化工原理 第五章 传热过程计算和换热器
化工原理_17换热器的传热计算
22
二、传热单元数法
（2）传热单元数 NTU 由换热器热平衡方程及总传热速率微分方程
dQ qm,hcphdT qm,ccpcdt K (T t)dS
对于冷流体 dt KdS
T t qm,ccpc
23
二、传热单元数法
积分上式得
t2 dt S KdS
(NTU )c t1 T t 0 qm,ccpc
11
一、平均温度差法
逆流：
采用逆流操作，若换热介质流量一定，则可 以节省传热面积，减少设备费；若传热面积一定， 则可减少换热介质的流量，降低操作费，因而工 业上多采用逆流操作。
并流：
若对流体的温度有所限制，如冷流体被加热 时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低 于某一温度，则宜采用并流操作。
12
Qmax (qmcp )min (T1 t1)
较小者具 有较大温
差
换热器中可 能达到的最
大温差
式中 qmCp 称为流体的热容量流率，下标 min表 示两流体中热容量流率较小者，并称此流体为最
小值流体。
20
二、传热单元数法
若热流体为最小值流体，则传热效率为
qm,hcph (T1 T2 ) T1 T2
通常在换热器的设计中规定，t 值不应小
于0.8，否则值太小，经济上不合理。若低于此
值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串
联使用，使传热过程接近于逆流。
18
二、传热单元数法
1. 传热效率ε 换热器的传热效率ε定义为
实际的传热量QT
最大可能的传热量Qmax
19
二、传热单元数法
定义最大可能传热量
基于冷流体的传热单元数
化工原理课程设计模板-换热器
化工原理课程设计模板-换热器1. 引言换热器是化工过程中常用的设备之一，其主要功能是在流体之间进行热量传递，以实现温度控制、能量回收等目的。
本文将介绍化工原理课程设计中换热器的设计过程和要点。
2. 设计目标在进行换热器设计之前，首先要确定设计的目标。
设计目标包括但不限于以下几点：•确定需要传热的流体的进口温度和出口温度；•确定传热后流体的温度变化范围；•确定换热器的热传导面积；•确定换热器的传热系数。
3. 设计步骤换热器的设计过程可以分为以下几个步骤：3.1 确定流体的性质参数在设计换热器之前，需要明确流体的性质参数，包括流体的密度、比热容以及传热系数等。
这些参数可以通过实验测定或者查阅相关文献获得。
3.2 计算流体的传热量根据热传导定律，可以计算流体的传热量。
传热量的计算公式如下：Q = m * c * ΔT其中，Q表示传热量，m表示流体的质量，c表示流体的比热容，ΔT表示流体的温度变化。
3.3 确定换热器的传热面积根据热传导定律，可以计算换热器的传热面积。
传热面积的计算公式如下：A = Q / (U * ΔTlm)其中，A表示传热面积，U表示换热器的传热系数，ΔTlm表示对数平均温差。
3.4 选择换热器的类型和结构根据设计要求和实际情况，选择合适的换热器类型和结构。
常见的换热器类型包括管壳式换热器、板式换热器等。
3.5 进行换热器的细节设计在确定了换热器的类型和结构之后，进行换热器的细节设计，包括管道的布置、流体的流动方式以及换热器的材料选择等。
3.6 进行换热器的性能评价完成换热器的设计之后，进行性能评价，验证设计结果是否满足设计目标。
性能评价主要包括换热器的传热效率、压降以及经济性等方面。
4. 实例分析下面通过一个实例来说明换热器的设计过程。
实例：管壳式换热器假设需要设计一个管壳式换热器，用于将流体A的温度从40℃降至20℃，同时将流体B的温度从70℃升至90℃。
根据设计要求，我们可以计算出流体A和流体B的传热量，然后根据对数平均温差计算出传热面积，从而确定换热器的尺寸。
化工原理第五章传热过程计算与换热器
5.4 传热效率和传热单元数
• 当传热系数K和比热cpc为常数时，积分上式可得
• 式中NTUc（Number of Transfer Unit）称为对冷流体而言的传热单 元数，Dtm为换热器的对数平均温差。
• 同理，以热流体为基准的传热单元数可表 示
• 在换热器中，传热单元数定义 为
5.4 传热效率和传热单元数
• 2．由选定的换热器型式计算传热系数K；
• 3．由规定的冷、热流体进出口温度计算参数e、CR； • 4．由计算的e、CR值确定NTU。由选定的流动排布型
式查取e—NTU算图。可能需由e—NTU关系反复计算 NTU；
• 5．计算所需的传热面积
。
5.5 换热器计算的设计型和操作型问题
• 例5-2 一列管式换热器中，苯在换热器的管内 流动，流量为1.25 kg/s，由80℃冷却至30℃； 冷却水在管间与苯呈逆流流动，冷却水进口温 度为20℃，出口温度不超过50℃。若已知换热 器的传热系数为470 W/（m2·℃），苯的平均 比热为1900 J/（kg·℃）。若忽略换热器的散 热损失，试分别采用对数平均温差法和传热效 率—传热单元数法计算所需要的传热面积。
• 如图5-4所示，按照冷、热流 体之间的相对流动方向，流体之 间作垂直交叉的流动，称为错流 ；如一流体只沿一个方向流动， 而另一流体反复地折流，使两侧 流体间并流和逆流交替出现，这
种情况称为简单折流。
•图 P2
•55
5.3 传热过程的平均温差计算
•通常采用图算法，分三步： •① 先按逆流计算对数平均温差Dtm逆； •② 求出平均温差校正系数φ；
•查图 φ
•③ 计算平均传热温差： • 平均温差校正系数 φ <1，这是由于在列管式换热器内增设了
化工原理5.1-5.2化工生产中的传热过程及传导传热
r1
d1
Q
2Lt
b
r2 r1 ln r2
2Lt
b
rm
r1
多层圆筒壁的传导传热：
Q
2Lt
1 ln d n1
n
dn
结
例题
5-1 若炉灶的炉壁顺序地由厚24cm耐火砖(=0.90 W.m-1. K-1)、12cm绝热砖(=0.20 W.m-1.K-1)和24cm建筑砖( = 0.63W.m-1.K-1)砌成,传热稳定后,耐火砖的内壁面温度为 940℃,建筑砖的外壁面温度为50 ℃.试求每秒钟每平方米 壁面因传导传热所散失的热量,并求各砖层交界面的温度.
对数平均值：rm (r2 r1 )
ln( r2 ) r1
Q
2Lt
b
r2 r1 ln r2
2Lt
b
rm
r1
r
r2 r1
Q
t1
t2
圆筒壁的传导传热
多层圆筒壁的传导传热：
Q
2L(t1 t4 )
1 ln r2 1 ln r3 1 ln r4
1 r1 2 r2 3 r3
显热(sensible heat) = 物质质量×比定压热容×温度变化
= m×cp×△t (无相变)
定态传热和非定态传热
定态传热(steady heat transfer)：传热面各点的温度不随
时间而改变。
均衡的连续操作
t t(x, y, z)
非定态传热(non-steady heat transfer)：传热面各点温度 随时间而变化。
热层,第一层是40mm厚的矿渣棉(=0.07 W.m-1.K-1),第二层
化工原理第五章传热
第五章传热一、基本知识1. 下列关于传热与温度的讨论中正确的是。
①绝热物系温度不发生变化②恒温物体与外界（环境）无热能交换③温度变化物体的焓值一定改变④物体的焓值改变，其温度一定发生了变化2. 下列关于温度梯度的论断中错误的是。
①温度梯度决定于温度场中的温度分布②温度场中存在温度梯度就一定存在热量的传递③热量传递会引起温度梯度的变化④热量是沿温度梯度的方向传递的3. 传热的目的为。
①加热或冷却②换热，以回收利用热量③保温④萃取4. 根据冷、热两流体的接触方式的不同，换热器包括（）等类型。
①直接混合式②蓄热式③间壁式④沉降式5. 热量传递的基本方式为。
①热传导（简称导热）②对流传热③热辐射④相变传热6. 下列有关导热系数论断中正确的是——。
①导热系数入是分子微观运动的一种宏观表现②导热系数入的大小是当导热温差为「C、导热距离为1m导热面积为lm2 时的导热量，故入的大小表示了该物质导热能力的大小，入愈大，导热越快③一般来说，金属的导热系数数值最大，固体非金属次之，液体较小，气体最小④大多数金属材料的导热系数随温度的升高而下降，而大多数非金属固体材料的导热系数随温度的升高而升高⑤金属液体的导热系数大于非金属液体的导热系数，非金属液体中除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而减小，一般情况下，溶液的导热系数低于纯液体的导热系数⑥气体的导数系数随温度的升高而增大，在通常压力下，导热系数与压力变化的关系很小，故工程计算中可不考虑压力的影响7. 气体的导热系数值随温度的变化趋势为。
①T升高，入增大②T升高，入减小③T升高，入可能增大或减小④T变化，入不变8. 空气、水、金属固体的导热系数分别为入l、入2、入3，其大小顺序。
①入l ＞入2＞入3 ②入l ＜入2＜入3 ③入2＞入3＞入l ④入2＜入3＜入l9. 水银、水、软木的导热系数分别为入l、入2、入3其大小顺序为。
①入l＞入2＞入3 ②入l＜入2＜入3 ③入l＞入3＞入2 ④入3＞入l＞入210. 下列比较铜、铁、熔化的铁水三种物质导热系数的大小论断中正确的是。
传热过程计算
dQ K0 (T t)dA0
Km (T t)dAm
Ki (T t)dAi
如无特别说明，手 册中的K指Ko
K0 dAi di Ki dA0 d0
K0 dAm dm
Km dA0 d0
4
1.3 总传热系数（Overall Heat-transfer Coefficient)
一、总传热系数的计算 间壁传热包括三个步骤：
2
例3-7
结论： 其他条件一定时，逆流Δtm并流大,可节省传热面积。 若有一方恒温，不必考虑流动方向
11
1.4 总传热速率方程与传热平均温差
2. 错流和折流时的平均温差—Underwood-Bowman图算法
tm t tm
tm — 按逆流计算的平均温差
t — 温差校正系数 t f (R、P)
P t2 t1 T1 t1
R T1 T2 t2 t1
通常在换热器的设计中规定，t值不应小于0.8，
否则应考虑增加壳方程数，或将多台换热器串联。
12
1.4 总传热速率方程与传热平均温差
单壳程
13
1.4 总传热速率方程与传热平均温差
双壳程
14
1.5 传热计算应用举例
设计型：根据工艺要求的传热量,确定传热面积。 操作型：判断某一换热器能否满足生产要求，或预测
16
1.5 传热计算应用举例
2.在新工况下
W1C p1(120 T2 ') W2C p2 (t2 '20)
t2 '20 W1Cp1 0.8(a) 120 T2 ' W2Cp2
Q' W1C p1(120 T2 ') 2KAtm '
120 T2 ' KA 10 2tm ' W1C p1 11
化工原理第五章传热过程计算与换热器
一．恒温差传热
T
t
tm T t
t
二．变温差传热
T
t1 0
T1
t1 浙江大学0本科生课程
过程工程原理
t
并流 t
0
T1 t2
t
A0 T1
T2 t2 t2
t
逆流 t
A0 第五章 传热过程计算与换热器
A T2
A T2 t1
A
13/25
§5.2.4 tm的计算
T1 t1
以冷、热流体均无相变、逆流流动为例：
t
T
11/2t5
1 1 b 1
T
KA 1 A1 Am 2 A2
Tw tw
考虑到实际传热时间壁两侧还有污垢热
阻，则上式变为：
t
1 1
KA 1 A1
Ra1
b
Am
Ra2
1
2 A2
浙江大学本科生课程 过程工程原理
第五章 传热过程计算与换热器
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§5.2.4 tm的计算
Q KAtm
T1
T
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第五章 传热过程计算与换热器
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幻灯片2目录
习题课
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
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设 计 型
习题课 操作型 t1
LMTD法：
对数平均温差法
Q Ktm A
(1) T1
T2
Q mhc ph T1 T2 (2)
Q mc c pc t2 t1
浙江大学本科生课程
过程工程原理
第五章 传热过程计算与换热器
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§5.2.4 tm的计算
化工原理.传热过程的计算
管内对流:
dQ2 b dAm (Tw tw )
dQ3 2dA2(tw－t)
对于稳态传热 dQ dQ1 dQ2 dQ3
总推动 力
dQ T Tw Tw tw tw t
T t
1
b
1
1b 1
1dA1 dAm 2dA2 1dA1 dAm 2dA2
总热阻
dQ T t 1
KdA
第五节 传热过程的计算
Q KAtm
Q — 传热速率，W K — 总传热系数，W /(m20C) A — 传热面积，m2 tm — 两流体间的平均温度差，0 C
一、热量衡算
t2 , h2
热流体 qm1, c p1
T1, H1
T2 , H 2
冷流体 qm2, cp2,t1, h1
无热损失：Q qm1H1 H 2 qm2 h2 h1
变形：
dQ dT
qm1 c p1＝常数
dQ dt
qm2c p2＝常数
d (T t) dT dt 常数 dQ dQ dQ
斜率＝dt t1 t2
dQ
Q
由于dQ KtdA
d(t) t1 t2
KtdA
Q
分离变量并积分：
Q KA t1 t2 ln t1 t2
tm
t1 t2 ln t1
t2
讨论：（1）也适用于并流 （2）较大温差记为t1，较小温差记为t2 （3）当t1/t2<2，则可用算术平均值代替
tm (t1 t2 ) / 2
（4）当t1＝t2，tm t1＝t2
结论： (1) 就提高传热推动力而言，逆流优于并流。 当换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条 件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。
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据牛顿冷却定律和傅立叶定律 内 侧
t t dQi h wh 1 i dAi
(5-2a)
间 壁
dQm
t wh t wc b dAm
外 侧
后页
dQo
t wc tc 1 o dAo
前页
(5-2b)
8
(5-2c)
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西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件
h wh wc c
5.1 传热过程分析
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2
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西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件
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
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3
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西 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 的相互关系。根据能量守恒原理，在传热过程中，若忽 大 略热损失，单位时间内热流体放出的热量等于冷流体所 化 吸收的热量。 工 图5-2为一稳态逆流操作的 原 套管式换热器，热流体走管 内，冷流体走环隙。 理 对于整个换热器，其热量 电 的衡算式为 子 Q mh ( H h1 H h 2 ) mc ( H c 2 H c1 ) 图5-2 套管换热器中的传热过程 课 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 件 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。
西 安 交 • 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 大 （5-5）可改写为 化 1 1 Ao b Ao 1 工 K o i Ai Am o 原 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 理 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。 电 如对应于Ai的总传热系数Ki 子 课 1 1 b Ai 1 Ai 件 K i i Am o Ao
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件
第五章 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
5.2.2 传热速率方程
Q Kt A
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主题
西 安 交 大 化 工 原 理 电 子 课 件
5.2.3 总传热系数与壁温计算
• 1.总传热系数的计算
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。
（5-4）
式中Q为换热器总传热面积上的传热速率，W；为传热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 1 1 b 1 1 1 dAo b dAo 1 （5-5） dAo i dAi dAm o dAo 或 K o Ko i dAi dAm o 返回 前页 后页 9 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
dQ th twh twh twc twc tc t h tc t t h c 1 b 1 1 b 1 R i dAi dAm o dAo i dAi dAm o dAo
热量，W。
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5.2.1 热量衡算方程
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西 安 交 • 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 大 流体传递热量的传热速率可表示为 化 工 t h tc dQ K (th tc )dAo 原 (5-1) 1 理 K dAo ——微分传热速率方程 电 子 式中K'表示局部传热系数，W/（m2· ℃）；th、tc分 别为热流体和冷流体的局部平均温度，℃。 课 件
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5.2.1 热量衡算方程
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西 安 交 • 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 大 化 dQ mh dHh mc dHc 工 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。 理 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 mc ( H c 2 H c1 ) Qc Q mh ( H h1 H h 2 ) Qh 子 课 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 件
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西 安 交 • 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： 大 化 t （1）热流体以对流传热方式将热 工 量传给固体壁面； Q 原 （2）热量以热传导方式由间壁的 Q t 热侧面传到冷侧面； 理 热流体 冷流体 t 电 （3）冷流体以对流传热方式将间 t 子 壁传来的热量带走。 对流 对流 课 热传导 图5-1中还示出了沿热量传递方向从 件 热流体到冷流体的温度分布情况。 图5-1 流体通过间壁的热量交换
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5.2.2 传热速率方程
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西 安 交 • 对于整个换热器，传热速率方程可写为 大 (5-1a) 化 m 式中K表示总平均传热系数，简称总传热系数或传 工 2· 热系数， W/ （ m ℃）；A为换热器的总传热面积； 原 tm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 tm tm 子 Q 1 课 R 件 KA 式中R=1/KA为换热器的总传热热阻，℃/W。 返回