cè)的對流傳熱間壁的熱傳導(dǎo)傳熱冷流體側(cè)的對流傳熱4.4問壁式熱交換的計(jì)算

1．傳熱總方程

如圖，傳熱過程是熱流體給熱→間壁導(dǎo)熱→冷流體給熱的串聯(lián)過程。

熱流體的對流傳熱：

管壁熱傳導(dǎo)：冷流體的對流傳熱對于穩(wěn)定傳熱：換熱器內(nèi)進(jìn)行的大都是定態(tài)傳熱過程：

或

間壁式換熱器的傳熱總方程，適用于傳熱面為等溫面的間壁式熱交換過程。說明定態(tài)傳熱總過程的推動(dòng)力和阻力亦具加和性令，則傳熱總方程為：

式中K—傳熱系數(shù)稱總傳熱系數(shù)，

總傳熱方程：√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K2.傳熱系數(shù)K

K是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。其大小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等。表4—3化工中常見傳熱過程的K值范圍

1)當(dāng)換熱器的間壁為單層平面壁時(shí)，A1=A2=Am=A，則傳熱系數(shù)為：

2)若換熱器的傳熱面為單層圓筒壁面時(shí)，A1≠A2≠Am，即傳熱系數(shù)與傳熱面積對應(yīng)時(shí)：

rm

——對數(shù)平均半徑，Am——對數(shù)平均面積若無特殊說明，均為基于管外表面積的K2，其計(jì)算式為：

3)若間壁為多層平面壁以及間壁兩側(cè)有污垢積存時(shí)，傳熱系數(shù)為：

式中分別表示壁面兩側(cè)污垢熱阻系數(shù)，m2?K?W-1

4)冷熱兩流體通過間壁進(jìn)行熱交換的總熱阻等于兩個(gè)對流熱阻與一個(gè)導(dǎo)熱熱阻之和，這和串聯(lián)電路的歐姆定律類似。若導(dǎo)熱熱阻很小，則總傳熱系數(shù)總是更接近數(shù)值較小的給熱系數(shù)，欲提高K值，關(guān)鍵是提高較小的給熱系數(shù)。若h1》h2若h1?h2獲取K的其它途徑：

⑴查取K值

在有關(guān)傳熱手冊和專著中載有某些情況下K的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，但應(yīng)選用工藝條件接近、傳熱設(shè)備類似的較為成熟的經(jīng)驗(yàn)K值作為設(shè)計(jì)依據(jù)，表４-３列出了一些條件下經(jīng)驗(yàn)K值的大致范圍，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

⑵實(shí)驗(yàn)測定

通過實(shí)驗(yàn)測定現(xiàn)有換熱器的流量和溫度，由傳熱基本方程計(jì)算K值：實(shí)驗(yàn)測定可以獲得較為可靠的K值。由計(jì)算方法得到的K值往往與查取的和實(shí)測的K值相差較大，這主要是由于計(jì)算給熱系數(shù)α的關(guān)聯(lián)式有一定誤差和污垢熱阻不易估計(jì)準(zhǔn)確等原因所致，因此，使用計(jì)算的K值時(shí)應(yīng)慎重，最好與另外兩種方法作對照，以確定合理的K值。例題例夾套反應(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。3．傳熱過程的平均溫度差

冷、熱流體溫度差沿?fù)Q熱器壁面的分布情況，決定了整個(gè)換熱過程的溫度差。

（1）定態(tài)恒溫傳熱定態(tài)恒溫傳熱是指換熱器間壁兩側(cè)冷、熱兩流體溫度在壁面的任何位置、任何時(shí)間都不變化，即兩流體的溫度差沿?fù)Q熱面處處相等，恒定不變。K或℃流動(dòng)形式

并流

：逆流

：錯(cuò)流

：折流

：兩流體平行而同向的流動(dòng)

兩流體平行而反向的流動(dòng)

兩流體垂直交叉的流動(dòng)

一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一流體反復(fù)折流

（2）定態(tài)變溫傳熱定態(tài)變溫傳熱時(shí)，換熱器間壁一側(cè)流體或兩側(cè)流體的溫度各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變化,但沿傳熱面的不同位置發(fā)生變化，兩流體間的溫度差Δt沿?fù)Q熱器壁面位置變化，且與兩流體相對流向有關(guān)。熱熱冷冷冷熱假定：

換熱器（1）在穩(wěn)定情況下操作,內(nèi)管走熱流體,溫度由T1降到T2，套管環(huán)隙走冷流體,溫度由t1升到t2,兩流體以相反方向流動(dòng)。以以兩個(gè)套管式換熱器為例，來看一下Δt的變化

,（1）工業(yè)上冷、熱流體在換熱器內(nèi)的相對流向主要有逆流和并流。換熱器（2）內(nèi)管走的熱流體溫度由T1降到T2，環(huán)隙冷流體，溫度由t1升到t2，只是兩流體的流向相同。------并流（2）我們分別求它們的平均溫度差:⑴算術(shù)平均值:逆流時(shí):△t=T1—t2;△t=T2—t1;并流時(shí):△t=T1—t1;△t=T2—t2;算術(shù)平均值只有當(dāng)時(shí)才能適用,這時(shí)誤差小于4%(2)對數(shù)平均溫度差;當(dāng)△t1/△t2>2時(shí),要才用對數(shù)平均溫度差,才能比較確切地反映溫度變化的實(shí)際情況。其計(jì)算式為：例：在一單殼單管程無折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻水將熱流體由100℃冷卻至40℃，冷卻水進(jìn)口溫度15℃，出口溫度30℃，試求在這種溫度條件下，逆流和并流的平均溫度差。解：逆流時(shí)：熱流體：

冷流體：

7025并流時(shí)：熱流體：冷流體：8510在并流和逆流時(shí)，雖然兩流體的進(jìn)、出口溫度不變，但逆流時(shí)的Δtm比并流的大。因此在換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K值相同的條件下，采用逆流操作，可以節(jié)省傳熱面積。

逆流的另一優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。例如，將一定流量的冷流體從20℃加熱到60℃，而熱流體的進(jìn)口溫度為90℃，出口溫度不作規(guī)定。此時(shí)，采用逆流時(shí)，熱流體的出口溫度可以降至接近20℃，而采用并流時(shí)，則只能降至接近于60℃。這樣，逆流時(shí)加熱介質(zhì)用量就較并流時(shí)的為少。

由以上分析可知，逆流優(yōu)于并流，因而工業(yè)生產(chǎn)中換熱器多采用逆流操作。但是在某些生產(chǎn)工藝的要求下，若對流體的溫度有所限制，例如規(guī)定冷流體被加熱時(shí)不得超過某一溫度，或熱流體被冷卻時(shí)不得低于某一溫度，則宜采用并流操作。4．熱負(fù)荷及熱量衡算

生產(chǎn)工藝對換熱器換熱能力的要求稱為換熱器的工藝熱負(fù)荷ΦL。

通過熱負(fù)荷的計(jì)算，可以確定換熱器所應(yīng)具有的傳熱速率，再依據(jù)此傳熱速率可計(jì)算換熱器所需的傳熱面積等。

（1）熱負(fù)荷熱負(fù)荷的計(jì)算根據(jù)工藝特點(diǎn)有兩種情況：①流體在傳熱中只有相變的場合

式中qm——流體的質(zhì)量流量，kg·s-1；

L——流體的相變熱kJ·kg-1②流體在傳熱中僅有溫度變化不發(fā)生相變的場合ΦL=qm·cp(t2-t1)式中cp——流體的比定壓熱容，kJ·kg-1·K-1；

t1,t2——流體傳熱前后的溫度，K；若換熱器中兩種流體無相變化，且流體的比定壓熱容不隨溫度變化或可取平均溫度下的比定壓熱容時(shí)：式中ΦL—換熱器的熱負(fù)荷，kJ·s-1；—分別指熱、冷流體的比定壓熱容，kJ·kg-1·K-1；

—分別指熱流體的進(jìn)、出口溫度和冷流體的進(jìn)、出口溫度，K。若換熱器中的熱流體有相變，如飽和水蒸氣的冷凝時(shí)：

（2）熱量衡算例用134℃的飽和水蒸氣(304kPa)通入夾套,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:4.5換熱器的選擇及傳熱過程的強(qiáng)化1．換熱器的選擇

①冷、熱流體的流量、進(jìn)出口溫度、操作壓力等；

②冷、熱流體的物性參數(shù)；

③冷、熱流體的工藝特點(diǎn)、腐蝕性、懸浮物含量等。換熱器的選擇，是在換熱器系列化標(biāo)準(zhǔn)中確定合適的換熱器類型和規(guī)格的過程。換熱器的選擇首先要考慮以下事項(xiàng)。（1）了解換熱任務(wù)，掌握基本數(shù)據(jù)及特點(diǎn)。

（2）確定選用換熱器的型式，決定流體的流動(dòng)空間。如選定列管換熱器，對換熱流體流動(dòng)空間可按下列原則確定。

①不潔流體或易結(jié)垢、沉淀、結(jié)晶的流體走管程；②需提高流速以增大對流傳熱系數(shù)的流體走管程；③腐蝕性流體走管程，以免腐蝕殼體和管束；④壓力高的流體走管程，管子耐壓性好；⑤飽和蒸氣宜走管程，便于排出冷凝液；

⑥粘度大或流量較小的流體宜走殼程，可在低Re（Re＞100）達(dá)到湍流；

⑦需冷卻的流體一般選殼程，便于散熱。①流體定性溫度，查取或計(jì)算定性溫度下有關(guān)物性數(shù)據(jù)；

②由傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷；

③作出適當(dāng)選擇，并計(jì)算對數(shù)平均溫度差；

④選取總傳熱系數(shù)、估計(jì)換熱面積，由此可試選適當(dāng)型號(hào)的換熱器；

⑤核算總傳熱系數(shù)；

⑥估算傳熱面積。在換熱器型式和規(guī)格確定中，計(jì)算的主要內(nèi)容有：2．傳熱過程的強(qiáng)化

傳熱過程的強(qiáng)化目的是充分利用熱能，提高換熱器單位面積的傳熱速率；力圖以較小的傳熱面積或較小體積的換熱器完成一定的傳熱任務(wù)。強(qiáng)化傳熱過程的主要途徑有三條。

（1）增大傳熱面積A增大間壁式換熱器傳熱面積A，可提高過程的傳熱速率。但增大A，設(shè)備投資費(fèi)用增大。改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)，采用螺紋管、波紋管代替光滑管，或采用新型換熱器如翅片管式換熱器，可以實(shí)現(xiàn)單位體積的傳熱面積增大的效果用螺紋管或螺旋槽管◆傳熱量的增加率低于傳熱面積的增加率。增加傳熱面積一般是指增大單位體積內(nèi)的傳熱面積。圓管外表面上加螺旋翅片反應(yīng)釜內(nèi)加浸沒式蛇管。多孔物質(zhì)結(jié)構(gòu)采用小直徑管當(dāng)工藝規(guī)定冷、熱流體溫度時(shí)，采用逆流換熱可獲得較大的Δtm，亦可改用嚴(yán)格逆流的套管換熱器或螺旋板換熱器實(shí)現(xiàn)Δtm的增大。提高h(yuǎn)和λ、降低δ都能使K值增大。提高K值的具體辦法，可以從以下幾個(gè)方面考慮。

（2）增大平均溫度差Δtm增大傳熱系數(shù)K是強(qiáng)化傳熱過程最有效的途徑。（3）增大傳熱系數(shù)K③提高λ、降低δ.

a．盡量選擇λ較大的載熱體；

b．換熱器金屬壁面一般較λ值大，熱阻?。坏酃笇訜嶙韬艽?，應(yīng)防止或減緩垢層形成并及時(shí)清除之。①增加湍流程度、減小對流傳熱的熱阻、提高h(yuǎn)值。a．提高流體流速、增加湍流程度、減小滯流底層厚度，可有效地提高無相變流體的h值。