化工原理少课时版第四节课件.ppt

1、第四节第四节 两流体间传热过程的计算两流体间传热过程的计算 化工中的传热计算主要有两类：一类是设计型计算，即根据生产要求的热负荷（换热量），确定换热器的传热面积，另一类是校核计算（操作型计算）即计算给定的换热器的传热量，流体流量或温度等，两者计算的目的不一样，但计算的基本原理和方法一样。工业上的传热过程工业上的传热过程 工业上的传热过程是热流体径管壁或壁向冷体传热，生产上常称为热交换或换热，其过程为 热热流流体体主主体体冷冷流流体体主主体体TQtTt 热流体首先向器壁以对流方式传热：dQ1=i(T-T)dSi 器壁的热传导，到达另一壁面 dQ2=/b(T t)dSm 器壁向冷流体对流体传热 d

2、Q3=o(t t)dSo 对于稳定传热过程 dQ1=dQ2=dQ3=dQ 一、热量衡算一、热量衡算 在两流体换热时，一般系统无外功输入，动能项和势能项变化可忽略主要考虑热量的变化，热量衡算实际是焓衡算。假设换热器绝热良好，热损失可忽略，则在单位时间内换热器中热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。有：Q=qm1（H1-H2）=qm2（h1-h2）（4-35）Q换热器的热负荷，换热器的热负荷，kJ/h，wH流体的焓值，流体的焓值，kJ/kgqm流体的流量，流体的流量，kg/s 1、两流体以显热的形式换热(无相变)Q=qm1cp1（T1-T2）=qm2cp2（t2-t1）（4-36）2、两流体以潜热

3、的形式换热（热流体有相变）Q=qm1r=qm2cp2（t2-t1）（4-37）r流体的潜热，流体的潜热，kJ/kg二、传热平均温度差（一）恒温传热时 当换热的两流体均有相变时，例如，蒸发器中饱和蒸汽和沸腾液体间的传热，此时，在换热时，冷热流体的温度均不随换热位置变化，两流体间的温度差处处相等。tTtm（二）变温传热时的平均温度差 更常见的情况是两流体在进行换热时，由于两流体是不断流动的，两流体的温度随换热的进程（面积）发生变化。两流体的流动方向对两流体的温度随换热面积不同的变化也不同。依据换热时两流体的流向，可分为四种方式：并流换热 逆流换热 co-current flow countercu

4、rrent flow1212错流换热cross flow折流换热wound flow下面讨论这几种换热方式两流体的温度变化 A、并流和逆流时的平均温度差 两流体换热时温度变化如图 两种换热方式有何特点？相同点：热流体温度随S增加而降低 不同点：并流时冷流体出口温度低于或接近于热流体出口温度出口温度。逆流时冷流体出口温度低于或接近于热流体进口温度进口温度，有可能高于热流体出口温度。t1T1t2t1T2t2ST1T2S以并流为例来计算平均温度差：经过一个小的换热面积ds根据热量衡算热流体：dQ=qm1 cp1 dT 冷流体：dQ=qm2 cp2 dt (a)(b)t1T1T2t2SdSdtdT11

5、cpqdQdTm22cpqdQdtm(b)2211)(cpqdQcpqdQtTddtdTmm(a)dQ放=dQ吸=dQ传=dQ dQ=K（T-t）dS 变量分离KdAcpqcpqtTtTdmm2111)(21221111)(dQ cpqcpqtTdmmdStTKcpqcpqtTdmm)(2111)(11对于整个换热过程，边界条件为 T-t T1-t1 T2-t2 A 0 A 在边界条件下对热流体：Q=qm1 cp1（T1-T2）dAKcpqcpqtTtTdSmmtTtT0212111)(2211AKcpqcpqtttTtTmm211121ln2211ln21(c)11211cpqQTTm(d)

6、对冷流体：Q=qm2 cp2（t2-t1）(e)将d，e 代入 c整理得21221cpqQttmAKQttQTTtt212121lnSKQtTtTtt221121ln21ln21ttttAKQ令 （4-40）tm 称为对数平均传热温度差，也称为传热过程的平均推动力。（t1 t2）Q=KA tm 上式为稳定传热的基本方程，对逆流传热的情况可得同样结果。当t1/t2 2 时,可用算术平均值代替对数平均值2121lntttttm221tttm例如例如：逆流时：热流体：40100 冷流体：15 30 70 251212,lntttttm逆2570ln2570C07.43并流时：热流体：冷流体：4010

7、0 301585 101212,lntttttm并1085ln1085C035不同流动型式的比较不同流动型式的比较 (1)在进、出口温度相同的条件下,逆流的平均温度差最大,并流的平均温度差最小,其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。因此，就提高传热推动力而言，逆流优于并流及其他形式流动。当换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。(2)逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。所以，换热器应当尽量采用逆流流动，尽可能避免并流流动。在某些生产工艺有特殊要求时，如要求冷流体被加热时不得超过某一温度或热流体冷却时不得低于某一温度，应采用并流操作。当换热器有一侧流体发

8、生相变而保持温度不变时，就无所谓并流和逆流了，不论何种流动型式，只要进出口温度相同，平均温度就相等。3.错流和折流时的平均温度差当两流体错流和折流时，平均温度差可以是先按逆流换热时计算对数平均温度差，再在此基础上进行校正。tm=t tm t 为校正系数 t=f（P，R）两流体的最初温度差冷流体的温升1112tTttP冷流体的温升热流体的温降1221ttTTR 先计算出P，R值，再从算图中（4-25）查出 t 值。通常在换热器设计中规定 t值不应小于0.8，若低于些值，则要考虑加壳程数或多台换热器串联使用。采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数，采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热

9、系数，其其代价是平均温度差相应减小代价是平均温度差相应减小，温度修正系数，温度修正系数t是用来表示是用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，一般在一般在设计时最好使设计时最好使t 0.9，至少不能使，至少不能使t 0.8。否则。否则应另选其他流动型式，以提高应另选其他流动型式，以提高 t。三、总传热系数11112222()1()()1wwwwwwmmwwTTdQTTdAdATtdQTtdAbbdAttdQtt dAdA热流体一侧的对流传热速率：间壁的导热速率:冷流体一侧的对流传热速率：热热流流体体主主体体冷冷流流体体主主体体T

10、QtTt1122112211()1111mmTtdQbdAdAdATtdQK Tt dAKdAbKdAdAdAdA总推动力稳态传热：总阻力而传热方程微分式为：所以：（4-42）11111122122m2221121122,111d,11,1mmmmmmbdAdAbddKdAdAdddbdKddddbKdd12m（1）若取dA=dA 则：（注意的求法？）（2）若取dA=dA 则：（3）若取dA=dA则：（4-42a）（4-42c）（4-42e）(二)污垢热阻11111211222A11ddmbdddRRKddd以传热面积为基准的总传热系数计算式为：（4-43)(三)平壁与薄壁管的总传热系数计算12112112,111111ddbRRKK12m当传热壁为平壁或薄壁管时，AAA则：当忽略污垢热阻时，（4-44）（4-45）