5.3热交换的计算.ppt

复 习 热量衡算 * * 教学目的： 重点难点： 课 型： 5.3 热交换(heat exchange)的计算 学习总传热方程及其推导，比较不同传热形式，并计算各种换热方式的温差，了解强化传热过程的途径。 总传热方程及传热温差的计算 理论知识 第五章 传热过程及换热器 传导传热（heat conduction): 对流传热(convection of heat): 平面壁： 圆筒壁： Fourier heat equation Newton heat equation 间壁式换热器 夹套换热器 列管换热器 化工生产中经常用到的传热操作是热流体经管壁或器壁向冷流体传热的过程，该过程称为间壁式热交换或换热。 热 流 体 湍 流 主 体 冷 流 体 湍 流 主 体 T t 器壁 Q 5.3 热交换(heat exchange)的计算 一、总传热方程(overall heat transfer equation) 热流体T 一侧壁面TW 另一侧壁面tW 冷流体t 对流 传导 对流 热 流 体 湍 流 主 体 冷 流 体 湍 流 主 体 T t ? Steady state: 总传热 方程: 平面壁的总传热方程 总传热 方程: ＆ 平面壁: K——传热系数(coefficient of heat transfer) 或总传热系数，W.m-2.K-1; R——总热阻，为串联各分热阻的总和。 ＆复合平面壁： 圆筒壁的总传热方程 ＆ 圆筒壁： 或 基于管外表面积的传热系数K2: 以圆管内壁面、外壁面和平均壁面为基准的K值各不相同，但KS一定是相同的。 总传热方程： ※ K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。 传热系数 √ 通过公式计算K √ 查取相关手册选用经验值(基于管外表面积) √ 通过实验测定K 传热系数的大致范围 500~1000 300~2500 2000~4000 冷凝水蒸气-沸腾轻油 冷凝水蒸气-沸腾溶液 冷凝水蒸气-沸腾水 100~300 150~400 800~1800 油-油 油-水 水-水 10~50 50~400 300~2000 冷凝水蒸气-气体 冷凝水蒸气-有机物 冷凝水蒸气-水 10~30 10~40 10~60 气体-气体 气体-有机物 气体-水 K/W.m-2.K-1 换热流体 K/W.m-2.K-1 换热流体 总传热方程： 二、传热温差 连续定态传热有两种情况:恒温和变温 定态恒温传热:两流体经传热面进行热交换时,沿壁面上两流体的温度不仅不随时间变化，同时也不随壁面的不同位置而变化。如蒸发和蒸馏。 K或℃ 传热温差 定态变温传热：传热壁面各点温度不随时间而变化，但随传热面位置不同而不同。 冷 热 并流 逆流 错流 简单折流 传热温差 并流和逆流 特点： 在相同的条件下(如相同的换热时间或换热面积)，逆流传热平均温度差大于并流传热平均温度差。逆流比并流换热更完全。并流传热温度差的前后变化比逆流剧烈。 并流 逆流 t2 t2 传热温差 对数平均温差: 热交换的计算 例5-1 套管换热器中,用一定量的热流体将另一定量的冷流体加热。热流体温度由120℃降到70℃，冷流体由20℃升到60℃。比较并流与逆流的传热温差。 T1=120℃ T2=70℃ t1=20℃ t2=60℃ T1=120℃ t1=20℃ t2=60℃ T2=70℃ 解： 并流 ℃ ℃ 逆流 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 根据总传热方程Q=KS?t，传热量相同时，逆流所需的传热面积比并流小，设备尺寸随之可以减小。 换热器中冷、热两种流体进行热交换，若忽略热损失，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。 两种流体均无相变： 一种流体有相变： 两种流体均有相变： 例 题 例5-1 夹套反应釜的内径为80cm，釜壁碳钢(?=50W.m-1.K-1)板厚8mm,衬搪瓷厚3mm (?=1.0W.m-1.K-1)，夹套中通饱和水蒸气(?=10000W.m-2.K-1)加热，水蒸气温度为120℃，釜内为有机物(?=250W.m-2.K-1)，温度为80℃。求该条件下单位面积的传热速率和各热阻占总热阻的百分数。 解：因内径0.8m≈外径0.822m,可近似作为平面壁，则 可见：主要热阻在搪瓷衬里和有机物这一侧。 如果忽略水蒸气和碳钢的热阻，计算结果只相差3.6%。 例5-2 在列管加热器中,20℃原油流经管内(?=200W.m-2.K-1)，管外用120℃饱和水蒸气加热(?=10000W.m-2.K-1)，管子为?48mm×2mm无缝钢管(?=50W.m-1.K-1)，管内油垢层厚为1mm (?=1.0W.m-1.K-1)。求通过每米管长的传热速率。若将?1、?2分