化工原理第二章第四节讲

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1、第二章传热一、总传热速率方程二、热交换计算第四节热交换的计算2021/9/30传热计算校核计算根据生产任务的要求的热负荷，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。即计算给定换热器的传热量，流体的流量或温度等。依据：总传热速率方程和热量衡算。设计计算2021/9/30一、总传热速率方程：1.总传热过程分析：间壁式热交换器，热量从热流体湍流主体传到冷流体湍流主体的过程为：热流体冷流体固体壁TtTwtwTδT-----------Tw-------

2、---------tw-----------t对流给热传导传热对流给热在热量从T传到t的过程中，温度的变化如红色曲线。从温度降的情况可见，间壁式换热器的温度降主要集中在两边界层中，即它的热阻主要集中在传热边界层内。2021/9/302.传热总方程推导：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给热2)通过管壁的传导传热3)管壁与流动中的冷流体的对流给热2021/9/30此过程为稳态传热，所以Ф1=Ф2=Ф3=Ф，把以上三式相加则：2021/9/30----间壁式热交换器的传热速率方程2021/9/30上式中的k是换热器的总传热系数

3、，它的物理意义是在单位时间内，当间壁两侧湍流主体的温差为1℃时，通过单位传热面积所传递的热量。k值越大，则换热器单位传热面积传递的热量就越多，所以K是换热器传热性能的一个标志。至此，本章一共提到了三个标志：λ(导热系数）是物质传导传热能力的标志；α（对流给热系数）是流体对流给热强度的标志；K（总传热系数）是换热器传热性能的一个标志。2021/9/30(1)平面壁总传热方程：当换热器的传热壁面为单层平面壁时，A1=A2=Am=A则Ф=kAΔt又是平壁的导热热阻，如果我们把看作是对流给热过程的热阻，而那么k就可以看作是对流给热热阻和传导传热热阻之和的倒数。当单

4、层壁面两侧有垢层或为多层平面壁传热时，总传热系数k为：2021/9/30设圆筒的内半径为r1，外半径为r2，平均半径为rm,圆筒轴向长度为L,则：(2).圆筒壁总传热速率方程：r2r1A1=2πr1LA2=2πr2LAm=2πrmLδ=r2–r12021/9/30其中在圆筒中，有一个特殊情况，就是化工生产中最常见的薄壁管，此时r1=r2=rm，计算时就可按平面壁来进行A1=A2=Am=2πrmL，δ=r2–r1如果换热器的内外壁都没有垢层，而且传热壁本身是又薄又导热性能良好，那么传热壁的热阻就可以忽略不计，δλ则k=11α11α2+=α1α2α1+α2这就

5、是化工生产中最常见的金属薄壁管。例题：书上60页2021/9/30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给热所控制。提高K值，关键在于提高对流给热系数较小一侧的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。2021/9/30二、热交换的计算1、热量衡算--------热负荷与载热体的计算：工艺热负荷：生产工艺上为了完成某一加热或冷却任务需要在单位时间内流体放出或吸收的热量，有Фl来表示，单位：w。换热设备的热负荷：换热设备所具有的能力，用Ф设备来表示

6、。Ф设备≥Фl，生产条件才能完成。Фl的计算又分为两种情况：(1)流体在换热过程中无相态变化而只有温度变化：Фl=qmaCpa(ta2–ta1)(2)流体在热交换器中发生相变，如蒸发、冷凝等：Фl=qmaΔHaΔH----相变热；qma----质量流量；ta2、ta1----a的进出口温度，(ta2–ta1)>02.热量衡算式：热流体a冷流体b固体壁Ф设备设热流体放出的热量为Фa，冷流体吸收的热量Фb，设备的换热能力为Ф设备，那么在不考虑热量损失的情况下，Фa=Фb=Ф设备,热量衡算可在这三者中的任意两个之间来进行。2021/9/30(1)在两个流体之间进

7、行衡算都不发生相变：qmaCpa(ta2–ta1)=qmbCpb(tb2–tb1)一种流体发生相变：qmaCpa(ta2–ta1)=qmbΔHb两种都发生相变：qmaΔHa=qmbΔHb(2)流体和设备之间进行衡算流体不发生相变：qmaCpa(ta2–ta1)=kAmΔt流体发生相变：qmbΔHb=kAmΔt例2：书上61页2021/9/302.传热平均温度差的计算恒温差传热：变温差传热：传热温度差不随位置而变的传热。冷热两种流体的温度均不随着流动方向而发生变化，如一侧流体是恒温沸腾，一侧流体是饱和蒸汽冷凝。传热温度差随位置而改变的传热。一侧或两侧的流体，

8、温度随着流动方向而发生变化。传热1）.恒温传热温度差：设横坐标为换