,講授 姜華,化 工 基 礎(chǔ) An Introduction to Chemical Industry and Engineering,-,教學(xué)目的：,重點(diǎn)難點(diǎn)：,課 型：,教學(xué)方法：,參考文獻(xiàn)：,4.4 熱交換(heat exchange)的計(jì)算,學(xué)習(xí)總傳熱方程及其推導(dǎo)，比較不同傳熱形式，并計(jì)算各種換熱方式的溫差，了解強(qiáng)化傳熱過程的途徑。,總傳熱方程及傳熱溫差的計(jì)算,理論知識(shí),講述、計(jì)算、分析,5、6,復(fù) 習(xí),傳導(dǎo)傳熱（heat conduction） :,對流傳熱(convection of heat):,平面壁：,圓筒壁：,Fourier heat equation,Newton heat equation,4.4 熱交換(heat exchange)的計(jì)算,化工生產(chǎn)中經(jīng)常用到的傳熱操作是熱流體經(jīng)管壁或器壁向冷流體傳熱的過程，該過程稱為間壁式熱交換或換熱。,熱 流 體 湍 流 主 體,冷 流 體 湍 流 主 體,T,t,器壁,Q,一、總傳熱方程 (overall heat transfer equation),熱流體T,一側(cè)壁面TW,另一側(cè)壁面tW,冷流體t,對流,傳導(dǎo),對流,熱 流 體 湍 流 主 體,冷 流 體 湍 流 主 體,T,t,Steady state:,總傳熱 方程:,平面壁的總傳熱方程,總傳熱 方程:, 平面壁:,K傳熱系數(shù)(coefficient of heat transfer) 或總傳熱系數(shù)，W.m-2.K-1;,R總熱阻，為串聯(lián)各分熱阻的總和。,復(fù)合平面壁：,圓筒壁的總傳熱方程, 圓筒壁：,或,基于管外表面積的傳熱系數(shù)K2:,以圓管內(nèi)壁面、外壁面和平均壁面為基準(zhǔn)的K值各不相同，但KA一定是相同的。,總傳熱方程：, K是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。其大小 取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換 熱器的類型等。,傳熱系數(shù), 通過公式計(jì)算K, 查取相關(guān)手冊選用經(jīng)驗(yàn)值(基于管外表面積), 通過實(shí)驗(yàn)測定K,傳熱系數(shù)的大致范圍,例 題,例4-7 夾套反應(yīng)釜的內(nèi)徑為80cm，釜壁碳鋼(=50W.m-1.K-1)板厚8mm,襯搪瓷厚3mm (=1.0W.m-1.K-1)，夾套中通飽和水蒸氣(h=10000W.m-2.K-1)加熱，水蒸氣溫度為120，釜內(nèi)為有機(jī)物(h=250W.m-2.K-1)，溫度為80。求該條件下單位面積的傳熱速率和各熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。,解：因內(nèi)徑0.8m外徑0.822m,可近似作為平面壁，則,可見：主要熱阻在搪瓷襯里和有機(jī)物這一側(cè)。,如果忽略水蒸氣和碳鋼的熱阻，計(jì)算結(jié)果只相差3.6%。,例4-8 在列管加熱器中,20原油流經(jīng)管內(nèi)(h=200W.m-2.K-1)，管外用120飽和水蒸氣加熱(h=10000W.m-2.K-1)，管子為48mm2mm無縫鋼管(=50W.m-1.K-1)，管內(nèi)油垢層厚為1mm (=1.0W.m-1.K-1)。求通過每米管長的傳熱速率。若將h1、h2分別提高一倍，則傳熱速率有何變化？,解：,可見：提高原來h已經(jīng)很大的這側(cè)流體的傳熱膜系數(shù)，對總傳熱的影響是不大的；而降低熱阻大的這側(cè)流體的熱阻，對傳熱速率的提高則是有意義的。,總傳熱方程:,傳熱溫差,連續(xù)定態(tài)傳熱有兩種情況:恒溫和變溫,定態(tài)恒溫傳熱:兩流體經(jīng)傳熱面進(jìn)行熱交換時(shí),沿壁面上兩流體的溫度不僅不隨時(shí)間變化，同時(shí)也不隨壁面的不同位置而變化。如蒸發(fā)和蒸餾。,K或,傳熱溫差,定態(tài)變溫傳熱：傳熱壁面各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化，但隨傳熱面位置不同而不同。,冷,熱,并流,逆流,錯(cuò)流,簡單折流,傳熱溫差,并流和逆流,特點(diǎn)：,在相同的條件下(如相同的換熱時(shí)間或換熱面積)，逆流比并流換熱更完全；并流傳熱溫度差的前后變化比逆流劇烈。,并流,逆流,傳熱溫差,對數(shù)平均溫差:,換熱器中冷、熱兩種流體進(jìn)行熱交換，若忽略熱損失，熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。,熱量衡算,兩種流體均無相變：,一種流體有相變：,熱交換的計(jì)算,例4-11 套管換熱器中,用一定量的熱流體將另一定量的冷流體加熱。熱流體溫度由120將到70，冷流體由20升到60。比較并流與逆流的傳熱溫差。,T1=120,T2=70,t1=20,t1=60,T1=120,t1=20,t2=60,T2=70,解：,并流,逆流,根據(jù)總傳熱方程=KAt，傳熱量相同時(shí)，逆流所需的傳熱面積比并流小，設(shè)備尺寸隨之可以減小。,例4-9 用134的飽和水蒸氣(304kPa)通入夾套,使沸騰的甲苯氣化成甲苯蒸氣送往反應(yīng)器,甲苯沸點(diǎn)為110.6(氣化熱363.5 kJ.kg-1),加熱面為1m2,每小時(shí)氣化200kg甲苯.求傳熱系數(shù)K。若保溫后尚有10%熱損失，求水蒸氣每小時(shí)消耗量。,根據(jù)需要傳熱速率應(yīng)為：,由總傳熱方程得：,水蒸氣凝結(jié)熱2.16103kJ.kg-1，消耗水蒸氣量：,定態(tài):,解:,例4-12 在某一以定尺寸的套管換熱器中，熱流體與冷流體并流換熱。熱流體由120降到70 ，冷流體由20 到60 。若換熱器及有關(guān)條件（流體進(jìn)口溫度及流量等）不變，將并流改為逆流，求冷流體排出溫度?？稍O(shè)傳熱系數(shù)、物料的比容及設(shè)備的熱損失不變。,解：,T1=120 ,t1=20 ,t2=60 ,T2=70 ,t1=20 ,T1=120 ,t2=？,T2=？,利用總傳熱速率方程進(jìn)行計(jì)算的過程中，為了使計(jì)算簡便，通常假設(shè)： (1) 傳熱為定態(tài)操作過程； (2) 兩流體的比熱為常量(可取進(jìn)、出口的平均值)； (3) 總傳熱系數(shù)為常量，即值不隨換熱器的管長而變化； (4) 換熱器的熱損失可以忽略。,逆流與并流傳熱的比較,相同條件（如相同的流體和相同的起始及最終溫度）下，逆流比并流有更大的平均傳熱推動(dòng)力傳熱溫差，相應(yīng)地只要較小的換熱面積。,并流換熱時(shí)，冷流體受熱后的極限溫度只低于或接近于熱流體換熱后的最終溫度。逆流換熱時(shí)則不受此限制，冷流體受熱后的極限溫度只低于或接近于熱流體的初始溫度，熱流體換熱后的極限溫度只高于或接近于冷流體的初始溫度，熱能能較充分地利用與回收，相應(yīng)地只要用較少的傳熱介質(zhì)（加熱劑或冷卻劑）就可以達(dá)到要求的傳熱效果。,并流傳熱溫度差的前后變化比逆流劇烈。,并流的特點(diǎn)及其用途,并流的特點(diǎn)：初期傳熱速率大，后期傳熱速率小。,用途：有熱效應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)； 也用于換熱時(shí)防止過熱或過冷的場合。,強(qiáng)化傳熱過程的途徑,1、增大傳熱面積翅片管或翅片壁面可有效增大傳熱面積。,2、提高傳熱的溫差盡量選用逆流操作，只是在防止最終過熱或過冷（如防止因此而產(chǎn)生分解、結(jié)晶或沉積物等）時(shí)才采用并流；另一方法是提高加熱流體的溫度或降低冷卻流體的溫度，但這往往受到客觀條件的限制。,3、提高傳熱系數(shù)K盡量減少傳熱膜系數(shù)h小的一側(cè)流體的熱阻；選擇傳熱膜系數(shù)高的載熱體，如熔鹽、液態(tài)金屬等。,根據(jù)總傳熱速率方程：,例:用一傳熱面積為3m2，由25mm2.5mm的管子組成的單程列管式換熱器，用初溫為10的水將機(jī)油由200 冷卻至100，水走管內(nèi)，機(jī)油走管間。已知水和機(jī)油的質(zhì)量流量分別是1000kg/h和1200kg/h，其定壓質(zhì)量熱容分別為4.18kJ/(kg.K)和2.0kJ/(kg.K),水側(cè)和機(jī)油側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別是2000w/(m2.K)和250w/(m2.K) 。兩流體呈逆流流動(dòng)(Re104)，忽略管壁和污垢的熱阻。 ()計(jì)算說明該換熱器是否合用? (2)夏天當(dāng)水的初溫達(dá)到30時(shí)，而機(jī)油的流量及冷卻程度不變，問此時(shí)換熱器是否合用?如何解決，(假設(shè)傳熱系數(shù)不變)。,例 要求每小時(shí)冷凝500kg乙醇蒸氣,并將凝結(jié)液冷卻至30C,乙醇的凝結(jié)溫度為78.5 C，凝結(jié)熱為880kJ.kg-1，液體乙醇的平均比定壓熱容為2.8kJ.Kg-1.K-1，乙醇蒸氣在該條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為3