第5章传热过程计算与换热器 安 交·51传热过程分析 大 化·52传热过程的基本方程 工·53传热过程的平均温差计算 愿·54传热效率和传热单元数 理 电·55换热器计算的设计型和操作型回题 子·56传热系数变化的传热过程计篁 逯·57换热 件 返回 前页 1 后页 王题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件 返回 前页 1 后页 主题 第5章 传热过程计算与换热器 • 5.1 传热过程分析 • 5.2 传热过程的基本方程 • 5.3 传热过程的平均温差计算 • 5.4 传热效率和传热单元数 • 5.5 换热器计算的设计型和操作型问题 • 5.6 传热系数变化的传热过程计算 • 5.7 换热器
5.1传热过程分析 安 交·如图5-1所示,热流体通过间壁与冷流体进行 太热量交换的传热过程分为三步进行: 化 (1)热流体以对流传热方式将热 量传给固体壁面; 原理 (2)热量以热传导方式由间壁的 热侧面传到冷侧面; 热流体 冷流体 (3)冷流体以对渍传热方式将间 子壁传来的热量帶走。 逯图51中还示出了沿热量传递方向从对流热他号对 件热流体到冷流体的温度分布情况。图51流体通过间壁的热量交换 返回 前页 2 后页 王题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件 返回 前页 2 后页 主题 5.1 传热过程分析 • 如图5-1所示，热流体通过间壁与冷流体进行 热量交换的传热过程分为三步进行： Q Q 热流体 冷流体 th tc twh twc 对流 热传导 对流 图5-1 流体通过间壁的热量交换 （1）热流体以对流传热方式将热 量传给固体壁面； （2）热量以热传导方式由间壁的 热侧面传到冷侧面； （3）冷流体以对流传热方式将间 壁传来的热量带走。 图5-1中还示出了沿热量传递方向从 热流体到冷流体的温度分布情况
5.2传热过程的基本方程 西安交大化工 2.1热量衡算方程 原·5,22传热速率方程 理电子课 52.3总传热系数和壁温的计算 件 返回 前页 3 后页 王题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件 返回 前页 3 后页 主题 5.2 传热过程的基本方程 • 5.2.1 热量衡算方程 • 5.2.2 传热速率方程 • 5.2.3 总传热系数和壁温的计算
5.2.1热量衡算方程 安 交·热量衡算方程反映了冷、热流体在传热过程中温度变化 大的相互关系根据能量守恒原理,在传热过程中,若忽 吸收的热量。 t2,m 图5-2为一稳态逆流操作的 tftt→ 原套管式换热器,热流体走管 t dai ta 狸内,冷流体走环隙。 对于整个换热器,其热量 热流体 的衡算式为 f =m, (Hm-Hn2)=m(ho2-Hou 冷体 图5-2套管换热器中的传热过程 件 式中Q为整个换热器的传热速率,或称为换热器的热负荷,W;H表示单 位质量流体焓值,kJ/kg;下标1和2分别表示流体的进口和出口 返回 前页 4 后页 王题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件 返回 前页 4 后页 主题 5.2.1 热量衡算方程 • 热量衡算方程反映了冷、热流体在传热过程中温度变化 的相互关系。根据能量守恒原理，在传热过程中，若忽 略热损失，单位时间内热流体放出的热量等于冷流体所 吸收的热量。 对于整个换热器，其热量 的衡算式为 图5-2为一稳态逆流操作的 套管式换热器，热流体走管 内，冷流体走环隙。 ( ) ( ) Q = mh Hh1 − Hh2 = mc Hc2 − Hc1 式中 Q为整个换热器的传热速率，或称为换热器的热负荷，W；H表示单 位质量流体焓值，kJ/kg；下标1和2分别表示流体的进口和出口。 图5-2 套管换热器中的传热过程
5.2.1热量衡算方程 安 交·对于换热器的一个微元段,传热面积为dA,冷热流体 大之间的热量传递满足 化 d@= mydHn=medHo 式中m为冷热流体质量流率,kg/s;dH表示单位质量流体焓值增 原量,kJ/kg;dQ为擞元传热面积dA上的传热速率,W。下标h和c分 狸别表示热流体和冷流体。 电如果在换热器中存在热损失,则在换热器中的传热速率为 子 2=m, (Hn=Hn2)-Ch=m(hc2=Hci+e 式中Q为热流体对环境的散热量,W;Qc为冷流体对环境的散 件 热量,W 返回 前页 后页 王题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件 返回 前页 5 后页 主题 5.2.1 热量衡算方程 • 对于换热器的一个微元段，传热面积为dA，冷热流体 之间的热量传递满足 dQ = mh dHh = mc dHc 式中 m为冷热流体质量流率，kg/s；dH表示单位质量流体焓值增 量，kJ/kg；dQ为微元传热面积dA上的传热速率，W。下标h和c分 别表示热流体和冷流体。 如果在换热器中存在热损失，则在换热器中的传热速率为 Q mh Hh Hh Qh mc Hc Hc Qc = ( − ) − = ( − ) + 1 2 2 1 式中Q‘h为热流体对环境的散热量，W；Q’C为冷流体对环境的散 热量，W
522传热速率方程 安 交·如前图5-2所示,在换热器中,任取一徼元段dl, 大对应于间壁的微元传热面积dA,热流体对冷 化流体传递热量的传热速率可表示为 原 dQ=K(n-)4=元4(5-1) 理 Kda 微分传热速率方程 子 式中K表示局部传热余数,W∥(m2"℃);th,、t分 别为热流体和冷流体的局部平均温度,C。 件 返回 前页 后页 王题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件 返回 前页 6 后页 主题 5.2.2 传热速率方程 • 如前图5-2所示，在换热器中，任取一微元段dl， 对应于间壁的微元传热面积dAo，热流体对冷 流体传递热量的传热速率可表示为 o h c h c o K dA t t dQ K t t dA − = − = 1 ( ) ——微分传热速率方程 式中K'表示局部传热系数，W/（m2·℃）；t h、t c分 别为热流体和冷流体的局部平均温度，℃。 (5-1)
522传热速率方程⑧ 安 交·对于整个换热器,传热速率方程可写为 大 化 0=KAmA (5-1a 式中K表示总平均传热糸数,简称总传热糸数或传 原 热糸数,W(m2:℃);A为换热器的总传热面积; Δt表示冷热流体的平均传热温差,℃ 理 电·由传热热阻的概念,传热速率方程还可以写为 子课 Q= R 件 KA 式中R=1/KA为换热器的总传热热阻,℃/W。 返回 前页 后页 王题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件 返回 前页 7 后页 主题 5.2.2 传热速率方程 • 由传热热阻的概念，传热速率方程还可以写为 KA t R t Q m m 1 = = 式中R=1/KA为换热器的总传热热阻，℃/W。 Q = Kt m A 式中K表示总平均传热系数，简称总传热系数或传 热系数，W/（m 2·℃）；A为换热器的总传热面积； tm表示冷热流体的平均传热温差，℃。 • 对于整个换热器，传热速率方程可写为 (5-1a)
亟5,2.3总传热系数与壁温计算 安 交·1.总传热系数的计算 化如图52所示,设两流体通过间壁进行 换热。在换热器中任取一微元段d,间 d + t 壁内、外侧的传热面积分别为dA和dA。w 原面的导热系数为x月为::外m 理系数分别为a和a。间壁内侧、外侧的 冷流体 电温度分别为t和tm 图5-2套管换热器中的传热 过程 予据牛顿冷却定律和傅立叶定律 内 外 件 do th -twh 间dQm=b do 侧 壁 侧 dAi , dA 返回 (5-2a) 前页 2b) 后页 (5-2c) 王题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件 返回 前页 8 后页 主题 5.2.3 总传热系数与壁温计算 • 1.总传热系数的计算 图5-2 套管换热器中的传热 过程 如图5-2所示，设两流体通过间壁进行 换热。在换热器中任取一微元段dl，间 壁内、外侧的传热面积分别为dAi和dAo。 壁面的导热系数为l，壁厚为b。内、外 侧流体的温度分别为th和tc，对流传热 系数分别为ai和ao。间壁内侧、外侧的 温度分别为twh和twc。 据牛顿冷却定律和傅立叶定律 内 侧 间 壁 外 侧 i i h wh i dA t t dQ 1 − = (5-2a) m wh wc m dA b t t dQ − = (5-2b) o o wc c o dA t t dQ 1 − = (5-2c)
亟5,2.3总传热系数与壁温计算 安 大·在稳态条件下d9=dm=db=d(53) 化利用式(52)和(5-3),可得 原 do= th -twh twh-turc twc -tc th-t b R (5-4) 理 a, dA AdAm aodao a; dA 2dAn aodA 电式中Q为换热器总传热面积上的传热速率,W;为传热的总推动力,℃ 子对比式(5-1)和式(54),若以间壁外侧面为传热面积计算基准, 课则其局部传热系数为 件 a.或 +(5-5) dA. a, dA nd 返回 前页 9 后页 王题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件 返回 前页 9 后页 主题 5.2.3 总传热系数与壁温计算 • 在稳态条件下 dQi = dQm = dQo = dQ （5-3） 利用式（5-2）和（5-3），可得 式中Q为换热器总传热面积上的传热速率，W；为传热的总推动力，℃。 对比式（5-1）和式（5-4），若以间壁外侧面为传热面积计算基准， 则其局部传热系数为 R t t d A d A b d A t t d A t t d A b t t d A t t d Q h c i i m o o h c o o wc c m wh wc i i h wh − = + + − = − = − = − = 1 1 1 1 （5-4） o o i i dAm o dAo b K dA dA 1 1 1 = + + m o o i o o i dA b dA dA dA K 1 1 1 = + + 或 （5-5）
亟5,2.3总传热系数与壁温计算 安 交·将α看作常数,因而求得的局部传热系数K亦为常数,不 大随管长变化,而作为全管长上的总传热系数K,故式 (5-5)可改写为 化工愿 K A2元 理选取不同的传热面积作为传热过程计算基准时,其总传热条数的数值不 电同。因此,在指出总传热糸数的同,还必须注明传热面的计算基准。 子如对应于A的总传热系数K b 件 K X个 返回 前页 10 后页 王题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件 返回 前页 10 后页 主题 5.2.3 总传热系数与壁温计算 • 将看作常数，因而求得的局部传热系数K‘亦为常数，不 随管长变化，而作为全管长上的总传热系数K ，故式 （5-5）可改写为 1 1 1 o o o i i m o A A b K A A = + + 选取不同的传热面积作为传热过程计算基准时，其总传热系数的数值不 同。因此，在指出总传热系数的同时，还必须注明传热面的计算基准。 如对应于Ai的总传热系数Ki o i m o i i i A A A b A K = + + 1 1 1