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1、环境工程学原理环境工程学原理主讲教师贺文智 第四章第四章 传传 热热概述概述1热传导热传导2对流传热对流传热3传热计算传热计算4 传热计算传热计算4.1 4.1 概述概述 4n 传热计算的类型传热计算的类型: : 设计计算设计计算：根据生产要求的热负荷，确定换热器的传热面积：根据生产要求的热负荷，确定换热器的传热面积 校核计算校核计算：计算给定换热器的传热量、流体流量或温度等：计算给定换热器的传热量、流体流量或温度等 传热计算传热计算4.2 4.2 能量衡算能量衡算 4对象：间壁式换热器对象：间壁式换热器基准：单位时间基准：单位时间s s假设：热损失忽略不计假设：热损失忽略不计热流体qmh,T
2、1,cph1,Hh1T2, Hh2冷流体qm2,t2,cpc2,Hc1t2 Hc2q qmhmh,q,qmcmc热、冷流体的质量流量，热、冷流体的质量流量，kg/skg/s；c cphph,c,cpcpc 热、冷流体的比热容，热、冷流体的比热容， J/(s. )J/(s. )；H Hc1c1,H,Hc2c2 冷流体的进出口焓，冷流体的进出口焓，J/kgJ/kg；H Hh1h1,H,Hh2h2 热流体的进出口焓，热流体的进出口焓， J/kg J/kg 。 传热计算传热计算4.2 4.2 能量衡算能量衡算 4关系式：单位时间热流体放出的热量关系式：单位时间热流体放出的热量= =冷流体吸收的热量冷流
3、体吸收的热量12211221ccmchhmhpcmcphmhHHqHHqQttcqTTcqQ热量衡算热量衡算：Q 热冷流体放出或吸收的热量，热冷流体放出或吸收的热量，J/sJ/s；12212ttcqTTcrqQttcqrqQpcmcsphmhpcmcmh热量衡算：热量衡算： 式中式中 r r 热流体的汽化潜热，热流体的汽化潜热，kJ/kgkJ/kg； T TS S 热流体的饱和温度，热流体的饱和温度，。 传热计算传热计算4.3 4.3 总传热速率方程总传热速率方程 4TTwtwtt换热器中任一微元面积换热器中任一微元面积dSdS的间壁两侧流体的传热的间壁两侧流体的传热n 热流体热流体 固体壁面
4、一侧固体壁面一侧 对流传热对流传热 1o1 ()woTTdQdSn 固体壁面固体壁面 固体壁面固体壁面 热传导热传导n 固体壁面固体壁面 冷流体冷流体 对流传热对流传热Q2()wwmTtdQbdS3i1 ()wittdQdS定常过程定常过程 dQdQ1 1=dQ=dQ2 2=dQ=dQ3 3=dQ=dQ串联过程串联过程 传热计算传热计算4.3 4.3 总传热速率方程总传热速率方程 4 说明说明: : KK总传热系数，单位与总传热系数，单位与 相同，相同， w/(mw/(m2 2 ) )； K K与换热面积是对应关系，不同的传热面积，与换热面积是对应关系，不同的传热面积，K K值不同值不同 K
5、Ki i 基于换热器管内表面积的总传热系数；基于换热器管内表面积的总传热系数； K Ko o基于换热器管外表面积的总传热系数；基于换热器管外表面积的总传热系数； K Kmm基于换热器管平均面积的总传热系数基于换热器管平均面积的总传热系数. .()()()iioommdQK dS TtK dS TtK dSTtn 不同面积基准间不同面积基准间K K的关系的关系dS t2qmh T1qmc t1 T2 传热计算传热计算4.3 4.3 总传热速率方程总传热速率方程 4n 基于整个换热面的总传热速率方程基于整个换热面的总传热速率方程00()QSdQK Tt dS式中式中 K K 平均总传热系数平均总传
6、热系数; ; t tt tmm平均温度差。平均温度差。 传热计算传热计算4.4 4.4 总传热系数总传热系数44.4.1 4.4.1 总传热系数计算式总传热系数计算式n 热流体热流体 固体壁面一侧固体壁面一侧 对流传热对流传热 1i1 ()wiTTdQdSn 固体壁面固体壁面 固体壁面固体壁面 热传导热传导n 固体壁面固体壁面 冷流体冷流体2()wwmTtdQbdS3o1 ()wottdQdS1i()widQTTdS2=wwmdQTtdSb3owodQttdSQTtiTwSidiSmdmotwSodo 传热计算传热计算4.4 4.4 总传热系数总传热系数()oodQK dS Tt44.4.1
7、4.4.1 总传热系数的数学描述总传热系数的数学描述n基于换热器管外表面积基于换热器管外表面积S So oio11T-imobtdQdSdSdSoioidSddSdomomdSddSdoi0o1K1moidbdddQTtiTwSidiSmdmotwSodo 传热计算传热计算4.4 4.4 总传热系数总传热系数44.4.2 4.4.2 总热阻总热阻n 新的换热器新的换热器 基于换热器管外表面积的单位传热面积的总热阻基于换热器管外表面积的单位传热面积的总热阻oi0o1K1moiodbdddR总热阻总热阻= =内侧热阻内侧热阻+ +导热热阻导热热阻+ +外侧热阻外侧热阻n 运行一段时间的换热器运行一
8、段时间的换热器式中式中 R Rsi si、R Rsoso 管内、外侧的污垢热阻，管内、外侧的污垢热阻，mm2 2K/W.K/W.oi0o1K1somoiosiioRdbdddRddRn 对于平壁或薄壁传热面对于平壁或薄壁传热面 d do o、 d dii 、 d dmm 相等或相近相等或相近oio11K1sosioRbRR 传热计算传热计算4.4 4.4 总传热系数总传热系数44.4.3 4.4.3 提高总传热系数的途径分析提高总传热系数的途径分析平壁或薄壁传热面平壁或薄壁传热面 ，且污垢热阻可忽略，且污垢热阻可忽略oio11K1oR(1) (1) 若若 则则热阻集中在管外壁热阻集中在管外壁,
9、 ,管外侧对流传热为控制步管外侧对流传热为控制步骤骤, ,提高提高K K的关键是减小管外侧对流传热热阻的关键是减小管外侧对流传热热阻oioo1K1(2) (2) 若若 则则oiio1K1热阻集中在管内壁热阻集中在管内壁, ,管内侧对流传热为控制步管内侧对流传热为控制步骤骤, ,提高提高K K的关键是减小管内侧对流传热热阻的关键是减小管内侧对流传热热阻(3) (3) 若若 相差不大相差不大o与i管内外侧热阻均不可忽略，需同时减小管内管内外侧热阻均不可忽略，需同时减小管内外两侧对流传热热阻热阻，才可有效提高外两侧对流传热热阻热阻，才可有效提高K K 传热计算传热计算4.4 4.4 总传热系数总传热
10、系数44.4.4 4.4.4 总传热系数总传热系数K K的确定方法的确定方法(1)(1)选取经验值选取经验值(2)(2)实验测定实验测定(3)(3)计算确定计算确定 传热计算传热计算4.5 4.5 平均温度差平均温度差44.5.1 4.5.1 恒温传热恒温传热热流体侧为饱和蒸汽冷凝热流体侧为饱和蒸汽冷凝冷流体侧为饱和液体汽化冷流体侧为饱和液体汽化mttTt4.5.2 4.5.2 变温传热变温传热 t tmm与流体流向有关与流体流向有关 传热计算传热计算41 1、逆流和并流时的、逆流和并流时的 tmt1t2T1T2 t2tAt1T2T1 t2tAt1T2T1t2t1T1T2 传热计算传热计算4以
11、逆流为例推导以逆流为例推导 tm假设：假设：(1) (1) 定态传热、定态流动，定态传热、定态流动， 则则q qmhmh, q, qmcmc 一定一定(2) (2) c cphph,c,cpcpc为常数，为进出口平均温度下的值为常数，为进出口平均温度下的值(3)(3) K K沿管长不变，为常数沿管长不变，为常数(4) (4) 热损失忽略不计热损失忽略不计t2t1T1T2dA取任一微元传热面积取任一微元传热面积dS dQdS dQ热流体温降热流体温降dTdT，冷流体温升，冷流体温升dtdt总传热速率微分方程总传热速率微分方程()dQK Tt dSK tdS同时同时dtcqdTcqdQpcmcph
12、mh根据假定根据假定(1)(1)与与(2)(2)常量常量，pcmcphmhcqdQdtcqdQdT11kQmtkmQT)()(t -TkkQmmt 传热计算传热计算4t2t1T1T2dAdQKdtdQKdT21bQKt3t -TT1T2t1t2t=T-t传热量传热量QtQ的直线斜率的直线斜率Q-)(12ttdQtdt1t221()-QdtttK tdS21210()(-)QtStdtKttdSt2211(-)lnQtKttSt2121(-)lnmttQKSKS ttt适用于逆流与并流适用于逆流与并流)()(t -TkkQmmt 传热计算传热计算4(1) (1) 当当 可用算术平均值代替对数均值可用算术平均值代替对数均值2/ )(21tttm21tttm(2) (2) 当当 t t1 1 t t2 222112tt(3) (3) 在冷、热流体的初、终温度各自相同的条件下，逆流时在冷、热流体的初、终温度各自相同的条件下，逆流时 的的tm为大，故一般常采用逆流操作。为大，故一般常采用逆流操作。 传热计算传热计算4mtmtt）RPft,(1221ttTTR冷流体温升热流体温降1112tTttP两流体初温差冷流体温升mtmt(1)(1) 通常在换热器的设计中规定通常在换热器的设计中规定(2)(2) P P、R R相同的条件下，增加壳方程数，相同的条件下，增加壳方程数， 0.8tt