流体输送与传热技术 教学课件 ppt 作者 王壮坤 主编 电子教材 模块三[三]项目4电子教材.doc

项目4 换热面积的确定一、教学目标能力目标1.掌握换热面积的确定方法2.能选择换热器内流体的流动方向3.能够进行传热计算知识目标1. 了解傅里叶定律及牛顿冷却定律2. 理解对流传热的概念、机理、特点3. 掌握导热系数的概念、影响因素及求取方法4. 掌握平壁与圆筒壁的导热计算5.理解传热推动力及热阻的概念6.理解流传热系数的影响因素、各准数的意义及经验关联式，有相变对流传热的特点7.了解间壁式换热器内的传热过程8.掌握传热基本方程及传热温度差及传热系数的计算9.掌握换热器内流体的流动方向、特点及对传热温度差的影响二、工作任务工作任务实施方法及教学环境相关知识换热面积的确定项目教学间壁式换热器内的传热过程传热基本方程流体的流动方向选择及传热温度差计算项目教学换热器内流体的流动方向及选择传热温度差计算传热系数的确定项目教学傅里叶定律及平壁、圆筒壁的导热导热系数的概念、影响因素及求取对流传热机理及牛顿冷却定律对流传热膜系数的影响因素及经验关联式传热系数的选取、测定及计算传热系数及对流传热膜系数测定实际操作传热基本方程对流传热膜系数经验关联式热负荷、传热温度差计算换热器操作及仪表、控制系统知识强化传热途径项目教学强化传热途径及措施图3-31 间壁两侧流体间的传热过程三、理论知识4.1 传热基本方程4.1.1间壁式换热器内的传热过程在间壁式换热器中，热流体和冷流体之间由固体间壁隔开，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。

如图3-31所示，在传热方向上热量传递过程包括三个步骤：（1）热流体以对流传热方式将热量传递到间壁的一侧；（2）热量自间壁一侧以热传导的方式传递至另一侧；（3）以对流传热方式从壁面向冷流体传递热量在学习了热传导和对流传热的基础上，研究和探讨间壁式换热器内热流体和冷流体之间如何进行热量交换，受哪些因素的影响，怎样提高传热速率，为换热器的选用和操作提供依据4.1.2传热基本方程间壁式换热器的传热速率与换热器的传热面积、传热推动力等有关理论及实践证明，传热速率与换热器的传热面积及传热平均推动力成正比，即Q∝AΔtm引入比例系数写成等式，即Q＝KAΔtm （3-7）或Q＝＝ （3-7a）q＝ （3-7b）式中 Q——传热速率，W；q——热通量，W/m2；K——传热系数，W/（m2·K）； A——传热面积，m2；Δtm——传热平均温度差，K；R=1/KA ——换热器的总热阻，K/W； =1/K——换热器单位传热面积的总热阻，m2·K/W。

总传热系数是描述传热过程强弱的物理量，传热系数越大，总热阻越小，则传热过程越强烈，传热效果越好在工程上总传热系数是评价换热器传热性能的重要参数影响传热系数K值的因素主要有换热器的类型、流体的种类和性质以及操作条件等式（3-7）、（3-7a）及（3-7b）称为传热基本方程，有关传热计算以及强化传热等都是以此公式为核心和基础4.1.3方程应用化工过程的传热问题可分为两类：一类是设计型问题，即根据生产要求，选定（或设计）换热器；另一类是操作型问题，即对于给定换热器，计算其传热量、流体的流量或温度等下面以设计型问题为例分析解决传热问题要涉及到的有关内容对于一定的传热任务，确定换热器所需传热面积是选择（或设计）换热器的核心传热面积由传热基本方程计算确定：A＝由上式可知，要计算传热面积，必须先求得传热速率Q、传热平均温度差Δtm以及传热系数K4.1.4 传热速率与热负荷的关系传热速率是换热器单位时间能够传递的热量，是换热器的生产能力；主要由换热器自身的性能决定热负荷是生产上为达到一定的换热目的，要求换热器在单位时间内必须完成的传热量，由换热器的生产任务决定为保证换热器能完成传热任务，应使换热器的传热速率大于至少等于其热负荷。

在换热器的选型（或设计）过程中，要确定传热面积必需已知传热速率，但当换热器还未选定（或设计）之前，传热速率无法确定，而热负荷则可由生产任务求得所以可按如下方式处理：先用热负荷代替传热速率，求得传热面积后，再考虑一定的安全裕量，确保换热器能够按要求完成传热任务4.2 换热器传热平均温度差计算在很多情况下，换热器内冷、热两流体由于热量交换，沿传热壁面流动时温度发生变化，因此在传热过程中各传热截面的传热温度差也不相同因此，需取平均值作为传热推动力，传热基本方程中的Δtm即为换热器的传热平均温度差传热平均温度差的大小及计算方法与两流体间的温度变化及相对流动方向情况有关4.2.1换热器内流体的流动方向在间壁式换热器中，两流体间可以有四种不同的流动方式若两流体的流动方向相同，称为并流；若两流体的流动方向相反，称为逆流；若两流体的流动方向垂直交叉，称为错流；若一流体沿一方向流动，另一流体反复折流，称为简单折流；若两流体均作折流，或既有折流，又有错流，称为复杂折流，如图3-32所示图3-32 折流和错流示意图套管换热器中可实现完全的并流或逆流；列管式换热器中，为了强化传热等原因，两流体并非作简单的并流和逆流，而是比较复杂的折流或错流。

错、折流可以增加流体的湍动性，有效地降低传热热阻，使换热器结构紧凑合理4.2.2恒温传热时的平均温度差当两流体在换热过程中均只发生相变时，热流体温度th和冷流体温度t c都始终保持不变，称为恒温传热此时，冷、热流体的温度均不随位置变化，各传热截面的传热温度差处处相等，流体的流动方向对传热温度差没有影响如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热过程因此，换热器的传热推动力可取任一传热截面上的温度差，即Δtm＝th－t c （3-8）4.2.3变温传热时的平均温度差当换热器中间壁一侧或两侧流体的温度沿换热器管长而变化，对此类传热则称为变温传热1．一侧恒温、一侧变温传热当两流体在换热过程中只有一个发生相变时，称为一侧恒温、一侧变温传热例如，用饱和蒸汽加热冷流体，蒸汽冷凝温度不变，而冷流体的温度不断上升，如图3-33（a）所示；用烟道气加热沸腾的液体，烟道气温度不断下降，而沸腾的液体温度始终保持在沸点不变，如图3-33（b）所示由图可知，此时各传热截面的传热温度差是变化的，需要计算平均传热温度差，但其值大小与流体的流动方向无关图3-33 一侧变温传热过程的温差变化2．两侧变温传热换热过程中冷、热流体的温度均沿着传热面发生变化，即两流体在传热过程中均不发生相变，称为两侧变温传热，其传热温度差显然也是变化的，也需要计算平均传热温度差，并且其值大小与两流体间的相对流动方向有关，即流动方向不同，传热平均温度差也不同，如图3-34所示。

图3-34 两侧变温传热过程的温差变化两侧变温时逆、并流比较：①传热温度差 沿换热器的传热面逆流操作时冷、热两种流体的传热温度差比较均匀；并流时传热温度差比较不均匀②换热器出口温度 并流操作时冷流体出口温度永远小于热流体出口温度，而逆流时有可能大于热流体出口温度3．变温传热平均温度差计算（1）一侧恒温、一侧变温传热及并、逆流时两侧变温传热的Δtm由热量衡算和传热基本方程联立即可导出并、逆流时的传热平均温度差计算式Δtm＝ （3-9）式中 Δtm——对数平均温度差，K； Δt1、Δt2——换热器两端冷热两流体的温差，K当一侧变温时，不论逆流或并流，平均温度差都相等；当两侧变温传热时，并流和逆流平均温度差不同在计算时注意，一般取换热器两端Δt中数值较大者为Δt1，较小者为Δt2 【例3-3】 在套管换热器内，热流体温度由180℃冷却140℃，冷流体温度由60℃上升到120℃试分别计算：（1）两流体作逆流和并流时的平均温度差；（2）若操作条件下，换热器的热负荷为585kW，其传热系数K为300W／(m2·K)，两流体作逆流和并流时的所需的换热器的传热面积。

解 （1）传热平均温度差逆流时 热流体温度 180℃→140℃冷流体温度 120℃←60℃两端温度差 60℃ 80℃所以 Δtm＝＝＝69.5℃并流时 热流体温度 180℃→140℃冷流体温度 60℃→120℃两端温度差 120℃ 20℃所以 Δtm＝＝＝55.8℃（2）所需传热面积逆流时 A＝＝m2并流时 A＝＝m2（2）错、折流时两侧变温的Δtm对于错流和折流时传热平均温度差的求取，由于其复杂性，不能像并、逆流那样，直接推导出其计算式计算方法通常先按逆流计算对数平均温度差Δtm＇，再乘以一个恒小于1的校正系数，即Δtm＝Δtm＇ （3-10）式中称为温度差校正系数，其大小与流体的温度变化有关，可表示为两参数P和R的函数，即＝f（P，R）P＝R＝ 可根据P和R两参数由图3-35查取图3-35中(a)、(b)、(c)、(d)为折流过程的算图，分别为1、2、3、4壳程，每个壳程内的管程可以是2、4、6、8程； (e)为错流过程的算图为了提高传热效率，通常换热器的必须大于0.8。

图3-35 温差校正系数图【例3-4】 在一单壳程、二管程的列管换热器中，用水冷却热油水走管程，进口温度为20℃，出口温度为40℃，热油走壳程，进口温度为100℃，出口温度为50℃试求传热平均温度差解 先按逆流计算，即热流体温度 100℃→50℃冷流体温度 40℃←20℃两端温度差 60℃ 30℃Δtm＇＝＝＝43.3℃P＝＝0.25 R＝=2.5查图得＝0.89所以 Δtm＝Δtm＇ ＝43.3×0.89＝38.5℃4.2.4变温传热时流体流动方向的选择1．两侧变温传热优先采用逆流两侧变温传热时流向对传热温度差有影响若热、冷流体的进出口温度相同，平均温度差以逆流操作最大，并流操作最小，即Δtm逆＞Δtm错，折＞Δtm并两侧变温传热时流向对载热体用量也有影响通过分析可知，逆流操作载热体用量能够更节省因此，在操作时两侧变温传热应尽可能采用逆流，以提高换热器的传热推动力2．其他流向的特点及适用场合传热操作过程中，其他流向也有各自的优点1）并流 ①当工艺要求被加热流体或被冷却流体的终温不高于某定值时，采用并流就比较容易控制；②由于并流时进口端的温差较大，对粘性冷流体较为适宜，因为冷流体进入换热器后温度可迅速提高，粘度降低，有利于提高传热效果；③对于高温换热器，为避免换热器一侧温度过高，减少热应力，可以采用并流。

2）错、折流虽然平均传热温度差比逆流低，但可以增加流体的湍动性，有效地降低传热热阻，而降低热阻往往比提高传热推动力更为有利，所以工程上多采用错流或折流4.3 热传导热传导在固体、液体、气体中均可发生但严格而言，只有固体中传热才是纯粹的热传导本节只讨论固体内的热传导问题。