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1、2023/9/6,第四节 两流体间传热过 程的计算一、总传热方程式二、热量衡算三、平均温度差的确定四、总传热系数的确定五、传热面积的确定六、污垢热阻七、流向的选择,第四章传 热,2023/9/6,什么是热交换,【特点】存在两种或两种以上的传热方式的传热过程。,2023/9/6,2023/9/6,热交换计算的内容,（1）设计型计算,根据生产任务的要求的热负荷（Q），确定换热器的传热面积（A）及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。,2023/9/6,固定管板式换热器型式与基本参数（JB/T 4715-92）,2023/9/6,（2）操作型计算,在已有换热器的基础上：核算传热量（Q）、流体的
2、流量（qm）、流体的进、出口温度（T、t）；判断一个换热器能否满足生产任务的要求；预测生产过程中某些参数（如 qm、T、t）的变化对换热器传热能力（Q）的影响。,2023/9/6,一、热交换的基本计算式,式中 Q传热速率，W；K总传热系数，W/m2.A传热面积，m2 tm 两流体的平均温度差，,1、总传热方程式,2023/9/6,【衡算前提】（1）换热器绝热良好；（2）热损失可忽略。【衡算系统】热交换器；【衡算基准】单位时间；【衡算式】热流体放出的热量等于冷流体得到的热量。即：,Q热Q冷,2、热量衡算式,2023/9/6,二、Q值的确定计算热负荷,【定义】达到工艺要求的控制参数所应交换的热量，
3、即：热流体放出的热量；冷流体得到的热量。【作用】由热负荷可以确定传热速率。,1、什么是热负荷,2023/9/6,（1）两个概念【显热】当物质与外界交换热量时，物质不发生相变化而只有温度变化，这种热量称为显热。【潜热】饱和蒸气的焓与同温度下的液体的焓的差值称为潜热（相变热）。（2）无相变化时热负荷的计算 当流体与外界交换热量过程中不发生相变化时，其热负荷用比热法和热焓法计算。,2、热负荷的计算,2023/9/6,若换热器中的两流体只存在显热的交换，且比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时，则：,式中 Q热负荷，J/s或W；qm1、qm2热、冷流体的质量流量，kg/s；Cp1、Cp2热、冷流体的
4、平均定压比热，kJ/(kg.)；T1、T2热流体的进、出口温度，；t1、t2冷流体的进、出口温度，。,比热法,2023/9/6,2023/9/6,热焓法,由热力学得知，在等压条件下，物系与外界交换的热量与物系的始态与终态的焓差相等，即：,H1、H2热流体进、出口的比焓，J/kg；h1、h2 冷流体进、出口的比焓，J/kg。qm1、qm2热、冷流体的质量流量，kg/s；,2023/9/6,2023/9/6,（3）只有相变化时热负荷的计算,2023/9/6,20（l）,100（g）,100（l）,2023/9/6,3、热负荷与传热速率的区别,【热负荷】对换热器换热能力的要求，是需要交换的热量，与换
5、热器的种类、型式无关，由工艺条件决定。【Q=qmCp(T1-T2)】【传热速率】换热器本身在一定条件下的换热能力，是换热器能够交换的热量，由换热器本身的特性所决定。【Q=KAtm】4、热负荷与传热速率的关系,2023/9/6,三、平均传热温差（tm）的计算,1、什么是平均传热温度差,【特点】不同部位推动力不同。【定义】表征热交换过程中的推动力大小的参数。,2023/9/6,（1）流体的流动型式 冷、热流体的相互流动方向有不同的流动型式，传热平均温差tm的计算方法因流动型式而异。（2）温度的变化情况 冷、热流体在沿传热面流动时的温度变化情况不同，传热平均温差tm的计算方法因而不同。,2、影响平均
6、传热温度差的因素,2023/9/6,3、恒温差传热,【特点】（1）两侧流体均发生相变，且温度不变；（2）冷热流体温差处处相等，不随换热器位置而变的情况。,恒温差传热平均温度差计算式,式中 T 高温流体的湍流主体温度；t 低温流体的湍流主体温度。,传热速率：,2023/9/6,湍流主体,T,t,2023/9/6,【例】电解槽引出的碱液浓度通常只有12，经蒸发后可获得30、42的浓碱。,2023/9/6,4、变温差传热,【特点】传热温度随换热器位置而变。分为：单侧变温；双侧变温。,2023/9/6,（1）单侧变温,【特点】在热交换过程中，一侧温度保持不变，另一侧温度发生变化。,2023/9/6,（
7、2）双侧变温,【特点】在热交换过程中，两侧温度均发生变化。,2023/9/6,变温差传热过程的温差变化特点,【特点】局部温度差t 沿传热面而变化。,tTt,A,T1,T2,t2,t1,在面积为dA两侧，可视为恒温差传热。,dQ=K（Tt）dA,1,2,2023/9/6,5、变温差传热过程传热温度差的计算依据,【特点】在计算传热速率时，采用先微分、后积分求出整个传热面上的传热速率，即：,根据假定，Kconst，且 Ttf(A),由积分中值定律：,中值,2023/9/6,（1）尽管在整个换热器中，传热推动力(Tt)是一个变化的值，但存在一个中值tm。用来表征换热器传热推动力(Tt)的大小（tm的物
8、理意义）；（2）tm 表示的是平均值，称为平均温度差；（3）变温差传热过程的平均温度差tm与换热器内冷热流体流动方向有关，不同的流动型式其平均温度差不同。,【两点说明】,2023/9/6,并流 参与换热的两种流体沿传热面平行而同向的流动。逆流 参与换热的两种流体沿传热面平行而反向的流体。折流 一流体只沿一个方向流动，另一流体反复来回折流；或者两流体都反复折回。（既存在并流，又存在逆流）错流 两种流体的流向垂直交叉。,6、热交换器内的流动型式,2023/9/6,并 流,【特点】平行而同向。,2023/9/6,逆 流,【特点】方向相反且平行。,2023/9/6,折流换热器,【特点】既存在并流，又存
9、在逆流。,2023/9/6,喷淋蛇管（错流）式换热器,【特点】两种流体的流向垂直交叉。,2023/9/6,对数平均温度差,7、并、逆流操作的平均温度差,在如下假定条件下（稳定传热过程）：稳定操作，qm1，qm2为定值；Cp1、Cp2及K沿传热面为定值，或取平均值；换热器保温良好，无热损失。由总传热方程式及热量衡算式可推得：,2023/9/6,【几点说明】,计算式只适用于并、逆流操作，但不适用于折流和错流操作过程；t1、t2设备同一端热、冷流体的温度差；,2023/9/6,当 t1/t22，则可用算术平均值代替（误差4%，在工程允许误差范围之内）。即：,习惯上将较大温差记为t1，较小温差记为t2
10、，避免在计算中带入负号；,2023/9/6,工程计算允许误差为5,2023/9/6,8、错流和折流的平均温度差,【基本方法】先按逆流计算对数平均温差tm逆；求平均温差校正系数；求取平均传热温差：,2023/9/6,【温差校正系数的获取方法之图算法】,【方法】根据R与P的数值，从各种算图中查得温差校正系数。,【基本原理】由Underwood和Bowan提出。,2023/9/6,2023/9/6,2023/9/6,双壳程双管程列管式换热器,隔板,隔板,2023/9/6,双壳程四管程列管式换热器,2023/9/6,隔板,2023/9/6,2023/9/6,2023/9/6,【温差校正系数的获取方法之
11、经验公式】,2023/9/6,当,2023/9/6,平均温差校正系数 1，这是由于在列管换热器内增设了折流挡板及采用多管程，使得换热的冷、热流体在换热器内呈折流或错流，导致实际平均传热温差恒低于纯逆流时的平均传热温差。,用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度，综合利弊，最好使 0.9，绝不能使 0.8，否则另外选其他流型。,【两点说明】,2023/9/6,【例】用300 的高温气体产物加热冷原料气，工艺要求原料气由15 加热至160，产物气换热后不低于190。试比较：（1）逆流操作和并流操作条件下的传热温度差；（2）若要并流与逆流操作的传热速率相等，求传热面积比。（假设传热系数相同）,
12、2023/9/6,【解】逆流操作时：300190 16015,则：t1=175 t2=140,由于,若用算术平均值，则：,误差：,可见误差很小。,2023/9/6,并流操作时：300 190 15 160,则 t1=285 t2=30,若仍用算数平均值：,此时的误差为：,可见误差极大,2023/9/6,若要求传热速率相等，即：Q并Q逆,由于 K并K逆,根据 Q=KAtm,则,即,【结果说明】并流操作时所需要的传热面积是逆流操作时的1.4倍，故采用逆流操作可以减少传热面积，节省设备量，有利于传热操作。,2023/9/6,【问题】怎样连接冷凝水，为什么？,冷凝水进口,冷凝水出口,2023/9/6,
13、四、总传热系数的确定,【作用】总传热系数K（简称传热系数）是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。,【确定方法】总传热系数K的确定方法有三种：（1）使用公式计算（用于操作型计算）；（2）通过实验测定（用于操作型计算）；（3）使用经验数据（用于设计型计算）。,2023/9/6,1、总传热系数的计算公式,（1）传热过程分析,【结论】总传热系数与传热分系数有关。,2023/9/6,（2）总传热系数的基本计算式,基本计算式推导的依据：傅立叶定律；牛顿冷却定律；总传热方程式。对于微元传热面积为dA的换热器：,总传热系数的基本计算式,2023/9/6,当传热面为平壁时，dA=dA1
14、=dA2=dAm，则：,（3）各种情况下总传热系数的计算式,对于薄层圆筒壁，若d2/d12，近似按平壁计算（误差4%，工程计算可接受）。,2023/9/6,当传热面为圆筒壁时，若d2/d12，如以外表面积为基准（即以圆筒壁的外表面作为换热器的面积，在换热器系列化标准中常如此规定），则：,式中 K2以换热管的外表面为基准的总传热系数；dm换热管的对数平均直径。,2023/9/6,当传热面为圆筒壁时，若d2/d12，如以内表面积为基准，则：,当传热面为圆筒壁时，若d2/d12，如以传热壁的平均表面积为基准，则：,2023/9/6,2、总传热系数的实验测定,【方法】对于已有的换热器，可以通过测定有关
15、数据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然后由传热基本方程式计算 K 值。【说明】（1）得到的总传热系数K值最为可靠；（2）使用范围受到限制，只能用于与所测情况相一致的场合（包括设备类型、尺寸、物料性质、流动状况等）才准确。,2023/9/6,总传热系数的测定实验装置,【说明】分别测定Q、A、tm,2023/9/6,3、使用经验数据,列管换热器的总传热系数K的经验值,2023/9/6,五、传热面积A的确定,【特点】在传热过程中其面积始终不改变。【确定方法】壁的任何一侧均可作为计算式中的传热面积。,1、平面壁,2023/9/6,【特点】沿着传热方向其表面积是变化的。【确定方法】（1）外表面积（A
16、2）；（2）内表面积（A1）；（3）平均面积（Am）。,2、圆筒壁,2023/9/6,六、污垢热阻,【影响】由于传热表面有污垢的积存，增加了传热热阻。换热器使用一段时间后，传热速率Q会下降。,【确定方法】通常根据经验直接估计污垢热阻值，将其考虑在K中，即：,式中 R1、R2传热面两侧的污垢热阻，m2K/W。,2023/9/6,2023/9/6,2023/9/6,【例】在列管式换热器中用蒸气加热溶液，列管为251.5的钢管。蒸汽冷凝的对流传热系数为15000 W/(m2)，溶液的对流传热系数取2000 W/(m2)。管壁的导热系数50 W/(m)。使用一段时间后，管内壁面沉积1mm的垢层，垢层的
17、1W/(m)。若蒸汽的冷凝温度和溶液的加热温度均不变，求此时的传热量为原传热量的分率。,2023/9/6,【解】设原传热量为 QKAtm 结垢后的传热量为 QKAtm,换热器的尺寸没有改变，故 AA 热、冷物料的进、出口温度不变，故 tmtm,由于,故使用平面壁的计算式计算总传热系数,2023/9/6,结垢前,已知 115000 W/(m2)22000 W/(m2)b0.0015m 50 W/(m),K1676 W/(m2),2023/9/6,结垢后,已知 b垢0.001m 垢1W/(m),K626.3 W/(m2),因此,【结论】为消除污垢热阻的影响，维持换热器的使用性能，应定期清洗换热器。
18、,2023/9/6,换热器的物理清洗,2023/9/6,换热器的化学清洗,2023/9/6,清洗前的换热器,2023/9/6,清洗后的换热器,2023/9/6,七、流向的选择,1、在流体进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，并流最小，其它流动型式的tm介于两者之间。逆流操作的优点如下：（1）在热负荷Q、K相同时，采用逆流可以较小的传热面积 A 完成相同的换热任务；（2）在热负荷Q、A相同时，可以节省加热和冷却介质的用量或多回收热。【结论】一般情况下，应采用逆流操作。,2023/9/6,2、在某些方面并流也优于逆流。,（1）工艺上要求加热某一热敏性物质时，要求加热温度不高于某值（并流t2m
19、axT2）；（2）易固化（结晶）物质冷却时，要求冷却温度不低于某值（并流T2mint2），如易于控制流体出口温度。,3、采用折流和其它复杂流型的目的是为了提高传热系数，从而提高K来减小传热面积。,2023/9/6,八、传热过程的强化措施,【结论】为了增强传热效率，可采取：（1）增大平均传热温度差tm；（2）增大传热面积A；（3）增大总传热系数K。,1、强化传热的途径,2023/9/6,2、增大传热平均温度差tm,（1）两侧变温情况下，尽量采用逆流流动；（2）提高加热剂T1的温度（如用蒸汽加热，可提高蒸汽的压力来达到提高其饱和温度的目的）；（3）降低冷却剂t1的温度（如使用冷冻盐水）。【说明】利
20、用tm来强化传热是有限的。,2023/9/6,3、增大总传热系数K,（1）尽可能利用有相变的热载体（大）；（2）用大的材料作为传热壁；（3）减小金属壁的厚度（b小）；（4）及时清除污垢（R小）；（5）提高 较小一侧的给热系数。,2023/9/6,3、增大单位体积的传热面积A,（1）采用翅片管代替光滑管；（2）采用高效新型换热器。（如列管式换热器的传热面积只有40160m2/m3，而板式换热器的传热面积可达2501500m2/m3）,在传统的间壁式换热器中，除夹套式外，其他都为管式换热器。管式的共同缺点是结构不紧凑，单位体积所提供的传热面小，金属消耗量大。可采用的方法为：,2023/9/6,2023/9/6,2023/9/6,板式换热器,
