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1、第三章 传热过程第三讲2023/1/231第1页，共22页，编辑于2022年，星期二流体在传热中仅有温度变化流体在传热中仅有温度变化不发生相变不发生相变的场合的场合QL=Wcp(t2-t1)式中式中cp流体的比定压热容，流体的比定压热容，kJkg-1K-1；t1，t2流体传热前后的温度，流体传热前后的温度，K；若换热器中两种流体若换热器中两种流体无相变化无相变化，且流体的，且流体的定压比热不随温度变化定压比热不随温度变化或可或可取平均温度下的定压比热时：取平均温度下的定压比热时：（2）热量衡算）热量衡算2023/1/232第2页，共22页，编辑于2022年，星期二式中式中QL换热器的热负荷，换
2、热器的热负荷，kJs-1；分别指热、冷流体的比定压热容，分别指热、冷流体的比定压热容，kJkg-1K-1；分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、出口温度，分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、出口温度，K。若换热器中的热流体有相变，如若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸气冷凝同温度冷饱和水蒸气冷凝同温度冷凝液凝液时：时：2023/1/233第3页，共22页，编辑于2022年，星期二2传热总方程传热总方程 如图，如图，传热过程是传热过程是热流体给热热流体给热间壁导热间壁导热冷流体给热冷流体给热的串联过的串联过程。程。换热器内进行的大都是换热器内进行的大都是定态传热定态传热过程过程：或2023
3、/1/234第4页，共22页，编辑于2022年，星期二 间壁式换热器的传热总方程间壁式换热器的传热总方程，适用于传热面为，适用于传热面为等温面的等温面的间间壁式热交换过程。壁式热交换过程。说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性3.传热系数传热系数K 2023/1/235第5页，共22页，编辑于2022年，星期二 当换热器的间壁为单层平面壁时，因当换热器的间壁为单层平面壁时，因A1=A2=A，则传热系数为：则传热系数为：若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若A1A2A，即传热系数与传热面积对应时：，即传热系数与传热面
4、积对应时：2023/1/236第6页，共22页，编辑于2022年，星期二 K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要取决于取决于流体的物性流体的物性、传热过程的操作条件传热过程的操作条件及及换热器的类换热器的类型型等。等。化工中常见传热过程的化工中常见传热过程的K值范围值范围2023/1/237第7页，共22页，编辑于2022年，星期二 例题：某有机物生产中使用的搅拌式全混流反应釜，内径为例题：某有机物生产中使用的搅拌式全混流反应釜，内径为1.0m，釜壁铜板厚，釜壁铜板厚8mm（=50Wm-1K-1）若釜内壁面结有垢层厚）若釜内壁面结有垢层厚2mm（
5、Rh1=0.002 W-1m2K）夹套中用）夹套中用115的饱和水蒸气进行加热（的饱和水蒸气进行加热（a a19000 Wm-2K-1），釜内有机物温度为），釜内有机物温度为80（a a2250 Wm-2K-1）。）。试求该条件下的面积热流量和各热阻的百分率。试求该条件下的面积热流量和各热阻的百分率。解解：因反应釜内径：因反应釜内径1.0 m与外径与外径1.16 m相差不大，可近相差不大，可近似地当作平面壁来处理似地当作平面壁来处理.取传热面积为取传热面积为时：时：求得求得 W-1m2K W-1m2K W-1m2K W-1m2K 2023/1/238第8页，共22页，编辑于2022年，星期二得
6、得 K=159 Wm-2K-1 传热总阻力为：传热总阻力为：W-1K 反应釜的面积热流为反应釜的面积热流为 kWm-2 计算结果表明，计算结果表明，主要热阻在垢层和有机物这一侧，其主要热阻在垢层和有机物这一侧，其中垢层热阻占总热阻的中垢层热阻占总热阻的31.9%，有机物热阻占，有机物热阻占63.8%；而蒸汽冷凝及金属釜壁的热阻只占总热阻的而蒸汽冷凝及金属釜壁的热阻只占总热阻的1.75%和和2.55%。2023/1/239第9页，共22页，编辑于2022年，星期二4传热过程的平均温度差传热过程的平均温度差 冷、热流体温度差沿换热器壁面的分布情况，决定了整个换热过程的冷、热流体温度差沿换热器壁面的
7、分布情况，决定了整个换热过程的温度差。温度差。（1）定态恒温传热）定态恒温传热 定态恒温传热是指换热器间壁两侧冷、热两流体温度在定态恒温传热是指换热器间壁两侧冷、热两流体温度在壁面的任何壁面的任何位置、任何时间都不变化位置、任何时间都不变化，即两流体的温度差沿换热面处处相等，恒，即两流体的温度差沿换热面处处相等，恒定不变。定不变。（2）定态变温传热（换热器常见情况）定态变温传热（换热器常见情况）定态变温传热时，换热器间壁一侧流体或两侧流体的温度沿传热面的定态变温传热时，换热器间壁一侧流体或两侧流体的温度沿传热面的不同位置发生变化，不同位置发生变化，两流体间的温度差两流体间的温度差t沿换热器壁面
8、位置也变化，且与沿换热器壁面位置也变化，且与两流体相对流向有关两流体相对流向有关。2023/1/2310第10页，共22页，编辑于2022年，星期二 图分别为逆流和并流传热时图分别为逆流和并流传热时t随换热器壁面位置的变化图随换热器壁面位置的变化图 工业上冷、热流体在换热器内的相对流向主要有工业上冷、热流体在换热器内的相对流向主要有逆流和并流逆流和并流。2023/1/2311第11页，共22页，编辑于2022年，星期二热热T1T2t1t2冷冷逆流逆流T1T2t2t1热热冷冷并流并流当用算术平均值用算术平均值2023/1/2312第12页，共22页，编辑于2022年，星期二 例题：例题：硫酸生产
9、中硫酸生产中 SO2的转化系统，用转化气在外部列管换热器中预的转化系统，用转化气在外部列管换热器中预热热 SO2气体。若转化气温度由气体。若转化气温度由440降至降至320，SO2气体由气体由220被加热被加热至至280，试求并流传热和逆流传热的平均温度差，并作比较，选定推动，试求并流传热和逆流传热的平均温度差，并作比较，选定推动力较大的传热流向（设两气体进出口温度在并、逆流时相同）力较大的传热流向（设两气体进出口温度在并、逆流时相同）T1=440T2=320t1=220t2=280t1t2T1=440T2=320t2=280t1=220t1t2解:t1=T1-t1=220t2=T2-t2=4
10、0t1/t2=5.52并流传热时并流传热时2023/1/2313第13页，共22页，编辑于2022年，星期二对数平均值算术平均值只能采用对数只能采用对数平均值平均值逆流传热逆流传热误差为t1=T1-t2=160t2=T2-t1=100t1/t2=1.62对数平均值算术平均值误差为采用对数平均值和采用对数平均值和算术平均值均可算术平均值均可2023/1/2314第14页，共22页，编辑于2022年，星期二在相同情况下，在相同情况下，逆流传热的平均温度差大于并流传热的逆流传热的平均温度差大于并流传热的平均温度差平均温度差，这意味着采用逆流传热要比并流传热相，这意味着采用逆流传热要比并流传热相应减少
11、传热面积或载热体使用量。应减少传热面积或载热体使用量。计算结果表明计算结果表明:2023/1/2315第15页，共22页，编辑于2022年，星期二 3-5 换热器的选择及传热过程的强化换热器的选择及传热过程的强化1换热器的选择换热器的选择 冷、热流体的流量、进出口温度、操作压力等；冷、热流体的流量、进出口温度、操作压力等；冷、热流体的物性参数；冷、热流体的物性参数；冷、热流体的工艺特点、腐蚀性、悬浮物含量等。冷、热流体的工艺特点、腐蚀性、悬浮物含量等。换热器的选择，是在换热器系列化标准中确定合适的换热器的选择，是在换热器系列化标准中确定合适的换热器类型和规格的过程。换热器类型和规格的过程。换热
12、器的选择首先要考虑以下事项。换热器的选择首先要考虑以下事项。（1）了解换热任务，掌握基本数据及特点。）了解换热任务，掌握基本数据及特点。2023/1/2316第16页，共22页，编辑于2022年，星期二 （2）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。如）确定选用换热器的型式，决定流体的流动空间。如选定列管换热器，对换热流体流动空间可按下列原则确定。选定列管换热器，对换热流体流动空间可按下列原则确定。不洁流体或易结垢、沉淀、结晶的流体走管程；不洁流体或易结垢、沉淀、结晶的流体走管程；需提高流速以增大对流传热系数的流体走管程；需提高流速以增大对流传热系数的流体走管程；腐蚀性流体走管程，以免腐蚀壳
13、体和管束；腐蚀性流体走管程，以免腐蚀壳体和管束；压力高的流体走管程，管子耐压性好；压力高的流体走管程，管子耐压性好；饱和蒸气宜走管程，便于排出冷凝液；饱和蒸气宜走管程，便于排出冷凝液；粘度大或流量较小的流体宜走壳程，可在低粘度大或流量较小的流体宜走壳程，可在低 Re（Re100）达到湍流；）达到湍流；需冷却的流体一般选壳程，便于散热。需冷却的流体一般选壳程，便于散热。2023/1/2317第17页，共22页，编辑于2022年，星期二 流体定性温度，查取或计算定性温度下有关物性数据；流体定性温度，查取或计算定性温度下有关物性数据；由传热任务计算热负荷；由传热任务计算热负荷；作出适当选择，并计算对
14、数平均温度差；作出适当选择，并计算对数平均温度差；选取总传热系数、估计换热面积，由此可试选适当选取总传热系数、估计换热面积，由此可试选适当型号的换热器；型号的换热器；核算总传热系数；核算总传热系数；估算传热面积。估算传热面积。在换热器型式和规格确定中，计算的主要内容有：在换热器型式和规格确定中，计算的主要内容有：2023/1/2318第18页，共22页，编辑于2022年，星期二2传热过程的强化传热过程的强化 传热过程的强化目的是充分利用热能，提高换热器单位传热过程的强化目的是充分利用热能，提高换热器单位面积的传热速率；力图以较小的传热面积或较小体积的换热面积的传热速率；力图以较小的传热面积或较
15、小体积的换热器完成一定的传热任务。器完成一定的传热任务。强化传热过程的主要途径有三条。强化传热过程的主要途径有三条。（1）增大传热面积）增大传热面积A 增大间壁式换热器传热面积增大间壁式换热器传热面积A，可提高过程的传热速率。，可提高过程的传热速率。但增大但增大A，设备投资费用增大。改进传热面结构，采用螺纹，设备投资费用增大。改进传热面结构，采用螺纹管、波纹管代替光滑管，或采用新型换热器如翅片管式换热管、波纹管代替光滑管，或采用新型换热器如翅片管式换热器，可以实现单位体积的传热面积增大的效果。器，可以实现单位体积的传热面积增大的效果。2023/1/2319第19页，共22页，编辑于2022年，
16、星期二 当工艺规定冷、热流体温度时，采用逆流换热可获得当工艺规定冷、热流体温度时，采用逆流换热可获得较大的较大的tm，亦可改用严格逆流的套管换热器或螺旋板换，亦可改用严格逆流的套管换热器或螺旋板换热器实现热器实现tm的增大。的增大。提高提高a a和和、降低、降低都能使都能使K值增大。提高值增大。提高K值的具体办值的具体办法，可以从以下几个方面考虑。法，可以从以下几个方面考虑。（2）增大平均温度差）增大平均温度差tm 增大传热系数增大传热系数K是强化传热过程最有效的途径。是强化传热过程最有效的途径。（3）增大传热系数）增大传热系数K2023/1/2320第20页，共22页，编辑于2022年，星期
17、二提高提高、降低、降低。a尽量选择尽量选择较大的载热体；较大的载热体；b换热器金属壁面一般较换热器金属壁面一般较值大，热阻小；但污垢层热值大，热阻小；但污垢层热阻很大，应防止或减缓垢层形成并及时清除之。阻很大，应防止或减缓垢层形成并及时清除之。增加湍流程度、减小对流传热的热阻、提高增加湍流程度、减小对流传热的热阻、提高h值。值。a提高流体流速、增加湍流程度、减小滞流底层厚度，可有效地提提高流体流速、增加湍流程度、减小滞流底层厚度，可有效地提高无相变流体的高无相变流体的a a值。值。b改变流动条件。通过设计特殊传热壁面，使流体在流动过程中不改变流动条件。通过设计特殊传热壁面，使流体在流动过程中不断改变流动方向，提高湍流程度。断改变流动方向，提高湍流程度。尽量选择尽量选择a a大的流体给热状态。大的流体给热状态。例如，有相变的蒸气冷例如，有相变的蒸气冷凝维持在滴状冷凝状态等。凝维持在滴状冷凝状态等。提高提高K值的途径在具体实施时要综合考虑。值的途径在具体实施时要综合考虑。2023/1/2321第21页，共22页，编辑于2022年，星期二QQa aa aa aa aQQQQa aWW2023/1/2322第22页，共22页，编辑于2022年，星期二