文档介绍：第5章传热过程计算与换热器
传热过程分析
传热过程的基本方程
传热过程的平均温差计算
传热效率和传热单元数
换热器计算的设计型和操作型问题
传热系数变化的传热过程计算
换热器
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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:
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。
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传热过程的基本方程
热量衡算方程
传热速率方程
总传热系数和壁温的计算
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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。
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
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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
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
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。
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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
——微分传热速率方程
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,℃。
(5-1)
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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
式中R=1/KA为换热器的总传热热阻,℃/W。
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/(m2·℃);A为换热器的总传热面积;Dtm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)
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总传热系数与壁温计算
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
(5-2a)
(5-2b)
(5-2c)
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总传热系数与壁温计算
在稳态条件下
(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
(5-4)
或
(5-5)
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总传热系数与壁温计算
将a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
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
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