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1、化工原理主讲教师：童汉清,4 传热过程的计算,一、热量衡算方程式,1、显热与潜热,显热概念：温度变化，状态不变。显热计算：比热（物理性质），CP：kJ/(kgoC)Q=W CP(t1-t2),潜热概念：温度不变，状态变化。潜热计算：汽化潜热（物理性质），R：kJ/kg Q=W R,2、热量衡算方程式,（1）冷热流体均无相变,热流体的放热量=W1 Cp1（T1T2）冷流体的吸热量=W2 Cp2（t2 t1）,若不计热损失，则：热流体的放热量=冷流体的吸热量,Q=W1 Cp1（T1T2）=W2 Cp2（t2 t1）,（2）热流体有相变，冷流体无相变,热流体的放热量=W1 Cp1（T1T2）+W1
2、R冷流体的吸热量=W2 Cp2（t2 t1）,若不计热损失，则：热流体的放热量=冷流体的吸热量,Q=W1 Cp1（T1T2）+W1 R=W2 Cp2（t2 t1）,若热损失为Q损，则：,Q=W1 Cp1（T1T2）+W1 R=W2 Cp2（t2 t1）+Q损,（3）冷流体有相变，热流体无相变,热流体的放热量=W1 Cp1（T1T2）冷流体的吸热量=W2 Cp2（t2 t1）+W2 r,若不计热损失，则：热流体的放热量=冷流体的吸热量,Q=W1 Cp1（T1T2）=W2 Cp2（t2 t1）+W2 r,若热损失为Q损，则：,Q=W1 Cp1（T1T2）=W2 Cp2（t2 t1）+W2 r+Q损
3、,（4）冷热流体均有相变,热流体的放热量=W1 Cp1（T1T2）+W1R冷流体的吸热量=W2 Cp2（t2 t1）+W2 r,若不计热损失，则：热流体的放热量=冷流体的吸热量,Q=W1Cp1（T1T2）+W1R=W2Cp2（t2 t1）+W2 r,若热损失为Q损，则：,Q=W1Cp1（T1T2）+W1R=W2Cp2（t2 t1）+W2 r+Q损,二、传热速率方程式,（1）平面壁的传热速率,对于平面壁,设,则,平面壁的传热速率,对于圆筒壁,对于圆筒壁：传热面积以圆管外表面为基准进行计算。,圆筒壁的传热速率,则,设,三、总传热系数K,1、总传热系数K的物理意义 温度差为1oC时，单位时间内通过单
4、位面积的传热量。单位：W/（m2oC）,总传热系数(简称传热系数)K是评价换热器性能的一个重要参数，又是换热器的传热计算所需的基本数据。K的数值与流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等诸多因素有关，因此K值的变动范围较大。,2、总传热系数K的来源 1）计算,平面壁的传热速率,圆筒壁的传热速率,设计中应考虑污垢热阻的影响，即,管壁外表面污垢热阻,管壁内表面污垢热阻,总传热系数计算式,某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。,污垢热阻(又称污垢系数),对现有的换热器，通过实验测取有关的数据，如流体的流量和温度等，然后用总传热速率方程式计算得到K值。实测的K值不仅可以为换热器的设计提供依据，
5、而且可以了解换热器的性能，从而寻求提高设备传热能力的途径。,2）实验测定,某些情况下管壳式换热器的总传热系数K的经验值列于表4-6。从表4-6可看出，通常经验值的范围较大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。若为降低操作费，可选较小的K值；若为降低设备费，可选较大的K值。,二、总传热系数,3）选用实际生产的经验数据,提高总传热系数途径的分析,总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻,壁阻,总热阻,管内热阻,管内垢阻,管外垢阻,管外热阻,3、提高K值的途径,若传热面为平壁或薄管壁，则,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时,设,则,现提高,则,若提高,则,管壁内侧对流传热控制,若,管壁内
6、、外侧对流传热控制,相当,若管壁两侧对流传热热阻很小，而污垢热阻很大,污垢热阻控制,若,则,管壁外侧对流传热控制,欲提高K值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。,K值总是接近且永远小于 中的小者。当两侧对流传热系数相差较大时，K近似等于 中小者。,当冷热流体对流给热系数相差较大时，K值取决于较小的对流给热系数，所以，要提高总传热系数值，关键在于从热阻较大的一侧入手，设法增加较小的对流给热系数。,四、平均温度差的计算,1、恒温差传热,壁面两侧进行热交换的冷热流体，其温度不随时间及位置而变化。,2、变温差传热,采用对数平均值计算平均温度差（传热平均推动力）。,(1)并流,冷热流体流动方向相同。
7、,(2)逆流,冷热流体流动方向相反。,(3)错流,冷热流体流动方向垂直。,(4)折流,并流、逆流共存。,错流和折流的平均温度差,安德华（Underwood）鲍曼（Bowman）图算法：,先按逆流操作算出对数平均温度差，再由曲线图差出校正系数。,曲线图横坐标,曲线图纵坐标,3、对数平均值与算术平均值,例：A=8，B=6,算术平均值,对数平均值,若：A=80，B=6,算术平均值,对数平均值,结论1、对数平均值永远小于算术平均值,结论2、A、B相差越大，对数平均值比算术平均值小的程度越大。,4、逆流推动力与并流推动力,并流：,逆流：,结论：逆流推动力大于并流推动力,例1、用单程列管换热器预热某物料，
8、物料从管内流过，流量为500kg/h，温度由25oC升至65oC，加热介质用热水，热水流量为1000kg/h，初温为95oC。已知物料的比热为3.66kJ/(kgoC)，水的比热为4.17kJ/(kgoC)，换热器的总传热系数K为60W/(m2oC)。试计算逆流操作换热器所需的传热面积。（热损失不计）,例2：每小时500的常压苯蒸汽用直立列管换热器加以冷凝，并冷却到30oC。冷却介质为20oC的冷水，冷水的出口温度不超过45oC，冷热流体呈逆流流动。已知苯蒸汽的冷凝温度为80 oC，汽化潜热为390kJ/kg，平均比热为1.86kJ/(kgoC)，并估算出冷凝段的传热系数为500W/(m2oC)，冷却段的传热系数为100 W/(m2oC)。试求所需传热面积及冷却水用量。若采用并流操作，所需的冷却水用量为多少？,例3：某容器内盛有温度为105oC的甲苯1400kg，于其中装有外表面积为3.2m2的蛇管换热器，蛇管内通入13oC的冷水，已知以外表面积为基准的总传热系数为255W/(m2oC)，经过若干时间后测得甲苯温度冷却为25oC，而相应的水出口温度为18oC，操作过程中，甲苯和水的比热分别为1.8kJ/(kgoC)和4.19kJ/(kgoC)，且保持不变，不考虑热损失，容器内甲苯温度均匀，试计算：（1）水的流量为多少？（2）冷却甲苯所需时间为多少？,
