1、第第四四章章 传热传热第第四四节节 传热计算传热计算传热计算 设计计算 校核计算 根据生产任务的要求，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。 依据：总传热速率方程和热量恒算 一、总传热速率方程一、总传热速率方程 在换热器中传热的快慢用传热速率表示。传热速率是指单位时间内通过传热面的热量，单位为W。在间壁式换热器中，热量是通过两股流体间的壁面传递的，这个壁面称为传热面，单位是m2。两股流体间所以能有热量交换，是因为它们有温度差。如果以表示热流体的温度，t表示冷流体的温度，那么温
2、度差就是热量传递的推动力，用表示，单位为K或。实践证明：两股流体单位时间所交换的热量与传热面积成正比，与温度差成正比，即 tSQ 把上述比例式改写成等式，以表示比例常数，则得 称为传热速率方程式。式中称为传热系数，其单位可由上式移项推导得 W/（m2K）或 W/（m2） 从的单位可以看出，传热系数的意义是：当温度差为1时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量。显然，值的大小是衡量换热器性能的一个重要指标，值越大，表明在单位传热面积上在单位时间内传递的热量越多。tSQKtSQK 式中表示传热过程的总阻力，简称热阻，用 表示。即 传热总阻力传热推动力KtSQ1KR1R单位传热面积上的传热速率与传热
3、推动力成正比，与热阻成反比。因此，提高换热器传热速率的途径为提高传热推动力和降低传热阻力。 二、热负荷的计算二、热负荷的计算 根据能量守恒定律，在换热器保温良好，无热损失的情况下，单位时间内热流体放出的热量 等于冷流体吸收的热量 。即 ，称为热量衡算式。热Q冷QQQQ冷热 生产上的换热器内，冷、热两股流体间每单位时间所交换的热量是根据生产上换热任务的需要提出的，热流体的放热量或冷流体的吸热量，称为换热器的热负荷。热负荷是要求换热器具有的换热能力。 一个能满足生产换热要求的换热器，必须使其传热速率等于（或略大于）热负荷。所以，我们通过计算热负荷，便可确定换热器的传热速率。 必须注意，传热速率和热
4、负荷虽然在数值上一般看作相等，但其含意却不同。热负荷是由工艺条件决定的，是对换热器的要求；传热速率是换热器本身的换热能力，是设备的特征。 热负荷的计算有以下三种方法：（1）焓差法）焓差法 利用流体换热前、后焓值的变化计算热负荷的计算式如下 或 式中 热负荷，W； 热、冷流体的质量流量，kg/s； 热流体进、出口的焓，J/kg； 冷流体进、出口的焓，J/kg。 焓的数值决定于流体的物态和温度。通常取0为计算基准，规定液体和蒸汽的焓均取0液态的焓为0 J/kg，而气体则取0气态的焓为0 J/kg。21HHqQm热12hhqQm冷Q冷热mm、qq21、HH21、hh （2）显热法）显热法 此法用于流
5、体在换热过程中无相变化的情况。计算式如下 或 式中 热、冷流体的平均定压比热J/(kg)； 热流体进、出口温度，； 冷流体的进、出口温度，。 （3 3）潜热法）潜热法 此法用于流体在换热过程中仅发生相变化(如冷凝或气化)的场合。 或 式中 热流体和冷流体的相变热（蒸发潜热），J/kg。 21TTcqQm热热12ttcqQm冷冷冷热、cc21、TT21、tt热热rqQm冷冷rqQm、r热冷r例题分析 用用0.417kg/s， 80硝基苯加热冷水，通过硝基苯加热冷水，通过换热器后冷却到换热器后冷却到40，冷水由由，冷水由由30变为变为35，水比热为，水比热为4。2kJkg，硝基苯比，硝基苯比热为热
6、为1。6kJkg。 求求(1)该换热器的热负荷及冷水用量。该换热器的热负荷及冷水用量。 (2)若冷水的流量变为若冷水的流量变为6m3/h，求冷水的终温，求冷水的终温。课堂练习1、把、把20kg80 的水与的水与60kg40 的水混合后水温为的水混合后水温为 。2、用热水加热溶液，热水、用热水加热溶液，热水0.4kg/s，由，由90变为变为50，热水，热水比热为比热为4kJkg，溶液进口温度为，溶液进口温度为20，出口温度不得，出口温度不得超过超过25，已知操作条件下溶液比热为，已知操作条件下溶液比热为6kJkg，相对，相对密度密度1.2。 求求(1)该换热器的热负荷及溶液用量。该换热器的热负荷
7、及溶液用量。 (2)若溶液的流量变为若溶液的流量变为3.2m3/h，求溶液的终温。，求溶液的终温。三、总传热系数三、总传热系数1、总传热系数、总传热系数K的来源的来源1) 生产实际的经验数据 2) 实验测定 3) 分析计算 2、传热系数、传热系数K的计算的计算 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传热owodSTTdQ 2) 通过管壁的热传导 mwwdSbtTdQ3) 管壁与流动中的冷流体的对流传热 iwidSttdQiimdddbdK00011iimdddbdK00011或基于外表面积总传热系数计算公式基于外表面积总传热系数计算公式同理： iimiidddb
8、dK0011001ddbddKiiimm3、污垢热阻、污垢热阻 在计算传热系数K值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，0111iK若0i则oK11总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的。两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，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。四、传热的平均温度差四、传热的平均温度差 恒温差传热：变温差传热： 传热温度差不随位置而变的传热 传热温度差随位置而改变的传热 传热流动形式 并流 ：逆
9、流 ：错流 ：折流 ：两流体平行而同向的流动 两流体平行而反向的流动 两流体垂直交叉的流动 一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流 1恒温传热时的平均温度差恒温传热时的平均温度差 参与传热的冷、热两种流体在换热器内的任一位置、任一时间，都保持其各自的温度不变，此传热过程称为恒温传热。例如用水蒸汽加热沸腾的液体，器壁两侧的冷、热流体因自身发生相变化而温度都不变，恒温传热时的平均温度差等于 流体的流动方向对 无影响。 2变温传热时的平均温度差变温传热时的平均温度差 工业上最常见的是变温传热，即参与传热的两种流体（或其中之一）有温度变化。在变温传热时，换热器各处的传热温度差随流体温度的变化而不同
10、，计算时必须取其平均值。 tTt均t (1)单侧变温时的平均温度差单侧变温时的平均温度差 如图所示为一侧流体温度有变化，另一侧流体的温度无变化的传热。图a热流体温度无变化，而冷流体温度发生变化。例如在生产中用饱和水蒸汽加热某冷流体，水蒸汽在换热过程中由汽变液放出热量，其温度是恒定的，但被加热的冷流体温度从生至，此时沿着传热面的传热温度差是变化的。 图b冷流体温度无变化，而热流体的温度发生变化。例如生产中的废热锅炉用高温流体加热恒定温度下沸腾的水，高温流体的温度从降至，而沸腾的水温始终保持为沸点，此时的传热温度差也是变化的。其温度差的平均值可取其对数平均值，即按下式计算。 式中取 。 和 为传热
11、过程中最初、最终的两流体之间温度差。 在工程计算中，当 时，可近似地采用算术平均值，即 算术平均温度差与对数平均温度差相比较，在 2时，其误差4%。2121ttInttt均21tt1t2t221tt221ttt均21tt （2）双侧变温时的平均温度差）双侧变温时的平均温度差 工厂中常用的冷却器和预热器等，在换热过程中间壁的一侧为热流体，另一侧为冷流体，热流体沿间壁的一侧流动，温度逐渐下降，而冷流体沿间壁的另一侧流动，温度逐渐升高。这种情况下，换热器各点的 也是不同的，属双侧变温传热。在此种变温传热中，参与热交换的两种流体的流向大致有四种类型，如图5-7所示。 两者平行而同向的流动，称为并流；两
12、者平行而反向的流动，称为逆流；垂直交叉的流动，称为错流；一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流，称为折流。变温传热时，其平均温度差的计算方法因流向的不同而异。 3、并流和逆流时的平均温度差并流和逆流时的平均温度差 并流与逆流两种流向的平均温度差计算式与一侧变温完全一样，即 应当注意，在计算时取冷、热流体在换热器两端温度差大的作为 ，小的为，以使式中的分子与分母都是正数。如遇 2时，仍可用算术平均值计算，即 不难看出，当一侧流体变温而另一侧流体恒温时，并流和逆流的平均温度差是相等的；当两侧流体都变温时，由于流动方向的不同，两端的温度差也不相同，因此并流和逆流时的是不相等的。21tt2121l
13、nttttt均221ttt均1t 逆流的另一优点是可以节省加热剂或冷却剂的用量。例如：若要求将一定流量的冷流体从120加热到160，而热流体的进口温度为245，出口温度不作规定。此时若采用逆流，热流体的出口温度可以降至接近于120，而采用并流时，则只能降至接近于160。这样，逆流时的加热剂用量就较并流时为少。 由以上分析可知，逆流优于并流，因而工业生产中换热器多采用逆流操作。但是在某些生产工艺有特殊要求时，如要求冷流体被加热时不能超过某一温度，或热流体被冷却时不能低于某一温度，则宜采用并流操作。 例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却水进口温度1
14、5，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。解解 ： 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 ：40100 301585 101212,lntttttm并1085ln1085C035可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。4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
15、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。 五、传热面积的计算五、传热面积的计算传热系数传热系数K为常数为常数 mtKQS其中： )()(21,12,TTCWttCWQhPhCPC习题分析1 1、逆流传热的温差、逆流传热的温差 （
16、大于或小于）并流传热的温差。（大于或小于）并流传热的温差。就增加传热过程的推动力而言，就增加传热过程的推动力而言， 流操作较优。流操作较优。2 2、用、用1010冷却水冷却冷却水冷却9090油品，冷、热流体的出口温度分别为油品，冷、热流体的出口温度分别为4040和和7070。若为并流换热，其平均温差为。若为并流换热，其平均温差为_；若为逆；若为逆流换热，则其平均温差为流换热，则其平均温差为_ _。3 3、温度为、温度为240240的某种气体在列管换热器的壳方被加热到的某种气体在列管换热器的壳方被加热到400400。另一温度为。另一温度为520520的气体作为加热剂。两流体流量及比热均的气体作为加热剂。两流体流量及比热均相同，试问：相同，试问：(1)(1)热气体出口温度为多少？热气体出口温度为多少？ (2)(2)两流体是并流或逆流操作两流体是并流或逆流操作? ? (3)(3)当流量为当流量为1000Kg/h,1000Kg/h,比热为比热为4KJ/Kg 4KJ/Kg 时的传热量为多少？时的传热量为多少？
