1、化工原理 主講教師：童漢清,4 傳熱過程的計(jì)算,一、熱量衡算方程式,1、顯熱與潛熱,顯熱概念：溫度變化，狀態(tài)不變。 顯熱計(jì)算：比熱（物理性質(zhì)），CP：kJ/(kgoC) Q = W CP(t1-t2),潛熱概念：溫度不變，狀態(tài)變化。 潛熱計(jì)算：汽化潛熱（物理性質(zhì)），R：kJ/kg Q = W R,2、熱量衡算方程式,（1）冷熱流體均無相變,熱流體的放熱量 = W1 Cp1（T1T2 ） 冷流體的吸熱量 = W2 Cp2 （t2 t1）,若不計(jì)熱損失，則：熱流體的放熱量 = 冷流體的吸熱量,Q = W1 Cp1（T1T2 ） = W2 Cp2（t2 t1）,（2）熱流體有相變，冷流體無相變,熱流

2、體的放熱量 = W1 Cp1（T1T2 ）+ W1 R 冷流體的吸熱量 = W2 Cp2 （t2 t1）,若不計(jì)熱損失，則：熱流體的放熱量 = 冷流體的吸熱量,Q = W1 Cp1（T1T2 ）+ W1 R = W2 Cp2（t2 t1）,若熱損失為Q損，則：,Q = W1 Cp1（T1T2 ）+ W1 R = W2 Cp2（t2 t1）+Q損,（3）冷流體有相變，熱流體無相變,熱流體的放熱量 = W1 Cp1（T1T2 ） 冷流體的吸熱量 = W2 Cp2 （t2 t1） + W2 r,若不計(jì)熱損失，則：熱流體的放熱量 = 冷流體的吸熱量,Q = W1 Cp1（T1T2 ）= W2 Cp2（

3、t2 t1） + W2 r,若熱損失為Q損，則：,Q = W1 Cp1（T1T2 ）= W2 Cp2（t2 t1） + W2 r +Q損,（4）冷熱流體均有相變,熱流體的放熱量 = W1 Cp1（T1T2 ）+ W1R 冷流體的吸熱量 = W2 Cp2 （t2 t1） + W2 r,若不計(jì)熱損失，則：熱流體的放熱量 = 冷流體的吸熱量,Q = W1Cp1（T1T2 ）+W1R= W2Cp2（t2 t1）+W2 r,若熱損失為Q損，則：,Q=W1Cp1（T1T2 ）+W1R=W2Cp2（t2 t1）+W2 r +Q損,二、傳熱速率方程式,（1）平面壁的傳熱速率,對(duì)于平面壁,設(shè),則,平面壁的傳熱速

4、率,對(duì)于圓筒壁,對(duì)于圓筒壁：傳熱面積以圓管外表面為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。,圓筒壁的傳熱速率,則,設(shè),三、總傳熱系數(shù)K,1、總傳熱系數(shù)K的物理意義 溫度差為1oC時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的傳熱量。 單位：W/（m2oC）,總傳熱系數(shù)(簡稱傳熱系數(shù))K是評(píng)價(jià)換熱器性能的一個(gè)重要參數(shù)，又是換熱器的傳熱計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)。 K的數(shù)值與流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等諸多因素有關(guān)，因此K值的變動(dòng)范圍較大。,2、總傳熱系數(shù)K的來源 1）計(jì)算,平面壁的傳熱速率,圓筒壁的傳熱速率,設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響，即,管壁外表面污垢熱阻,管壁內(nèi)表面污垢熱阻,總傳熱系數(shù)計(jì)算式,某些常見流體的污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值可

5、查附錄。,污垢熱阻(又稱污垢系數(shù)),對(duì)現(xiàn)有的換熱器，通過實(shí)驗(yàn)測取有關(guān)的數(shù)據(jù)，如流體的流量和溫度等，然后用總傳熱速率方程式計(jì)算得到K值。 實(shí)測的K值不僅可以為換熱器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，而且可以了解換熱器的性能，從而尋求提高設(shè)備傳熱能力的途徑。,2）實(shí)驗(yàn)測定,某些情況下管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值列于表4-6。 從表4-6可看出，通常經(jīng)驗(yàn)值的范圍較大，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選取中間的某一數(shù)值。若為降低操作費(fèi)，可選較小的K值；若為降低設(shè)備費(fèi)，可選較大的K值。,二、總傳熱系數(shù),3）選用實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),提高總傳熱系數(shù)途徑的分析,總熱阻=管內(nèi)熱阻+管內(nèi)垢阻+壁阻+管外垢阻+管外熱阻,壁阻,總熱阻,管內(nèi)

6、熱阻,管內(nèi)垢阻,管外垢阻,管外熱阻,3、提高K值的途徑,若傳熱面為平壁或薄管壁，則,當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí),設(shè),則,現(xiàn)提高,則,若提高,則,管壁內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱控制,若,管壁內(nèi)、外側(cè)對(duì)流傳熱控制,相當(dāng),若管壁兩側(cè)對(duì)流傳熱熱阻很小，而污垢熱阻很大,污垢熱阻控制,若,則,管壁外側(cè)對(duì)流傳熱控制,欲提高K值，強(qiáng)化傳熱，最有效的辦法是減小控制熱阻。,K值總是接近且永遠(yuǎn)小于 中的小者。 當(dāng)兩側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，K近似等于 中小者。,當(dāng)冷熱流體對(duì)流給熱系數(shù)相差較大時(shí)，K值取決于較小的對(duì)流給熱系數(shù)，所以，要提高總傳熱系數(shù)值，關(guān)鍵在于從熱阻較大的一側(cè)入手，設(shè)法增加較小的對(duì)流給熱系數(shù)。,四、平均溫度差的

7、計(jì)算,1、恒溫差傳熱,壁面兩側(cè)進(jìn)行熱交換的冷熱流體，其溫度不隨時(shí)間及位置而變化。,2、變溫差傳熱,采用對(duì)數(shù)平均值計(jì)算平均溫度差（傳熱平均推動(dòng)力）。,(1) 并流,冷熱流體流動(dòng)方向相同。,(2) 逆流,冷熱流體流動(dòng)方向相反。,(3) 錯(cuò)流,冷熱流體流動(dòng)方向垂直。,(4) 折流,并流、逆流共存。,錯(cuò)流和折流的平均溫度差,安德華（Underwood）鮑曼（Bowman）圖算法：,先按逆流操作算出對(duì)數(shù)平均溫度差，再由曲線圖差出校正系數(shù)。,曲線圖橫坐標(biāo),曲線圖縱坐標(biāo),3、對(duì)數(shù)平均值與算術(shù)平均值,例：A=8，B=6,算術(shù)平均值,對(duì)數(shù)平均值,若：A=80，B=6,算術(shù)平均值,對(duì)數(shù)平均值,結(jié)論1、對(duì)數(shù)平均值永

8、遠(yuǎn)小于算術(shù)平均值,結(jié)論2、A、B相差越大，對(duì)數(shù)平均值比算術(shù)平均值小的程度越大。,4、逆流推動(dòng)力與并流推動(dòng)力,并流：,逆流：,結(jié)論：逆流推動(dòng)力大于并流推動(dòng)力,例1、用單程列管換熱器預(yù)熱某物料，物料從管內(nèi)流過，流量為500kg/h，溫度由25oC升至65oC，加熱介質(zhì)用熱水，熱水流量為1000kg/h，初溫為95oC。已知物料的比熱為3.66kJ/(kgoC)，水的比熱為4.17kJ/(kgoC)，換熱器的總傳熱系數(shù)K為60W/( m2oC)。試計(jì)算逆流操作換熱器所需的傳熱面積。（熱損失不計(jì)）,例2：每小時(shí)500的常壓苯蒸汽用直立列管換熱器加以冷凝，并冷卻到30oC。冷卻介質(zhì)為20oC的冷水，冷水的出口溫度不超過45oC，冷熱流體呈逆流流動(dòng)。已知苯蒸汽的冷凝溫度為80 oC，汽化潛熱為390kJ/kg，平均比熱為1.86kJ/(kgoC)，并估算出冷凝段的傳熱系數(shù)為500W/(m2oC)，冷卻段的傳熱系數(shù)為100 W/(m2oC)。試求所需傳熱面積及冷卻水用量。若采用并流操作，所需的冷卻水用量為多少？,例3：某容器內(nèi)盛有溫度為105oC的甲苯1400kg，于其中裝有外表面積為3.2m2的蛇管換熱器，蛇管內(nèi)通入13oC的冷水，已知以外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)為255W/(m2