化工原理第四章第四节.ppt

例例：有有一一列列管管式式换换热热器器，用用冷冷却却水水使使流流量量为为20002000kghkgh-1-1的的硝硝基基苯苯从从8282冷冷却却至至2727，冷冷却却水水由由1515升升至至3535，试试求求冷冷却却水水用用量量。已已知知硝硝基基苯苯的的平平均均定定压压比比热热c cp1p1=1.581.58kJkgkJkg-1-1-1-1，水水的的平平均均定定压压比比热热c cp2p2=4.1794.179kJkgkJkg-1-1-1-1。设设备热损失可忽略。备热损失可忽略。2024/5/9 周四.已知：已知：qm1T1、T2、t2、t1、cp1、cp2求：求：qm22024/5/9 周四.第四节第四节 总传热过程的分析计算总传热过程的分析计算2024/5/9 周四.热量衡算热量衡算总传热速率方程总传热速率方程总传热系数总传热系数平均温度差平均温度差传热计算举例传热计算举例传热面积的计算传热面积的计算总传热过程的计算总传热过程的计算2024/5/9 周四.一、热量衡算一、热量衡算 冷冷、热热流流体体在在间间壁壁式式换换热热器器中中进进行行热热交交换换时时，若若热热损损失失可可忽忽略略，则则在在单单位位时时间间内内热热流流体体放放出出的热量等于冷流体吸收的热量。即：的热量等于冷流体吸收的热量。即：应用：应用：计算换热器的计算换热器的传热量传热量（热负荷热负荷）。）。Q1单位时间内热流体放出的热量，单位时间内热流体放出的热量，W或或kW。Q2单位时间内冷流体吸收的热量，单位时间内冷流体吸收的热量，W或或kW。2024/5/9 周四.（1）比热法）比热法qm1热流体的质量流量，热流体的质量流量，kgs-1。cp1热流体的平均定压比热，热流体的平均定压比热，Jkg-1-1。1、冷、热流体在传热过程中均冷、热流体在传热过程中均不发生相变化不发生相变化热流体单位时间内放出的热量为：热流体单位时间内放出的热量为：2024/5/9 周四.工程上，以工程上，以定性温度定性温度下的下的定压比热定压比热代替代替平均平均定压比热定压比热进行计算。进行计算。冷流体单位时间内吸收的热量为：冷流体单位时间内吸收的热量为：qm2冷流体的质量流量，冷流体的质量流量，kgs-1。cp2冷流体的平均定压比热，冷流体的平均定压比热，Jkg-1-1。2024/5/9 周四.热流体单位时间内放出的热量为热流体单位时间内放出的热量为冷流体单位时间内吸收的热量为冷流体单位时间内吸收的热量为H1、H2分别为热流体在温度为分别为热流体在温度为T1、T2时的焓值，时的焓值，Jkg-1。h1、h2分别为冷流体在温度为分别为冷流体在温度为t1、t2时的焓值，时的焓值，Jkg-1。（2）热焓法）热焓法2024/5/9 周四.（1）冷、热流体均冷、热流体均仅仅发生发生相变化相变化冷流体吸收的热量为：冷流体吸收的热量为：r1饱和蒸汽的冷凝潜热，饱和蒸汽的冷凝潜热，Jkg-1。r2饱和液体的汽化潜热，饱和液体的汽化潜热，Jkg-1。2、冷、热流体在传热过程中冷、热流体在传热过程中发生相变化发生相变化热流体放出的热量为：热流体放出的热量为：2024/5/9 周四.a、热流体热流体仅仅发生发生相变化相变化，不不发生发生温度变化温度变化 b、热流体发生热流体发生相变化相变化同时发生同时发生温度变化温度变化（2）冷冷、热热流流体体有有一一侧侧发发生生相相变变化化，另另一一侧侧不不发生发生相变化相变化。若若热流体热流体发生发生相变化：相变化：2024/5/9 周四.例：例：试计算压力为试计算压力为150kPa、流量为、流量为1500kgh-1的饱的饱和水蒸气冷凝至和水蒸气冷凝至50的水时所放出的热量。的水时所放出的热量。解解：由由附附录录7（P332）查查得得，饱饱和和水水蒸蒸气气在在压压力力为为 150kPa时时 的的 温温 度度 为为 TS=111，冷冷 凝凝 潜潜 热热 为为rh=2229kJkg-1。依题意知，冷凝水由依题意知，冷凝水由TS=111降温至降温至50，则，则定性温度定性温度为为 蒸汽冷凝时，要放出蒸汽冷凝时，要放出潜热潜热，又要放出，又要放出显热显热。2024/5/9 周四.由附录由附录3查得水在查得水在80.5时的定压比热为时的定压比热为所以所以2024/5/9 周四.也可写成：也可写成：K换热器的平均总传热系数，换热器的平均总传热系数，Wm-2-1。总传热热阻总传热热阻 经推导：经推导：二、总传热速率方程二、总传热速率方程 2024/5/9 周四.注注意意：其其中中K必必须须和和所所选选择择的的传传热热面面积积A相相对应。对应。若间壁为若间壁为圆筒壁圆筒壁，则以不同传热面积为基准的，则以不同传热面积为基准的总传热速率方程为：总传热速率方程为：2024/5/9 周四.三、总传热系数三、总传热系数1、总传热系数、总传热系数K的来源的来源（1）生产实际的经验数据：）生产实际的经验数据：表表4-7（P332）（2）实验测定）实验测定（3）分析计算）分析计算 2024/5/9 周四.2、总传热系数、总传热系数K的计算的计算 总传热系数的总传热系数的通式通式 以传热面积以传热面积A1为基准的总传热系数为为基准的总传热系数为表明：表明：传热过程的传热过程的总热阻总热阻=各串联热阻的叠加各串联热阻的叠加2024/5/9 周四.若传热面为若传热面为平壁平壁，总传热系数为：，总传热系数为：对于对于圆筒壁圆筒壁，以管，以管外表面外表面为基准的总传热系数为为基准的总传热系数为 2024/5/9 周四.基于基于外表面积外表面积总传热系数计算公式总传热系数计算公式那么：那么：2024/5/9 周四.在在总总计计算算传传热热系系数数K时时，一一般般不不能能忽忽略略污污垢垢热阻，热阻，常采用污垢热阻的常采用污垢热阻的经验值经验值（P149表表4-6）对于对于平壁平壁，若壁面两侧的污垢热阻分别为，若壁面两侧的污垢热阻分别为Rd1和和Rd2，则，则3、污垢热阻、污垢热阻2024/5/9 周四.对对于于圆圆筒筒壁壁，若若圆圆筒筒壁壁内内、外外表表面面的的污污垢垢热热阻分别用阻分别用Rdi和和Rd0表示，则表示，则2024/5/9 周四.例例：有有一一套套管管换换热热器器，由由252.5 mm的的钢钢管管组组成成。CO2在在管管内内流流动动，1=40 Wm-2-1。冷冷却却水水在在管管外外流流动动2=3000 Wm-2-1，钢钢管管的的导导热热系系数数=45 W m-2-1，冷冷却却水水测测的的污污垢垢热热阻阻Rd2=0.2110-3 m2W-1，CO2侧侧的的污垢热阻污垢热阻Rd1=0.5310-3 m2W-1。（1）试求总传热系数试求总传热系数；（2）保保持持其其他他条条件件不不变变，试试分分别别计计算算将将1提提高高一一倍倍时时的的Ki值；将值；将2提高一倍时的提高一倍时的Ki值。值。2024/5/9 周四.解解：（1）以以外表面积外表面积为基准的总传热系数为为基准的总传热系数为2024/5/9 周四.以以内表面积内表面积为基准的总传热系数为为基准的总传热系数为2024/5/9 周四.i增大一倍，即增大一倍，即i=80 Wm-2-1 时的时的Ki(2)总传热系数增加了：总传热系数增加了：2024/5/9 周四.当当0增大一倍，即增大一倍，即0=6000 Wm-2-1 时的时的Ki总传热系数增加了：总传热系数增加了：2024/5/9 周四.当当管壁管壁热阻和热阻和污垢污垢热阻均可热阻均可忽略忽略时，时，若若则则可简化为：可简化为：2024/5/9 周四.总总热热阻阻是是由由热热阻阻大大的的那那一一侧侧的的对对流流传传热热所所控控制制（控控制热阻），即制热阻），即对流传热系数较小对流传热系数较小的那一侧。的那一侧。那么那么提高提高K值值，提高，提高对流传热系数较小对流传热系数较小一侧的一侧的。两侧的两侧的相差不大相差不大时，则必须同时时，则必须同时提高两侧提高两侧的的。污垢热阻污垢热阻为为控制因素控制因素时，则必须设法减慢污垢形成时，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。速率或及时清除污垢。2024/5/9 周四.四、传热的平均温度差四、传热的平均温度差 2024/5/9 周四.（一）恒温差传热的平均温度差（一）恒温差传热的平均温度差 冷冷、热热流流体体温温度度在在壁壁面面的的任任何何位位置置都都不不变变化化，即两流体温度差沿换热面处处相等。即两流体温度差沿换热面处处相等。如一侧液体恒温沸腾，另一侧饱和水蒸气冷凝如一侧液体恒温沸腾，另一侧饱和水蒸气冷凝2024/5/9 周四.高温侧冷凝、低温侧升温高温侧冷凝、低温侧升温 高温侧降温、低温侧沸腾高温侧降温、低温侧沸腾1、一侧流体温度变化的平均温度差、一侧流体温度变化的平均温度差（二）变温差传热的平均温度差（二）变温差传热的平均温度差 2024/5/9 周四.2、两侧流体温度都发生变化的平均温度差、两侧流体温度都发生变化的平均温度差2024/5/9 周四.错流错流折流折流2024/5/9 周四.以以逆逆流流为为例例，换换热热器器两两端端温温度度差差分分别别为为t t1 1（较较大）、大）、t t2 2（较小）。（较小）。（1 1）逆流和并流时的平均温度差）逆流和并流时的平均温度差经推导：经推导：2024/5/9 周四.若若t t1 1/t t2 22 2，并流：并流：2024/5/9 周四.例例：现现用用一一列列管管式式换换热热器器加加热热原原油油，原原油油进进口口温温度度为为100，出出口口温温度度为为150，某某反反应应物物作作为为加加热热剂剂，进进口口温温度度250，出出口口温温度度180，试试求求在在这这种种温温度度条条件件下下，逆逆流流和和并并流流的平均温度差。的平均温度差。2024/5/9 周四.解解：逆流时：逆流时：热流体：热流体：冷流体：冷流体：100 80并流时：并流时：热流体热流体：冷流体冷流体：150 302024/5/9 周四.先先按按逆逆流流时时计计算算对对数数平平均均温温度度差差tm逆逆，再再乘乘以以考考虑虑流流动动型型式式的的温温度度修修正正系系数数，得得到到实实际际平平均温度差均温度差tm。可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。逆流的平均温度差大。（2）错流和折流时的平均温度差）错流和折流时的平均温度差 图算法图算法2024/5/9 周四.其中其中2024/5/9 周四.例例：通通过过一一单单壳壳程程双双管管程程列列管管式式换换热热器器将将热热流流体体由由1 12020冷冷却却至至7575，冷冷流流体体进进口口温温度度2020，出口温度出口温度5050，问此时的传热平均温差为多少，问此时的传热平均温差为多少?逆流时逆流时 解：解：2024/5/9 周四.（3）不同流动型式的比较）不同流动型式的比较 1）在在进进、出出口口温温度度相相同同的的条条件件下下，逆逆流流的的平平均均温温度度差差最最大大，并并流流的的平平均均温温度度差差最最小小，其其他他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。就就提提高高传传热热推推动动力力而而言言，逆逆流流优优于于并并流流及及其其他形式流动。他形式流动。当当换换热热器器的的传传热热量量Q、总总传传热热系系数数K相相同同的的条条件下，采用件下，采用逆流逆流操作，所需操作，所需A最小。最小。2024/5/9 周四.当当给给定定加加热热任任务务，qm2、t2、t1确确定定，T1一一般般已知，已知，qm1仅由仅由T2决定。决定。2 2）逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。）逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。2024/5/9 周四.在某些生产工艺有在某些生产工艺有特殊要求时，如要求特殊要求时，如要求冷流体冷流体被加热时被加热时不得不得超过某一温度超过某一温度或或热流热流体体冷却时冷却时不得低于某不得低于某一温度一温度，应采用，应采用并流并流操作。操作。2024/5/9 周四.当换热器有当换热器有一侧一侧流体发生流体发生相变相变且保持且保持温度不变温度不变时，就无所谓时，就无所谓并流并流和和逆流逆流了，不论何种流动型式，了，不论何种流动型式，只要只要进、出口温度相同进、出口温度相同，平均温度差平均温度差就就相等相等。2024/5/9 周四.3）采采用用折折流流和和其其他他复复杂杂流流动动的的目目的的是是为为了了提提高传热系数高传热系数，其，其代价代价是是平均温度差平均温度差相应相应减小减小。温温度度修修正正系系数数是是用用来来表表示示某某种种流流动动型型式式在在给定工况下给定工况下接近逆流的程度接近逆流的程度。一一般般在在设设计计时时应应使使0.9，若若0.8，应应采采用用其他措施，以提高其他措施，以提高。2024/5/9 周四.五、传热面积的计算五、传热面积的计算若传热系数若传热系数K K为为常数常数或可取整个换热器的或可取整个换热器的平均值平均值 其中：其中：2024/5/9 周四.例例：某某列列管管换换热热器器，管管束束由由252.5mm的的钢钢管管组组成成。CO2在在管管内内流流动动，流流量量为为5kgs-1，温温度度由由60冷冷却却至至25。冷冷却却水水走走管管间间，与与CO2呈呈逆逆流流流流动动，流流量量为为3.8kgs-1，进进口口温温度度为为20。已已知知管管内内CO2的的定定压压比比热热cp1=0.653kJkg-1-1，对对流流传传热热系系数数i=260Wm-2-1，管管间间水水的的定定压压比比热热cp2=4.2kJkg-1-1，对对流流传传热热系系数数o=1500Wm-2-1。若若热热损损失失、管管壁壁及及污污垢垢热热阻阻均均可可忽忽略略不不计计，试试计计算算换换热热器器的的传热面积。传热面积。2024/5/9 周四.（2）计算平均温度差计算平均温度差T解解：（：（1）计算冷却水的出口温度计算冷却水的出口温度t32.8 52024/5/9 周四.（3 3）计算总传热系数计算总传热系数2024/5/9 周四.（4）计算传热面积计算传热面积 则：则：2024/5/9 周四.1、用绝对压力为用绝对压力为300kPa的饱和水蒸气将体积的饱和水蒸气将体积流量为流量为80m3/h的苯胺从的苯胺从80加热到加热到100。饱和。饱和水蒸气的冷凝潜热水蒸气的冷凝潜热r为为2168 kJ/kg，蒸气冷凝的饱，蒸气冷凝的饱和温度为和温度为133.3，苯胺在平均温度下的密度为，苯胺在平均温度下的密度为955 kg/m3，比热容为，比热容为2.31 kJ/（kg）。试计算：。试计算：（1）水蒸气用量）水蒸气用量（kg/h）；（2）当总传热系数为）当总传热系数为800 W/（m2）时所需时所需传热面积。传热面积。六、传热计算举例六、传热计算举例2024/5/9 周四.2、有一单壳程双管程列管式换热器，用温度为有一单壳程双管程列管式换热器，用温度为20，流量为，流量为30t/h的冷水使流量为的冷水使流量为20t/h的乙二醇从的乙二醇从80冷却到冷却到40，乙二醇的平均比热容，乙二醇的平均比热容Cph=2.6 kJ/（kg），），冷却水的平均比热容冷却水的平均比热容Cpc=4.174 kJ/（kg），），设总传热系数设总传热系数K=1200 W/（m2），），试计算所需传热面积试计算所需传热面积A。2024/5/9 周四.感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！