一、一、 间壁两壁两侧流体的流体的传热 间壁式壁式换热器及其器及其传热过程程第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算套管式换热器套管式换热器 冷溶液进冷溶液进 冷溶液出冷溶液出 热溶液进热溶液进热溶液出热溶液出传热过程分析：程分析： 热流体与壁面的流体与壁面的对流流传热； 管壁的管壁的导热； 管壁与冷流体管壁与冷流体侧的的对流流传热。第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算二、二、 换热器的器的热负荷及荷及热量衡算方程式量衡算方程式 热负荷荷定定义：单位位时间冷、冷、热流体流体间交交换的的热量量计算：算：比比热法、法、热焓法法第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算 很很显然，在不然，在不计换热器的器的热损失失时，换热器的器的热负荷荷等于等于单位位时间内内热流体放出的流体放出的热量或冷流体吸收的量或冷流体吸收的热量。量。热流体放出流体放出热量：量：冷流体吸收冷流体吸收热量：量：n假假设只只发生生单纯的温度的温度变化，那么：化，那么：n假假设只只发生生单纯的相的相变化，那么：化，那么：冷流体吸收冷流体吸收热量：量：热流体放出流体放出热量：量：n当流体既有相当流体既有相变化又有温度化又有温度变化化时，那么：，那么： 热流体放出流体放出热量：量：冷流体吸收冷流体吸收热量：量：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算比比热法法:热流体放出流体放出热量：量：冷流体吸收冷流体吸收热量：量：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算热焓法法:假假设忽略忽略热损失失Qf=0Qf=0 ，那么，那么有：有：假假设热损失不能忽略失不能忽略(Qf0) (Qf0) ，那么根据，那么根据热负荷的定荷的定义确定：确定：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算 热量衡算方程式量衡算方程式以套管以套管换热器器为例：例：热流体放出流体放出热量：量：冷流体吸收冷流体吸收热量：量：能量守恒：能量守恒：Q1Q2+QfQf=0Q1Q2第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算 例：例： 在一套管在一套管换热器中，用冷却水将器中，用冷却水将1.25kg/s1.25kg/s的苯的苯由由350K350K冷却至冷却至300K300K，冷却水在，冷却水在252.5252.5的内管中流的内管中流动，其，其进出口温度分出口温度分别为290K290K和和320K320K，忽略，忽略热损失，失，试求冷却水的耗求冷却水的耗费量及冷却水量及冷却水侧的的对流流传热系数？系数？第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算热负荷是指需求换热器所完成的传热义务，反映了消费上热负荷是指需求换热器所完成的传热义务，反映了消费上的要求。换热器能否完成工艺上要求的传热义务，取决于的要求。换热器能否完成工艺上要求的传热义务，取决于换热器的传热速率，换热器的传热速率系指单位时间内经换热器的传热速率，换热器的传热速率系指单位时间内经过换热器传热面所传送的热量，反映了在一定操作条件下过换热器传热面所传送的热量，反映了在一定操作条件下换热器的传热才干；而故一个设计合理、能满足消费上要换热器的传热才干；而故一个设计合理、能满足消费上要求的换热器，其传热速率等于或略大于热负荷。求的换热器，其传热速率等于或略大于热负荷。第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算三、三、传热速率方程式速率方程式第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算 热流体与壁面的流体与壁面的对流流传热； 管壁的管壁的导热； 管壁与冷流体管壁与冷流体侧的的对流流传热。在逆流套管在逆流套管换热器中取微元管器中取微元管段段dldl进展分析：展分析：热流体流体对管内壁的管内壁的对流流传热速率：速率：管内壁至管外壁的管内壁至管外壁的导热速率：速率：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算热流体冷流体thtcth,wtc,w流体经过间壁的热交换热流体冷流体TtTwtw流体经过间壁的热交换管外壁到冷流体的给热速率：管外壁到冷流体的给热速率：对于于稳定定传热过程：程：可得：可得：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算利用加比定律：利用加比定律：假假设11、22、均不随管均不随管长l l而而变，且温差可以用，且温差可以用一平均一平均值T-tT-tm m表示，那么可表示，那么可积分得：分得：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算令：令：以以tm tm 表示表示(T-t)m (T-t)m ，那么有：，那么有：传热速率方程式速率方程式第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算Q = KAtmQ = KiAitm= KmAmtm =KoAotm圆筒壁：筒壁：AiAmAo平壁：平壁：Ai=Am=Ao第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算传热速率方程式与牛顿冷却定律的比较传热速率方程式与牛顿冷却定律的比较传热传热速率方程式速率方程式牛牛顿顿冷却定律冷却定律形式形式表达的意表达的意义义单单位位时间时间内冷内冷热热、流体、流体传递传递的的热热量量单单位位时间时间内流体与壁内流体与壁面面传递传递的的热热量量 t冷冷热热、流体平均温度差、流体平均温度差流体与壁面流体与壁面间间的温差的温差 传热传热系数系数总传热总传热系数，与壁面两系数，与壁面两侧侧流流体的体的对对流流传热传热系数及壁面的系数及壁面的导热导热系数有关系数有关与壁面两与壁面两侧侧流体的流体的对对流流传热传热系数有关，与系数有关，与壁面另一壁面另一侧侧流体的流体的对对流流传热传热系数及壁面的系数及壁面的导热导热系数无关系数无关第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算四、四、 总传热系数系数K K总传热系数总传热系数 K K 综合反映传热设备性能，流动情况和流体物综合反映传热设备性能，流动情况和流体物性对传热过程的影响。性对传热过程的影响。物理意物理意义：表征间壁两侧流体传热过程的强弱程度。表征间壁两侧流体传热过程的强弱程度。K = f流体物性、操作条件、换热器本身特性等流体物性、操作条件、换热器本身特性等第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算 传热系数系数K K 确确实定方法定方法选用用阅历数据数据留留意意应应选选用用工工艺艺条条件件接接近近、传传热热设设备备类类似似的的较较为为成成熟熟的的阅阅历历K K值值作作为设计根据。为设计根据。流体种类总传热系数K W/(m2K)水气体1260水水8001800水煤油350左右水有机溶剂280850气体气体1235饱和水蒸气水14004700饱和水蒸气气体30300饱和水蒸气油60350饱和水蒸气沸腾油290870第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算经经过过实实验验测测定定现现有有换换热热器器的的流流体体流流量量和和温温度度，再再由由传传热热根根本本方程计算方程计算 K K 值：值： 实实验验测测定定的的 K 值值较较为为可可靠靠。实实测测 K 值值的的方方法法不不仅仅是是为为了了在在缺缺乏乏工工业业实实验验数数据据时时提提供供设设计计根根据据，而而且且还还可可以以借借助助实实测测的的 K 值判别换热器的任务情况，从而寻求强化传热的措施。值判别换热器的任务情况，从而寻求强化传热的措施。 实验测定：定：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算计算得到：算得到：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算令：令：A=Ao，K=Ko：令：令：A=Ai，K=Ki：对圆形管道：对圆形管道：由公式：由公式：阐明：明： 总传热系数系数K并不是并不是i，o，(/)的平均的平均值，Kmin(i，o， /)； 控制控制热阻：阻： 总热阻阻=1/KA，串，串联传热，推，推进力与阻力具有加合性；力与阻力具有加合性；假假设o i，1/o可忽略，此可忽略，此时有：有： 结论： 称称1/o 或或1/i 称称为控制控制热阻，即阻，即小一小一侧的的热阻阻对传热起决起决议性作用，性作用，如水蒸汽和空气如水蒸汽和空气换热； 当存在控制性当存在控制性热阻阻时，K 值总是接近是接近小的小的值；当存在控制性当存在控制性热阻，壁温阻，壁温(Tw、tw)总是接近于是接近于大的流体主体温度大的流体主体温度 欲有效提高欲有效提高 K 值，应采取措施提高控制性采取措施提高控制性热阻阻侧的的。第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算( (二二) ) 思索思索污垢垢热阻的阻的总传热系数系数 换换热热器器在在运运转转一一段段时时间间后后，流流体体介介质质中中的的可可堆堆积积物物会会在在换换热热外外表表上上生生成成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而构成垢层。垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而构成垢层。 垢层产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。垢层产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。 因因垢垢层层导导热热系系数数很很小小，即即使使厚厚度度不不大大，垢垢层层热热阻阻也也很很大大，往往往往会会成成为为主主要热阻，必需给予足够注重。要热阻，必需给予足够注重。 如管壁内、外侧的污垢热阻分别是如管壁内、外侧的污垢热阻分别是Rsi和和Rso，那么总热阻为：，那么总热阻为： 第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算污垢热阻的大致数值污垢热阻的大致数值 流体种类污 垢 热 阻m2/W流体种类污垢热阻m2/W水(u1m/s,t50)蒸气海水0.0001有机蒸汽0.0002河水0.0006水蒸气(不含油)0.0001井水0.00058水蒸气废气(含油)0.0002蒸馏水0.0001制冷剂蒸汽(含油)0.0004锅炉给水0.00026气体未处理的凉水塔用水0.00058空气0.0003经处理的凉水塔用水0.00026压缩气体0.0004多泥沙的水0.0006天然气0.002盐水0.0004焦炉气0.002第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算【例题】空气冷却器，冷却管空气冷却器，冷却管为252.5mm的的钢管，管，钢的的导热系数系数=45W/(mK)。空。空气在管内流气在管内流动。知管外冷却水的。知管外冷却水的对流流传热系数系数为2800 W/(m2K)，管内空气，管内空气对流流传热系数系数为50 W/(m2K)。试求：求：总传热系数系数K ； 假假设管外管外对流流传热系数增大一倍，其他条件不系数增大一倍，其他条件不变，那么，那么总传热系数增系数增大百分之几？大百分之几？ 假假设管内管内传热系数增大一倍，那么系数增大一倍，那么结果如何？果如何？知冷却水知冷却水侧污垢垢热阻可取阻可取为0.60 10-3 (m2K)/W， 空气空气侧的的污垢垢热阻可取阻可取为0.50 10-3 (m2K)/W。第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算解：解：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算【例题】第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算【例题】第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算( (三三) ) 壁温的壁温的计算算第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算 对一一间壁式壁式换热器，假器，假设热流体走外流体走外侧：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算 为了防止繁琐的试差，假设管壁及污垢热阻可忽略的情况下，为了防止繁琐的试差，假设管壁及污垢热阻可忽略的情况下，只需求用下面方法计算壁温，可求得其估计值。只需求用下面方法计算壁温，可求得其估计值。令令第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算假假设热流体走管外：流体走管外：由牛由牛顿冷却定律冷却定律由由传热速率方程式速率方程式 第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算即即同理可得同理可得5-1045-1045-1035-103第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算假设热流体走管内：假设热流体走管内：5-1015-1015-1025-102热流体走管外流体走管外时：或：或：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算讨论：对于用水蒸汽加热空气的套管式换热器，壳程为水讨论：对于用水蒸汽加热空气的套管式换热器，壳程为水蒸汽冷凝对流传热系数较大，管程空气被加热对流蒸汽冷凝对流传热系数较大，管程空气被加热对流传热系数较小传热系数较小 ，壁温接近于哪一侧流体的温度？，壁温接近于哪一侧流体的温度？壁温接近于壁温接近于对流流传热系数大的一系数大的一侧的流体的主体温度的流体的主体温度五、 平均温度差tm的计算1. 1.恒温恒温传热时平均温度差平均温度差tmtm的的计算算恒温传热恒温传热如：一方如：一方为蒸汽冷凝蒸汽冷凝T T，一方，一方为液体沸液体沸腾t ttm=T-ttm=T-t第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算2.2.变温温传热时平均温度差平均温度差tmtm的的计算算1 1逆流与并流逆流与并流时的平均温差的平均温差第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算并流操作的平均温差并流操作的平均温差 取取换热器中一微元段器中一微元段为研研讨对象，其象，其传热面面积为dAdA，在，在dAdA内内热流体因放出流体因放出热量温度下降量温度下降dTdT，冷流体因吸收，冷流体因吸收热量温度升高量温度升高dtdt，传热量量为dQdQ。 由由传热速率方程：速率方程：忽略忽略热损失，由失，由热衡算方程可得：衡算方程可得：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算上面两式相减得：上面两式相减得：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算代入传热速率方程：代入传热速率方程：分分别变量得：量得：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算 假定假定m1cp,1m1cp,1、m2cp,2m2cp,2及及K K均均为常数，令常数，令t1=T1-t1t1=T1-t1，t2=T2-t2t2=T2-t2，对上式上式进展展积分：分：可得：可得：由由总热量衡算方程：量衡算方程：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算将二式代入，可得：将二式代入，可得：整理得：整理得：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算与与总传热速率方程速率方程Q=KAtm对比可得：比可得：其中：其中：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算逆流逆流时的平均温差的平均温差同理，可推同理，可推导出逆流操作出逆流操作时的的平均温度差平均温度差为：第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算其中：其中：逆流与并流平均温差的比逆流与并流平均温差的比较：1. T11. T1、T2T2、t1t1、t2 t2 一一样时，逆流平均温差大于并流平均温，逆流平均温差大于并流平均温差。当差。当传热量一定量一定时，逆流操作所需的，逆流操作所需的传热面面积小于并流操小于并流操作。作。 2.2.并流并流时，热端温差与冷端温差相差端温差与冷端温差相差悬殊，而逆流殊，而逆流时热负荷分荷分布相布相对均匀。均匀。3.3.逆流逆流时热流体的出口温度可低于冷流的出口温度高于冷流体的出口温度可低于冷流的出口温度高于冷流的入口温度，并流流的入口温度，并流时热流体的出口温度必大于冷流体的流体的出口温度必大于冷流体的出口温度。当加出口温度。当加热义务一定一定时，采用逆流，采用逆流传热可最大限制地可最大限制地利用利用热能，能，节约载热体的用量。体的用量。第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算对于于单侧变温温传热，那么按两种流，那么按两种流动方式方式计算的平均温算的平均温差一差一样，可不思索流，可不思索流动方式的影响。方式的影响。在在换热器器中中，假假设参参与与换热的的两两流流体体都都变温温，那那么么普普通通都都采用逆流操作，采用逆流操作，工程工程计算：假算：假设t1/t2t1/t22 2，可取，可取tm= (t1+t2)/2tm= (t1+t2)/2第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算3. 错流和折流时的温差对于于错流流或或折折流流平平均均温温差差，通通常常是是先先按按逆逆流流求求算算，然然后后再再根根据据流流动型型式加以修正，即式加以修正，即 温差修正系数温差修正系数 与冷、与冷、热两流体温度两流体温度变化有关，表示化有关，表示为P P 和和R R 两参数的函数：两参数的函数： 第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算温差修正曲温差修正曲线： 第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算例题例题