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1、4.4.4 总传热速率方程的应用,传热面积的计算：K 为常数时：当K为变量，但K随温度呈线性变化时：,4.4.4 总传热速率方程的应用,传热面积的计算：,（3）K 随温度不呈线性变化时：,若K 随温度变化不大，可以采用分段计算法：将换热器分段，每段的K视为常量，将各段计算所得的换热面积相加和。,（3）K 随温度不呈线性变化时：,用图解积分法或数值积分法求得。,例4-10 现要求每小时将500kg的乙醇饱和蒸气,（Tb=78.5）在换热器内冷凝并冷却至30,已知其传热系数在冷凝和冷却时分别为1=3500Wm-2 K-1，2=700Wm-2 K-1，t1=15，t2=35。已知水的传热系数3=10
2、00Wm-2 K-1，cp,c=4.2kJkg-1K-1,忽略管壁和污垢热阻,求换热器的传热面积。,解：乙醇冷凝放热：,乙醇冷却放热：,总放热：Q1+Q2=1.41105W,冷却水流量,用传热速率方程求传热面积，既有相变传热，也有无相变的变温传热，因此将传热面积分段求解，分为冷凝段和冷却段，求得两段分界处的水温，再求其他。,冷凝段两段分界处水温：t=35-17.3=17.7,冷凝段：,冷却段,换热器传热面积S=S1+S2=3.04+1.40=4.44m2,2.实验测定总传热系数K,方法：实验测定流体的温度、流量等参数，通过 计算。例,3.换热器的操作型计算,若qm,c=1.2 qm,c，t1、
3、t2不变，应采取什么措施?（忽略管壁热阻和污垢热阻）,80,20,T=116.3P=1.765105Pa,壳间水蒸气冷凝,空气湍流,例4-11,原流量下：新流量下：（2）传热速率原流量下，式中,0,525,(1)热量恒算,新流量下，强制湍流，管径不变，则,原流量下新流量下,只有提高饱和蒸气的压力才能满足要求。,T1=？,qm,c=1.2 qm,c,4.4.5 传热单元数法（NTU法）,传热单元法又称传热效率-传热系数法（-NTU)一、传热效率,最大可能传热速率：换热器中可能发生最大温差 变化的传热速率。,理论上最大的温差：,17,热容流量：qmcp,由热量衡算得最小值流体可获得较大的温度变化,
4、18,二、传热单元数,基于冷流体的传热单元数,19,传热单元数：量纲为1的函数，反映传热推动力和传热所要求的温度变化。传热推动力，（NTC)c,长度量纲，是传热热阻和流体流动状况的函数。总传热系数越大，传热单元长度越短，所需传热面积越小。同理，对热流体：,传热单元长度Hc:,20,21,三、传热效率与传热单元数的关系,根据热量衡算和传热速率方程导出。以单程并流换热器为例推导。,并流：,令：,22,三、传热效率与传热单元数的关系,同理，逆流时传热效率和传热单元数的关系：,若热流体为最小值流体，则令：,得出了冷流体为最小值相同的公式。,传热单元数法,单程逆流换热器中和 NTU 关系,折流换热器中和
5、 NTU 关系,24,4.4.6 传热计算示例,例题：用120C的饱和水蒸汽将流量为36m3/h的某稀溶液在双管程列管换热器中从温度为80C上升到95C，每程有直径为252.5mm管子30根，且以管外表面积为基准K=2800 W/m2.C，蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计。求：（1）换热器所需的管长；（2）操作一年后，由于污垢积累，溶液侧的污垢系数增加了0.00009m2.C/W，若维持溶液原流量及进口温度，其出口温度为多少？若又保证溶液原出口温度，可采取什么措施？（定性说明）溶液的=1000kg/m3；cp=4.2kJ/kg.C。,(四)壁温的计算,对稳态传热过程 整理上式可得：,壁温总是
6、接近较大一侧的流体温度；若1 2，则壁温如果管壁两侧有污垢，则,(四)壁温的计算,例4-11 在一由252.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口500,出口400。管外为p=981kN/m2压力（绝压）的水沸腾。已知高温气体对流传热系数a1=250W/m2，水沸腾的对流传热系数a2=10000 W/m2。忽略污垢热阻。试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw。,解：(a)总传热系数 以管子内表面积S1为基准,500,400,(c)计算单位面积传热量,(d)管壁温度,Q/A1=K1tm=242271=65580W/m2,T-热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值 T=(500+40
7、0)/2=450,管内壁温度,(b)平均温度差 在p=981 kN/m2，水的饱和温度为179,管外壁温度,由此题计算结果可知：由于水沸腾对流传热系数很大，热阻很小，则壁温接近于水的温度，即壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度。又因管壁热阻很小，所以管壁两的温度比较接近。,4.3.3 保温层的临界直径,六、换热器,6.1 间壁式换热器（一）管式换热器1.蛇管换热器：沉浸式和喷淋式2.套管式换热器3.列管式换热器（二）板式换热器：夹套换热器、螺旋板式换热器（三）翅片式换热器（四）热管,蛇管的形状,（2）沉浸式,（3）喷淋式,（1）沉浸式蛇管换热器,整体,沉浸式蛇管换热器,强化措施：可减少管
8、外空间；容器内加搅拌器。,（2）喷淋式蛇管换热器,放置在室外空气流通处。管外流体湍动程度较高，故其给热系数较沉浸式为大;缺点：喷淋不易均匀。,每一段套管称为一程，长46m，程数由传热而定。优点：简单，能耐高压，可严格逆流，有利传热缺点：接头较多易泄露，单位体积传热面积小。,3.列管式换热器,a)单管程单壳程,结构：一束装在圆柱型壳体内的圆管，两端再加设封头（端盖）组成。,b)多程换热器,当流体在管束内(间)流动的距离2个换热器列管长度时，称相应的换热器为多管程(壳程)换热器。,管壳式换热器,浮头式换热器,40,U型管换热器,特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。,圆缺形,圆盘形,多管程：增大管
9、内流体u，提高管内的,加挡板：增大壳程流体的湍动，提高壳程的,（二）板式换热器,特点：构造简单，但传热面积受容器壁面的限制，一般不超过10m2，且传热系数也不高。为强化传热，可在釜内安装搅拌器；为及时移走釜内热量，可在其中安装蛇管。,（1）夹套式换热器,（2）螺旋板式换热器,特点：传热系数高；不易结垢和堵塞；能利用温度较低的热源；结构紧凑。,（3）板翅式换热器的板束,(4)平板式换热器流向示意图,（三)翅片式换热器,（四）热管,热管是一个封闭的金属管，管内有毛细吸液液芯结构，抽除管内全部不凝性气体并充以定量的可气化的工作液体。,6.2 换热器传热过程的强化,（一）强化传热的途径增大传热面积A：
10、从改革换热器结构入手，开发单位体积传热面积大的换热器。A金属材料用量 设备费用,具体措施：,设计制造高效紧凑的换热器：波纹形的平板式换热器板间距46mm，其单位体积换热面积是列管换热器的6倍；螺旋管为列管的3倍。,如：平板式、板翅式及螺旋板式换热器。,提高传热系数K,设法减小对K值影响较大的热阻，即可使K；/对K影响不大：管壁厚度较薄，金属大；Ri、Ro为管内、外侧污垢层的热阻。垢层热导率很小，即使很薄热阻很大；1mm垢层热阻=40mm厚钢板的热阻对流传热膜系数i、o：同一数量级，或相差不大同时提高两侧；相差悬殊时，要K，需重点增加小的一方的,具体措施：,u流体湍动程度 层流底层厚度，采用外加
11、脉动或超声波，增加流体的湍动程度。在流体中加入固体颗粒增加传热。Cp，固体 Cp，气体，少量加入即可增加气体的热容量，也可增加气体的湍动程度。采用大的流体作载热体，如熔盐、液态金属等，以降低传热边界层的热阻，增大传热速率。,具体措施：,设计特殊的传热壁面，使流体在流动过程中不断改变流动方向，促使形成湍流。如翅片结构，内置各种插物：麻花铁、螺旋圈等。,增大平均温度差tm,两流体采用逆流传热；提高热流体的温度或降低冷流体的温度。根据技术上的可能和经济上的合理性：选择加热剂或冷却剂。,55,4.6.1 换热器的分类,按用途分类：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器,按冷热流体热量交换方式分类：,混
12、合式、蓄热式和间壁式,主要内容：,1.根据工艺要求，选择适当的换热器类型；,2.通过计算选择合适的换热器规格。,56,4.6.2 间壁式换热器的类型,一、夹套换热器,57,流体流过折流挡板,58,1.固定管板式,特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。,59,2.浮头式,特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修,结构复杂,60,3.U型管式,特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。,61,4.6.3 列管换热器的选用,1.根据工艺任务，计算热负荷,2.计算tm,3.依据经验选取K，估算A,4.确定冷热流体流经管程或壳程，选定u,先按单壳程多管程的计算，如果0.8，应增加壳程数；,由u和V估算单管程的
13、管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。,浙江大学本科生课程化工原理,第五章 传热过程计算与换热器,62/16,设计方法及步骤：,列管式换热器（管壳式换热器）,63,5.核算K,分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。,6.计算A,根据计算的K和tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%25%的裕量。,64,选用换热器中的有关问题：,(1)流体流经管程或壳程的选择,管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体。,壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体。,原则：传热效果好，结构简单，清洗方便,(2)
14、流体u,uK，在同Q、tm下A，节省设备费；,uHf，操作费用增加；,u选择是经济上权衡的问题，但要避免层流流动。,65,(3)换热器中管子的规格和排列方式,管子的规格：192mm和252.5mm,管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m,排列方式：,正三角形,正方形直列,正方形错列,66,流体垂直流过管束外流动,67,4.6.4 传热过程的强化途径,一、增大tm,提高加热剂T1的温度或降低冷却剂t1的温度,两侧变温情况下，尽量采用逆流流动,为了增强传热效率，可采取tm、A/V、K。,二、增大A/V,直接接触传热，可增大A 和湍动程度，使Q,68,采用高效新型换热器改进传热面结构入手来增大
15、A 和湍动程度，使Q,(a)光直翅片(b)锯齿翅片(c)多孔翅片,69,三、增大K,尽可能利用有相变的热载体（大）用大的热载体，如液体金属Na等减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻提高较小一侧有效,提高的方法(无相变)：增大流速 管内加扰流元件 改变传热面形状和增加粗糙度,70,4.6.5 新型的换热器,一、平板式换热器,71,72,优点：传热效率高，K大结构紧凑，操作灵活，安装检修方便,缺点：耐温、耐压差易渗漏，处理量小,73,二、螺旋板式换热器,74,优点：传热效率高不易堵塞结构紧凑，成本较低,缺点：压力、温度不能太高难以维修,75,三、翅片管换热器,特点：增加A，增强管外流体的湍流来提高。,重要的应用场合：空气冷却器,管外加翅片，大大改善了空气侧的传热效果,翅 片 管 换 热 器,
