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1、第四节 两流体间传热过 程的计算 一、总传热方程式 二、热量衡算 三、平均温度差的确定 四、总传热系数的确定 五、传热面积的确定 六、污垢热阻 七、流向的选择第四章 传 热*什么是热交换【特点】存在两种或两种以上的传热方式的传热过程。对流传热对流传热传导传热DateDate热交换计算的内容（1）设计型计算 根据生产任务的要求的热负荷（Q） ，确定换热器的传热面积（A）及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。 Date固定管板式换热器型式与基本参数（JB/T 4715-92）Date（2）操作型计算 在已有换热器的基础上：核算传热量（Q）、流体的流量（ qm ）、流体的进、出口温度（ T、
2、t ）；判断一个换热器能否满足生产任务的要求；预测生产过程中某些参数（如 qm、T、t）的变化对换热器传热能力（Q）的影响。 Date一、热交换的基本计算式式中 Q传热速率，W；K总传热系数，W/m2.A传热面积，m2 tm 两流体的平均温度差，1、总传热方程式Date【衡算前提】（1）换热器绝热良好；（2）热损失可忽略。【衡算系统】热交换器；【衡算基准】单位时间；【衡算式】热流体放出的热量等于冷流体得到的热量。即： Q热Q冷2、热量衡算式Date二、Q值的确定计算热负荷【定义】达到工艺要求的控制参数所应交换的热量，即：热流体放出的热量；冷流体得到的热量。【作用】由热负荷可以确定传热速率。1、
3、什么是热负荷Date（1）两个概念【显热】当物质与外界交换热量时，物质不发生相变化而只有温度变化，这种热量称为显热。【潜热】饱和蒸气的焓与同温度下的液体的焓的差值称为潜热（相变热）。（2）无相变化时热负荷的计算当流体与外界交换热量过程中不发生相变化时，其热负荷用比热法和热焓法计算。2、热负荷的计算Date若换热器中的两流体只存在显热的交换，且比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时 ，则：式中 Q热负荷，J/s或W；qm1、qm2热、冷流体的质量流量，kg/s；Cp1、Cp2热、冷流体的平均定压比热，kJ/(kg.)；T1、T2热流体的进、出口温度，；t1、t2冷流体的进、出口温度，。 比热法
4、Date对于热流体：对于冷流体：T1T2t1t2qm1qm1qm2qm2Cp1Cp2Date热焓法由热力学得知，在等压条件下，物系与外界交换的热量与物系的始态与终态的焓差相等，即：H1、H2热流体进、出口的比焓，J/kg；h1、h2 冷流体进、出口的比焓，J/kg。qm1、qm2热、冷流体的质量流量，kg/s；Date对于热流体：对于冷流体：H1H2h1h2qm1qm1qm2qm2Date（3）只有相变化时热负荷的计算【方法】当流体与外界交换热量过程中只发生相变化时，其热负荷用潜热法计算。【计算式】式中 r液体汽化（或蒸气冷凝）潜热。（4）既有潜热、又有显热变化时热负荷的计算式中 Ts、ts饱
5、和温度（沸点 ）。Date20（l）100（g）100（l）Date3、热负荷与传热速率的区别【热负荷】对换热器换热能力的要求，是需要交换的热量，与换热器的种类、型式无关，由工艺条件决定。 【Q=qmCp(T1-T2)】【传热速率】换热器本身在一定条件下的换热能力，是换热器能够交换的热量，由换热器本身的特性所决定。 【Q=KAtm】4、热负荷与传热速率的关系Date三、平均传热温差（ tm ）的计算 1、什么是平均传热温度差【特点】不同部位推动力不同。【定义】表征热交换过程中的推动力大小的参数。=801TQQ=502T=402t=201tDate（1）流体的流动型式冷、热流体的相互流动方向有不
6、同的流动型式，传热平均温差tm的计算方法因流动型式而异。（2）温度的变化情况冷、热流体在沿传热面流动时的温度变化情况不同，传热平均温差tm的计算方法因而不同。2、影响平均传热温度差的因素Date3、恒温差传热 【特点】（1）两侧流体均发生相变，且温度不变；（2）冷热流体温差处处相等，不随换热器位置而变的情况。 恒温差传热平均温度差计算式式中 T 高温流体的湍流主体温度；t 低温流体的湍流主体温度。传热速率：Date湍流主体TtDateTTtt【例】电解槽引出的碱液浓度通常只有12，经蒸发后可获得30、42的浓碱。Date4、变温差传热 【特点】传热温度随换热器位置而变。分为：单侧变温；双侧变温
7、。 T1T2t2t1Date（1）单侧变温 【特点】在热交换过程中，一侧温度保持不变，另一侧温度发生变化。Date（2）双侧变温 【特点】在热交换过程中，两侧温度均发生变化。Date变温差传热过程的温差变化特点【特点】局部温度差t 沿传热面而变化。tTtAT1T2t2t1在面积为dA两 侧，可视为恒 温差传热。dQ=K（Tt）dA12Date5、变温差传热过程传热温度差的计算依据【特点】在计算传热速率时，采用先微分、后积分求出整个传热面上的传热速率，即：根据假定，Kconst，且 Ttf(A)由积分中值定律：中值Date（1）尽管在整个换热器中，传热推动力(Tt)是一个变化的值， 但存在一个中
8、值tm 。用来表征换热器传热推动力(Tt)的大小 （ tm的物理意义）；（2）tm 表示的是平均值，称为平均温度差；（3）变温差传热过程的平均温度差tm与换热器内冷热流体流动方向有关，不同的流动型式其平均温度差不同。【两点说明】Date并流 参与换热的两种流体沿传热面平行而同向的流动。逆流 参与换热的两种流体沿传热面平行而反向的流体。折流 一流体只沿一个方向流动，另一流体反复来回折流；或者两流体都反复折回。（既存在并流，又存在逆流）错流 两种流体的流向垂直交叉。 6、热交换器内的流动型式 Date并 流【特点】平行而同向。Date逆 流【特点】方向相反且平行。Date折流换热器【特点】既存在并
9、流，又存在逆流。Date喷淋蛇管（错流）式换热器【特点】两种流体的流向垂直交叉。Date对数平均温度差7、并、逆流操作的平均温度差在如下假定条件下（稳定传热过程）：稳定操作，qm1 ，qm2为定值；Cp1、Cp2及K沿传热面为定值，或取平均值；换热器保温良好，无热损失。由总传热方程式及热量衡算式可推得： Date【几点说明】计算式只适用于并、逆流操作，但不适用于折流和错流操作过程； t1、 t2设备同一端热、冷流体的温度差；t1t2t2t1T1T2Date当 t1/t20.9，绝不能使 0.8，否则另外选其他流型。 【两点说明】Date【例】用300 的高温气体产物加热冷原料气，工艺要求原料气
10、由15 加热至160 ，产物气换热后不低于190 。试比较：（1）逆流操作和并流操作条件下的传热温度差；（2）若要并流与逆流操作的传热速率相等，求传热面积比。（假设传热系数相同） Date【解】逆流操作时：30019016015则：t1=175 t2=140 由于 若用算术平均值，则： 误差： 可见误差很小。 Date并流操作时： 300 19015 160 则 t1=285 t2=30 若仍用算数平均值： 此时的误差为： 可见误差极大 Date若要求传热速率相等，即： Q并Q逆由于 K并K逆 根据 Q=KAtm 则 即 【结果说明】并流操作时所需要的传热面积是逆流操作时的1.4倍，故采用逆流
11、操作可以减少传热面积，节省设备量，有利于传热操作。 Date【问题】怎样连接冷凝水，为什么？冷凝水进口冷凝水出口Date四、总传热系数的确定【作用】总传热系数K（简称传热系数）是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。【确定方法】总传热系数K的确定方法有三种：（1）使用公式计算（用于操作型计算）；（2）通过实验测定（用于操作型计算）；（3）使用经验数据（用于设计型计算）。Date1、总传热系数的计算公式（1）传热过程分析 12A1A2Am【结论】总传热 系数与传热分系 数有关。Date（2）总传热系数的基本计算式基本计算式推导的依据：傅立叶定律；牛顿冷却定律；总传热方程式
12、。对于微元传热面积为dA的换热器：总传热系数的基本计算式Date当传热面为平壁时，dA=dA1=dA2=dAm，则： （3）各种情况下总传热系数的计算式对于薄层圆筒壁，若d2/d12 ，近似按平壁计算（误差4%，工程计算可接受）。 Date当传热面为圆筒壁时，若d2/d12，如以外表面积为基准（即以圆筒壁的外表面作为换热器的面积，在换热器系列化标准中常如此规定），则： 式中 K2以换热管的外表面为基准的总传热系数；dm换热管的对数平均直径。 Date当传热面为圆筒壁时，若d2/d12，如以内表面积为基准，则： 当传热面为圆筒壁时，若d2/d12，如以传热壁的平均表面积为基准，则： Date2、
13、总传热系数的实验测定 【方法】对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然后由传热基本方程式计算 K 值。【说明】（1）得到的总传热系数K值最为可靠；（2）使用范围受到限制，只能用于与所测情况相一致的场合（包括设备类型、尺寸、物料性质、流动状况等）才准确。 Date总传热系数的测定实验装置【说明】分别测定Q、A、tmDate3、使用经验数据列管换热器的总传热系数K的经验值 冷流体热流体总传热系数K，W/(m2.)水水8501700水气体17280水有机溶剂280850水轻油340910水重油60280有机溶剂有机溶剂115340水水蒸气冷凝14204250气体水
14、蒸气冷凝30300水低沸点烃类冷凝4551140水沸腾水蒸气冷凝20004250轻油沸腾水蒸气冷凝4551020Date五、传热面积A的确定【特点】在传热过程中其面积始终不改变。【确定方法】壁的任何一侧均可作为计算式中的传热面积。1、平面壁Date【特点】沿着传热方向其表面积是变化的。【确定方法】（1）外表面积（A2）；（2）内表面积（A1） ；（3）平均面积（Am） 。2、圆筒壁Date六、污垢热阻 【影响】由于传热表面有污垢的积存，增加了传热热阻。换热器使用一段时间后，传热速率Q会下降。【确定方法】通常根据经验直接估计污垢热阻值，将其考虑在K中，即： 式中 R1、R2传热面两侧的污垢热阻，
15、m2K/W。DateDateDate【例】在列管式换热器中用蒸气加热溶液，列管为251.5的钢管。蒸汽冷凝的对流传热系数为15000 W/(m2)，溶液的对流传热系数取2000 W/(m2)。管壁的导热系数50 W/(m)。使用一段时间后，管内壁面沉积1mm的垢层，垢层的1W/(m)。若蒸汽的冷凝温度和溶液的加热温度均不变，求此时的传热量为原传热量的分率。Date【解】设原传热量为 QKAtm结垢后的传热量为 QKAtm 换热器的尺寸没有改变，故 AA热、冷物料的进、出口温度不变，故 tmtm 由于 故使用平面壁的计算式计算总传热系数 Date结垢前 已知 115000 W/(m2) 22000 W/(m2) b0.0015m 50 W/(m) K1676 W/(m2)Date结垢后 已知 b垢0.001m 垢1W/(m) K626.3 W/(m2)因此 【结论】为消除污垢热阻的影响，维持换热器的使用性能，应定期清洗换热器。 Date换热器的物理清洗Date换热器的化学清洗Date清洗前的换热器Date清洗后的换热器Date七、流向的选择
