化工原理第五章第三节讲

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1、2021/7/20第四章传热一、热量衡算二、总传热速率方程三、总传热系数四、传热的平均温度差五、传热单元数法六、壁温的计算七、保温层的临界直径第三节换热器的传热计算2021/7/20传热计算设计计算校核计算根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。依据：总传热速率方程和热量恒算2021/7/20一、热平衡方程热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系对于间壁式换热器，

2、假设换热器绝热良好，热损失可忽略则在单位时间内的换热器中的热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：——换热器的热量衡算式（热平衡方程）应用：计算换热器的传热量若换热器中的两流体的比定压热容不随温度而变或可取平均温度下的比定压热容时2021/7/20若换热器中热流体有相变化，例如饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下离开。若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器2021/7/20二、总传热速率方程通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速率方程为：——总传热速率微分方程or传热基本方程K——局部总传热系数，（W/m

3、2℃）物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。热流体冷流体热流Q金属壁面对流对流导热2021/7/20当取△t和K为整个换热器的平均值时，对于整个换热器，传热基本方程式可写成：或K——换热器的平均传热系数，W/m2·K——总传热热阻注意：其中K必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。2021/7/20传热基本方程可分别表示为：式中：Ki、Ko、Km——分别为管内表面积、外表面积和内外侧的平均表面积的传热系数，W/m2·KAi、Ao、Am——换热器管内表面积、外

4、表面积和内外侧的平均面积，m2。注：工程上大多以外表面积为计算基准，Ko不再加下标“o”2021/7/20三、总传热系数1、总传热系数K的来源生产实际的经验数据实验测定分析计算2、传热系数K的计算流体通过管壁的传热包括：1)热流体在流动过程中把热量传递给管壁的对流传热twTw对流对流导热冷流体热流体tTQ2021/7/202)通过管壁的热传导3)管壁与流动中的冷流体的对流传热间壁换热器总传热速率为：2021/7/20利用串联热阻叠加原则：若以外表面为基准2021/7/20——基于外表面积总传热系数计算公式同理：

5、2021/7/203、污垢热阻在计算传热系数K值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用Rsi和Rs0表示，根据串联热阻叠加原则，2021/7/20当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，若则总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的α。两侧的α相差不大时，则必须同时提高两侧的α，才能提高K值。污垢热阻为控制因素时，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。2021/7/20例：有一列管

6、换热器，由φ25×2.5mm的钢管组成。CO2在管内流动，冷却水在管外流动。已知管外的α1=2500W/m2·K，管内的α2=50W/m2·K。（1）试求传热系数K；（2）若α1增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大的百分率；（3）若α2增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增大的百分率。2021/7/20解：（1）求以外表面积为基准时的传热系数取钢管的导热系数λ=45W/m·K，冷却水测的污垢热阻Rs1=0.58×10-3m2·K/WCO2侧污垢热阻Rs2=0.5×10-3m2·K/W则：2021/7

7、/20(2)α1增大一倍，即α1=5000W/m2·K时的传热系数K’2021/7/20K值增加的百分率（3）α2增大一倍，即α2=100W/m2·K时的传热系数K值增加的百分率2021/7/20四、传热的平均温度差恒温差传热：变温差传热：传热温度差不随位置而变的传热传热温度差随位置而改变的传热传热流动形式并流：逆流：错流：折流：两流体平行而同向的流动两流体平行而反向的流动两流体垂直交叉的流动一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流2021/7/20逆流并流错流折流t2t1T1T2t1t2T1T22021/7

8、/201、逆流和并流时的传热温差假定：（1）换热器在定态情况下操作；（2）流体的比热容均为常量，且传热系数K沿换热面而不变；（3）换热器无热损失以逆流为例，推导平均温差T2t1t2T1dTdtdSStt2t1Tt2021/7/20逆流并流2021/7/20微元面积dS的传热情况两流体的温差为△t通过微元面dS的传热量为：将（c）、(d)代入(e)式2021/7/20用分别表示换热器