第10章 传热过程分析与换热器的热计算
第10章 传热过程分析与换热器的热计算
课堂讲解
课后作业
【10-3】一卧式冷凝器采用外径为25mm ，壁厚1.5mm 的黄铜管做成热表面。已知管外
冷凝侧的平均传热系数)/(70052
0K m W h ?=，管内水侧平均的表面传热系数
)/(30042K m W h i ?=。试计算下列两种情况下冷凝器按管子外表面面积计算的总传热系数
(1) 管子内外表面均是洁净的
(2) 管内为海水，流速大于1m/s ，结水垢，平均温度小于50℃，蒸汽侧有油。 【解】
[]W
K m R W K m R W K m d d h W
K m h fo fi i i /0002.0/0001.0191/10643.22025430011/107543.15700/1/122240240?=?=??=?=???==--蒸汽含油污垢系数海水污垢系数查得：－，表由参考文献解：
【10-13】一台1-2型壳管式换热用来冷却11号润滑油。冷却水在管内流动，
C t C t ?="
?='502022，，流量为3kg/s ；热油入口温度为600C ，)/(3502K m W k ?=。试计算：
(1) 油的流量； (2) 所传递的热量； (3) 所需的传热面积。
[]2
3
2
211212211212112221122212162.2632.403501066.37532.409.08.449.0159175
.0333.1/1/15
.0375.0333.1333
.1205060100375.020********.44)50/40ln(50
40)/ln(5050100402060)3(66.375)2050(41743)2(/37.4)
60100(2148)
2050(41743/4174,/2148)1(m t k A C
t R PR t t t t R t t t t P C
t t t t t C t t t C
t t t KW t c q s
kg t c t c q q C kg J c C kg J c m m r r m r m m m =??=?Θ=?=??===?==--='-""-'==--='-''-"=?=-=-=
??=-="
-'=?=-='
-"==-??=?=Θ=-?-??=??=
??=??=＝＝查得－，图由参考文献则分别为查得润滑油及水的比热解：?
K
m W d d R R k k K
m W d d h d d d h k K m W i
fi f w i
i i ?=?++=
++=
?=?+?+?=+
+=
?--2000024
40
0000/1.130220
25
0001.00002.09.220011
1
1
)2(/9.22001063.220
25
ln 1092025.0107453.11
1ln 211
)1(/109传热系数
管子内外表面结垢后的时的导热系数
管子内外表面均是洁净＝黄铜的导热系数λλ
【10-17】在一逆流式水-水换热器中，管内为热水，进口温度100,
=t ℃出口温度为
80,,=t ℃；管外流过冷水，进口温度20,2=t ℃，出口温度70,,
2=t ℃；总换热量KW 350=Φ，
共有53根内径为16mm 、壁厚为1mm 的管子。管壁导热系数()k m w */40=λ，管外流体的表面传热系数()k m w h */15000=，管内流体为一个流程。假设管子内、外表面都是洁净的。试确定所需的管子长度。
【解】计算管内平均换热系数。
()908010021
=+=
f t ℃ ()()95.1Pr ,*/68.0,*/109.3146==?=-k m w s m K
g u λ
s
Kg t
c q c p m p /4159,4208=Φ
==δ
19830109.314016.01416.353/159.444Re 6
=????==-du q m π ()
k m w d
h */3273Pr Re 023.03
.08.0==λ
()
k m w d d h h k a */965111
1
2
10=+
+=
λδ
()()()28.4330/60ln 701002080=---=?m t ℃，,38.8,
2dL n A m A π== .80.2m d n A
L ==
π
本题中冷热流体总温差为43.3℃，管外冷流体侧占68﹪，管内侧约占32﹪，故不必考虑温差的修正。
【10-22】欲采用套管式换热器使热水与冷水进行热交换，并给出s kg q C t s kg q C t m m /0233.0,35,/0144.0,2002211=?='
=?='。取总传热系数为
2225.0),/(980m A K m W k =?=，试确定采用顺流与逆流两种布置时换热器所交换的热量、冷
却水出口温度及换热器的效能。
[]{}W
t c q C t t t C
t t t B t t t t C
t t t t t t t t B B NTU NTU c q kA NTU c q c q B k
kg J c k kg J c C C m m m m m m p p 6248)
4.99200(43130144.0672/)(9935)4.99200(637.0)(7.1492/)4.99200(2/)(4.99)
35200(610.0200)(610
.011)(exp 1945
.34313
1444.025
.0980)(637
.04183
0233.04313
0144.0)()(/4183/4313,150651111222211211121112
111min 2121=-??=?Θ?="
+'=?=+-?='
+"-'='=+="
+'=?=-?-='
-'-'="?'-'"-'=----=??==
=??==
?=?=??＝计算有效与假设值相符合，所以平均温度验算：
＝又－＝为：
法，顺流换热器的效能由则可查得：和别为设冷、热水平均温度分）顺流换热
解：（εεεε
[]{}[]{}W
t c q C t t t C
t t t C t B c q c q t t t t t C
t t t t t t t t B NTU B B NTU NTU c q kA
NTU c q c q B k kg J c k
kg J c C C m m m m m m m m p p 91193.9341950233.03.128353.933.1282/3.93)5.51200(628.0)()(8
.1252/)5.51200(2/)(5.51)35200(9.0200)(9.012)(exp 11)(exp 199.34258
0144.025.0980)(628.04195
0233.04258
0144.0)()(/4195/4258,12580)2(22222222222
1
2111121112
111min 2121=??=?=Θ?=+='+?="
?=?+'
=?=-?=??==
??=+="
+'=?=-?-='-'-'="
?'-'"-'=------=??=
=
=??=
=
?=?=??有效。定相差很小，计算结果冷热流体平均温度与设
平均温度验算：
＝又
－＝
为：法，逆流换热器的效能
由则可查得：和别为设冷、热水平均温度分
逆流换热
εεεε
【10-27】一台逆流式换热器刚投入工作时在下列参数下运行：360,
1=t ℃，300,,
1=t ℃，
30,2=t ℃，200,,2=t ℃ ，11c q m =2500W/K ，K=800()
k m W ?2。运行一年后发现，在11c q m 、22c q m 、
及,1t 、,
2t 保持不变的情形下，冷流体只能被加热到162℃，而热流体的出口温度则高于300℃。 试确定此情况下的污垢热阻及热流体的出口温度。
【解】不结垢时，
()2
.210160/270ln 160
270=-=?m t ℃， ()2892.02.2108003003602500m t k A m =?-?=?Φ=
K
W c q c q m m /4.88217060
2500302003003601
122==--=.
结垢后，()W t c q m 116471301624.882222=-?==Φδ。 又()4.31330162833.21360,833.24.882255036030162,,
,,
1
,,1,1,
2,,22211=--===--=--=t t t t t t c q c q m m ℃
()2.283198/4.283ln 1984.283=-=
?m t ℃，()k m W k ?=?=2*2.5482.238892.0116471，
()k m W R R k k ??-?=-=∴=---2
41,,
1025.110182480012.5481,11。
【10-32】已知：一球状物体中，λ为绝缘材料的导热系数，h 为球外表面的表面传热系
数，假定为常数。求证：球状物体的临界表面绝缘半径为h r λ2=。
【证明】设周围介质的温度为t ∞，则通过空心球壁的传热量为
h
r r r t t 2i i 411141ππλΦ+???? ??--=
∞
r i 为球状物体的一内半径，该处的壁温为t i ；r 是外半径，此处视为变量。达到临界半径时，满足条件
0d d =r
Φ
0411141d d 21=??
?
???+???? ??-h r r r r ππλ 即
0424132=-+--h
r r ππλ 由此得
02
1=-rh
λ 于是得球状物体的临界表面绝缘半径为
h
r λ2=
【10-43】一块表面积为A 的平板埋于绝热材料中（如附图所示）。初始时与温度为T ∞
的气流处于平衡状态，后突然受到投入辐射G 的作用。平板对G 的吸收比为α1，自身辐射的发射率为ε，平板的热容量为mc 。此时对流换热的表面传热系数为h 。试按集总参数法导出平板温度随时间变化的关系式，及当平板又一次处于稳态工况时的温度值。取G =3000W/m 2，α1=，ε=，T ∞=300K ，mc =20400J/K ，h =50W/。
【解】热平衡关系式
()
()∞∞----=T T Ah T T A G A T mc 4401d d εσατ
再次处于稳态时
()
()04
401=----∞∞T T Ah T T A G A εσα
()
()0300503001067.59.030008.0448=---???-?-T T
解得 T =343K 。
换热器计算思考题及参考答案
换热器思考题 1. 什么叫顺流？什么叫逆流（P3）？ 2.热交换器设计计算的主要内容有那些（P6）？ 换热器设计计算包括以下四个方面的内容：热负荷计算、结构计算、流动阻力计算、强度计算。 热负荷计算：根据具体条件，如换热器类型、流体出口温度、流体压力降、流体物性、流体相变情况，计算出传热系数及所需换热面积 结构计算：根据换热器传热面积，计算热交换器主要部件的尺寸，如对管壳式换热器，确定其直径、长度、传热管的根数、壳体直径，隔板数及位置等。 流动阻力计算：确定流体压降是否在限定的范围内，如果超出允许的数值，必须更改换热器的某些尺寸或流体流速，目的为选择泵或风机提供依据。 强度计算：确定换热器各部件，尤其是受压部件(如壳体)的压力大小，检查其强度是否在允许的范围内。对高温高压换热器更应重视。尽量采用标准件和标准材料。 3. 传热基本公式中各量的物理意义是什么（P7）？ 4. 流体在热交换器内流动，以平行流为例分析其温度变化特征（P9）？
5. 热交换器中流体在有横向混合、无横向混合、一次错流时的简化表示（P20）？ 一次交叉流，两种流体各自不混合 一次交叉流，一种流体混合、另一种流体不混合 一次交叉流，两种流体均不混合 6. 在换热器热计算中, 平均温差法和传热单元法各有什么特点（P25、26）? 什么是温度交叉，它有什么危害，如何避免（P38、76）？ 7．管壳式换热器的主要部件分类与代号（P42）？ 8．管壳式换热器中的折流板的作用是什么，折流板的间距过大或过小有什么不利之处（P49～50）？ 换热器安装折流挡板是为了提高壳程对流传热系数，为了获得良好的效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。对常用的圆缺形挡板，弓形切口过大或过小，都会产生流动“死区”，均不利于传热。一般弓形缺口高度与壳体内径之比为0.15～0.45，常采用0.20和0.25两种。 挡板的间距过大，就不能保证流体垂直流过管束，使流速减小，管外对流传热系数下降；间距过小不便于检修，流动阻力也大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍，我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有150，300和600mm三种；浮头式有150，200， 300，480和600mm五种。 a.切除过少 b.切除适当 c.切除过多 9管壳式换热器中管程与壳程中流体的速度有什么差异（P292）？ 管壳式换热器中管程流体的速度大于壳程中流体的速度。 10．板式换热器与管壳式换热器的比较，板式换热器有什么优点（P125～127）？ ? 1）传热系数高：由于平板式换热器中板面有波纹或沟槽，可在低雷诺数（Re=200
化工基础习题解答《传热过程及换热器》(张近主编)
传热过程及换热器 1.燃烧炉的平壁是一层耐火砖和一层普通砖砌成，内层耐火砖厚度为230mm ，外层普通砖厚度为240mm ，当达到定态传热时，测得炉内壁温度是700℃，外表面温度是100℃，为了减少热量损失，在普通砖外面加砌一层厚度为40mm 的保温材料，当定态后测得内壁面温度为720℃，保温材料外表面温度为70℃。求加保温材料前后每平方壁面热损失是多少？耐 火砖、普通砖、保温材料的热导率分别为1.163W·m -1·℃-1， 0.5815W·m -1·℃-1，0.07W·m -1·℃-1。 解：根据多层平壁热传导公式：i i i t Q A δλΣΔ=Σ 加保温材料前：Σt i =t 1-t n+1=700-100=600℃ 0.230.241.1630.5815 0.6105i i δλΣ=+= 26000.6105 982.8W/m Q A == 加保温材料后：Σt i =t 1-t n+1=720-70=650℃ 0.230.240.041.1630. 1.185815007 20.i i δλΣ=++= 2545W/m 1.1862 50Q A == 2.如习题1加保温材料后测得内壁面温度为720℃，保温材料外表面温度为70℃。计算耐火砖与普通砖、普通砖与保温材料间的交界面温度。 解：加保温材料后，传热速率为：2545W/m 1.1862 50Q A == 根据平壁热传导公式：1211 545t t Q A δλ?== t 1=720；λ1=1.163W·m -1·℃-1，δ1=0.24m 代入上式解得： t 2=1110.23720545 1.163 6211.Q t A δλ??=?×=℃ 同理得 t 3=3430.0470545031.74.08Q t A δλ+ ?=+×=℃ 3.平壁炉的炉壁内层为120mm 厚的耐火材料和外壁厚度为230mm 建筑材料砌成，两种材料的导热系数为未知，测得炉内壁面温度为800℃，外侧壁面温度113℃，后来在普通建筑材料外面又包一层厚度为50mm 的石棉以减少热损失，包扎后测得炉内壁面温度为800℃，耐火材料与建筑材料交界面温度为686℃，建筑材料与石棉交界面温度为405℃，石棉外侧温度为77℃，问包扎石棉后热损失比原来减少的百分数？
4-4-传热过程计算
知识点4－4 传热过程计算 【学习指导】 1．学习目的 通过本知识点的学习，掌握换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算。在传热计算的两种方法中，重点掌握平均温度差法，了解传热单元数法及应用场合。 2．本知识点的重点 换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算，用平均温度差法进行传热计算。 3．本知识点的难点 传热单元数法。 4．应完成的习题 4-4 在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。换热管为φ25×2.5 mm的钢管，其导热系数为45 W/(m·℃)。冷却水在管程流动，其对流传热系数为2600 W/(m2·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/(m2·℃)。试求基于管外表面积的总传热系数以及各分热阻占总热阻的百分数。设污垢热阻可忽略。 4-5 在一传热面积为40m2的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。冷却水的流量为30000kg/h，其温度由22℃升高到36℃。溶液温度由115℃降至55℃。若换热器清洗后，在冷、热流体量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40℃，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。假设： （1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.174 kJ/(kg·℃)； （2）两种情况下，αi、αo分别相同；
（3）忽略壁面热阻和热损失。 4-6 在套管换热器中用水冷却油，油和水呈并流流动。已知油的进、出口温度分别为140℃和90℃，冷却水的进、出口温度分别为20℃和32℃。现因工艺条件变动，要求油的出口温度降至70℃，而油和水的流量、进口的温度均不变。若原换热器的管长为1m，试求将此换热器管长增至若干米后才能满足要求。设换热器的热损失可忽略，在本题所涉及的温度范围内油和水的比热容为常数。 4-7 冷、热流体在一管壳式换热器中呈并流流动，其初温分别为32℃和130℃，终温分别为48℃和65℃。若维持冷、热流体的初温和流量不变，而将流动改为逆流，试求此时平均温度差及冷、热流体的终温。设换热器的热损失可忽略，在本题所涉及的温度范围内冷、热流体的比热容为常数。 4-8 在一管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。已知苯蒸汽的体积流量为1600 m3/h，常压下苯的沸点为80.1℃，气化潜热为394kJ/kg。冷却水的入口温度为20℃，流量为35000kg/h，水的平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。总传热系数为450 W/(m2·℃)。设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。 4-9 在一传热面积为25m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机物。冷却水的流量为28000kg/h，其温度由25℃升至38℃，平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。有机物的温度由110℃降至65℃，平均比热容为1.72 kJ/(kg·℃)。两流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机物的处理量。 4-10 某生产过程中需用冷却水将油从105℃冷却至70℃。已知油的流量为6000kg/h，水的初温为22℃，流量为2000kg/h。现有一传热面积为10 m2的套管式换热器，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求： （1）两流体呈逆流流动； （2）两流体呈并流流动。 设换热器的总传热系数在两种情况下相同，为300 W/(m2·℃)；油的平均比热容为1.9 kJ/(kg·℃)，水的平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。热损失可忽略。
第十章—传热和换热器
第十章 传热和换热器 第一节 通过肋壁的传热 一、肋片传热计算式 1．以平壁的一侧为肋壁，分析肋壁的传热。 设肋和平壁为同一种材料，平壁厚度为δ，导热系数为λ， 肋表面积为2A （'2 ''22A A A +=，其中'2A 为肋片之间的基部面积，' '2A 为肋片表面积）。 （1）无肋的光壁表面积为1A ，光壁侧流体1的表面传热系数为1h ，温度为1f t ，光壁面温度为1w t 。 （2）肋壁侧流体2的表面传热系数为2h ，温度为2f t ，肋基壁面温度为2w t ，肋片''2A 的平 均壁温为m w t ,2，设1f t >2f t 。 在稳态情况下，各传热环节的热量为： ① 光壁换热：)(1111w f t t A h -=Φ ② 平壁导热：)(211w w t t A -= Φδ λ ③ 肋壁换热：)()(2,2' '2222'22f m w f w t t A h t t A h -+-=Φ 肋片效率为：2 22,222' '2 22,2' '22) () (f w f m w f w f m w f t t t t t t A h t t A h --= --= η )())((222222' '2'22f w f w f t t A h t t A A h -=-+=Φηη 式中，2 ' '2 '2A A A f ηη+= ，称为肋片的总效率。 整理以上各式，将肋壁传热公式写成两侧流体温差表示的形式，即： 122112 1221112 1111A A h A h t t A h A A h t t f f f f ηλδηλδ+ +-=++-=Φ 将上式写为：12111)(f f t t A k -=Φ 式中，1k 是以光壁面面积1A 为基准的传热系数。 t f 1t w 1t w 2 t f 2
新版化工原理习题答案(05)第五章传热过程基础
第五章 传热过程基础 1．用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为0.02 m 2 ，厚度为0.02 m ，实验测得电流表读数为0.5 A ，伏特表读数为100 V ，两侧表面温度分别为200 ℃和50 ℃，试求该材料的导热系数。 解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即 L t t S Q 2 1-=λ 式中 W 50W 1005.0=?==IV Q m 02.0C 50C 200m 02.0212=?=?==L t t S ，，， 将上述数据代入，可得 ()() ()()C m W 333.0C m W 5020002.002 .05021??=??-??=-= t t S QL λ 2．某平壁燃烧炉由一层400 mm 厚的耐火砖和一层200 mm 厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500 ℃，外表面温度为100 ℃，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.80.0006t λ=+，绝缘砖的导热系数为 20.30.0003t λ=+，W /(m C)??。两式中的t 可分别取为各层材料的平均温度。 解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即 Q Q Q ==21 （5-32） 或 2 32212 11b t t S b t t S Q -=-=λλ （5-32a ） 式中 115000.80.00060.80.0006 1.250.00032t t t λ+=+=+?=+ 21000.30.00030.30.00030.3150.000152t t t λ+=+=+?=+ 代入λ1、λ2得 2.0100)00015.0315.0(4.01500)000 3.025.1(-+=-+t t t t 解之得 C 9772?==t t ())()C m W 543.1C m W 9770003.025.10003.025.11??=???+=+=t λ
换热器的传热计算
换热器的传热计算 换热器的传热计算包括两类：一类是设计型计算，即根据工艺提出的条件，确定换热面积；另一类是校核型计算，即对已知换热面积的换热器，核算其传热量、流体的流量或温度。这两种计算均以热量衡算和总传热速率方程为基础。 换热器热负荷Q 值一般由工艺包提供，也可以由所需工艺要求求得。Q=W c p Δt ，若流体有相变，Q=c p r 。 热负荷确定后，可由总传热速率方程（Q=K S Δt ）求得换热面积，最后根据《化工设备标准系列》确定换热器的选型。 其中总传热系数K= 0011 h Rs kd bd d d Rs d h d o m i i i i ++++ （1） 在实际计算中，总传热系数通常采用推荐值，这些推荐值是从实践中积累或通过实验测定获得的，可以从有关手册中查得。在选用这些推荐值时，应注意以下几点： 1. 设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳程的流体相一致。 2. 设计中流体的性质（粘度等）和状态（流速等）应与所选的流体性质和 状态相一致。 3. 设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型相一致。 4. 总传热系数的推荐值一般范围很大，设计时可根据实际情况选取中间的 某一数值。若需降低设备费可选取较大的K 值；若需降低操作费用可取较小的K 值。 5. 为保证较好的换热效果，设计中一般流体采用逆流换热，若采用错流或 折流换热时，可通过安德伍德（Underwood ）和鲍曼（Bowman ）图算法对Δt 进行修正。 虽然这些推荐值给设计带来了很大便利，但是某些情况下，所选K 值与实际值出入很大，为避免盲目烦琐的试差计算，可根据式（1）对K 值估算。 式（1）可分为三部分，对流传热热阻、污垢热阻和管壁导热热阻，其中污垢热阻和管壁导热热阻可查相关手册求得。由此，K 值估算最关键的部分就是对流传热系数h 的估算。
传热过程分析与换热器的热计算(杨世铭,陶文栓,传热学,第四版,答案)
第10章 传热过程分析与换热器的热计算 课堂讲解 课后作业 【10-3】一卧式冷凝器采用外径为25mm ，壁厚1.5mm 的黄铜管做成热表面。已知管外 冷凝侧的平均传热系数 )/(700520K m W h ?=，管内水侧平均的表面传热系数)/(30042K m W h i ?=。试计算下列两种情况下冷凝器按管子外表面面积计算的总传热系数 (1) 管子内外表面均是洁净的 (2) 管内为海水，流速大于1m/s ，结水垢，平均温度小于50℃，蒸汽侧有油。 【解】 【10-13】一台1-2型壳管式换热用来冷却11号润滑油。冷却水在管内流动，C t C t ?="?='502022，，流量为3kg/s ；热油入口温度为600C ，)/(3502K m W k ?=。试计算： (1) 油的流量； (2) 所传递的热量； (3) 所需的传热面积。 【10-17】在一逆流式水-水换热器中，管内为热水，进口温度100,=t ℃出口温度为 80,,=t ℃；管外流过冷水，进口温度20,2=t ℃，出口温度70,,2=t ℃；总换热量KW 350=Φ， 共有53根内径为16mm 、壁厚为1mm 的管子。管壁导热系数()k m w */40=λ，管外流体的表面传热系数()k m w h */15000=，管内流体为一个流程。假设管子内、外表面都是洁净的。试确定所需的管子长度。 【解】计算管内平均换热系数。 ()908010021=+=f t ℃ ()()95.1Pr ,*/68.0,*/109.3146==?=-k m w s m Kg u λ ()()()28.4330/60ln 701002080=---=?m t ℃， ,38.8,2dL n A m A π== 本题中冷热流体总温差为43.3℃，管外冷流体侧占68﹪，管内侧约占32﹪，故不必考虑温差的修正。 【10-22】欲采用套管式换热器使热水与冷水进行热交换，并给出s kg q C t s kg q C t m m /0233.0,35,/0144.0,2002211=?='=?='。取总传热系数为2225.0),/(980m A K m W k =?=，试确定采用顺流与逆流两种布置时换热器所交换的热量、冷却水出口温度及换热器的效能。 【10-27】一台逆流式换热器刚投入工作时在下列参数下运行：360,1=t ℃，300,, 1=t ℃，
第五章 传热过程分析和换热器计算
第九章 传热过程分析和换热器计算 在这一章里讨论几种典型的传热过程，如通过平壁、圆筒壁和肋壁的传热过程通过分析 得出它们的计算公式。由于换热器是工程上常用的热交换设备，其中的热交换过程都是一些典型的传热过程。因此，在这里我们对一些简单的换热器进行热平衡分析，介绍它们的热计算方法，以此作为应用传热学知识的一个较为完整的实例。 9－1传热过程分析 在实际的工业过程和日常生活中存在着的大量的热量传递过程常常不是以单一的热量传递方式出现，而多是以复合的或综合的方式出现。在这些同时存在多种热量传递方式的热传递过程中，我们常常把传热过程和复合换热过程作为研究和讨论的重点。 对于前者，传热过程是定义为热流体通过固体壁面把热量传给冷流体的综合热量传递过程，在第一章中我们对通过大平壁的传热过程进行了简单的分析，并给出了计算传热量的公式 t kF Q ?=， 9－1 式中，Q 为冷热流体之间的传热热流量，W ；F 为传热面积，m 2；t ?为热流体与冷流体间的某个平均温差，o C ；k 为传热系数，W/(?2m o C)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差t ?=1 o C 、传热面积A =1 m 2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。在这一章中我们除对通过平壁的传热过程进行较为详细的讨论之外，还要讨论通过圆筒壁的传热过程，通过肋壁的传热过程，以及在此基础上对一些简单的包含传热过程的换热器进行相应的热分析和热计算。 对于后者，复合换热是定义为在同一个换热表面上同时存在着两种以上的热量传递方式，如气体和固体壁面之间的热传递过程，就同时存在着固体壁面和气体之间的对流换热以及因气体为透明介质而发生的固体壁面和包围该固体壁面的物体之间的辐射换热，如果气体为有辐射性能的气体，那么还存在固体壁面和气体之间的辐射换热。这样，固体壁面和它所处的环境之间就存在着一个复合换热过程。下面我们来讨论一个典型的复合换热过程，即一个热表面在环境中的冷却过程，如图9－1所示。由热表面的热平衡可知，表面的散热热流应等于其与环境流体之间的对流换热热流加上它与包围壁面之间的辐射换热热流，即r c Q Q Q +=,式中 图9－1热表面冷却过程
第10章 传热过程分析与换热器的热计算(杨世铭,陶文栓,传热学,第四版,答案)
第10章 传热过程分析与换热器的热计算 课堂讲解 课后作业 【10-3】一卧式冷凝器采用外径为25mm ，壁厚1.5mm 的黄铜管做成热表面。已知管外冷凝 侧的平均传热系数)/(700520K m W h ?=，管内水侧平均的表面传热系数 )/(30042K m W h i ?=。试计 (1)(2)【流动，t ?='202 (1)(2)(3)【80,,=℃； 根内径 为h 15000=度。 ?m t 的修正。 【10-22】欲采用套管式换热器使热水与冷水进行热交换，并给出s kg q C t s kg q C t m m /0233.0,35,/0144.0,2002211=?='=?='。取总传热系数为2225.0),/(980m A K m W k =?=，试确定采用顺流与逆流两种布置时换热器所交换的热量、冷却水出口温度及换热器的效能。 【10-27】一台逆流式换热器刚投入工作时在下列参数下运行：360,1=t ℃，300,,1=t ℃，30,2=t ℃，200,,2=t ℃，11c q m =2500W/K ，K=800() k m W ?2。运行一年后发现，在11c q m 、22c q m 、
及,1t 、, 2t 保持不变的情形下，冷流体只能被加热到162℃，而热流体的出口温度则高于300℃。试确定此情况下的污垢热阻及热流体的出口温度。 【解】不结垢时， ()2.210160/270ln 160270=-=?m t ℃，()2892.02.2108003003602500m t k A m =?-?=?Φ= K W c q c q m m /4.882170602500302003003601122==--=. 结垢后，()W t c q m 116471301624.882222=-?==Φδ。 又 1255030162,,,2,,211--t t q c q m ?m t k ,,1【r i 条件 即 由此得 【T ∞的气流 ε，∞=300K ， mc 解得T
换热器计算步骤..
第2章工艺计算 2.1设计原始数据 表2—1 名称设计压力设计温度介质流量容器类别设计规范单位Mpa ℃/ Kg/h / / 壳侧7.22 420/295 蒸汽、水III GB150 管侧28 310/330 水60000 GB150 2.2管壳式换热器传热设计基本步骤 （1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能 （2）由热平衡计算的传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。 （3）确定流体进入的空间 （4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据 （5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核 （6）选取管径和管内流速 （7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核 （8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的1.15~1.25倍 （9）选取管长 l （10）计算管数 N T （11）校核管内流速，确定管程数 （12）画出排管图，确定壳径 D和壳程挡板形式及数量等 i （13）校核壳程对流传热系数 （14）校核平均温度差 （15）校核传热面积 （16）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。
第2章工艺计算 2.3 确定物性数据 2.3.1定性温度 由《饱和水蒸气表》可知，蒸汽和水在p=7.22MPa、t>295℃情况下为蒸汽，所以在不考虑开工温度、压力不稳定的情况下，壳程物料应为蒸汽，故壳程不存在相变。 对于壳程不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。其壳程混合气体的平均温度为： t=420295 357.5 2 + =℃（2-1） 管程流体的定性温度： T=310330 320 2 + =℃ 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 2.3.2 物性参数 管程水在320℃下的有关物性数据如下：【参考物性数据无机表1.10.1】 表2—2 密度ρ i- =709.7 ㎏/m3 定压比热容c pi =5.495 kJ/㎏.K 热导率λ i =0.5507 W/m.℃ 粘度μ i =85.49μPa.s 普朗特数Pr=0.853 壳程蒸气在357.5下的物性数据[1]：【锅炉手册饱和水蒸气表】 表2—3
第4章 传热过程及换热器1
第4章传热过程及换热器 4.1 化工生产中的传热过程及常见换热器 1．化工生产中的传热过程 系统内温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程。 化工生产中的传热过程比比皆是，所有化学反应都要在一定温度下进行，为了满足工艺条件，必须适当地供给热量或移走热量；单元操作中的蒸发、精馏、干燥等过程也需要按一定速率供给热量或移走热量；许多设备和管道都在高温或低温下运行，应尽量减少它们与外界的传热，需要保温；为节约能源、降低成本，化工企业需要热量回收和综合利用等。可见，传热过程不但为化工生产过程提供了必要的温度条件，保证了过程的热量平衡，满足了生产的要求，而且也是化学工业提高经济效益、保护环境的重要措施。通常，传热设备在化工企业设备投资中占很大比例，有些可达40%左右，所以传热过程是化工生产十分重要的单元操作之一。 化工生产对传热的要求有两类，一是要求热量的传递速率要高，如上述的化学反应的加热或冷却，目的是增大设备的传热强度、提高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用；另一类则是要求尽量避免热量传递，如设备和管道的保温、保冷，需要采用隔热等方法减小传热速率。 传热过程也分为定态传热和非定态传热两种，换热器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为定态传热，反之，称为不定态传热。工业生产中的连续换热操作多属于前者，间歇操作或连续操作的换热器开工之时多属于非定态传热。定态传热时传热速率亦不随时间而变化，即传热速率为常量。 工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三种方式。 ①直接接触式在某些传热过程中，例如热气体的直接水冷却及热水的直接空气冷却等，采用冷、热流体直接接触进行换热。这种方式传热面积大，设备亦简单。典型的直接接触式换热设备是由塔型的外壳及若干促进冷、热流体密切接触的内件（如填料）等构成。 ②间壁式在大多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接混合，而往往是将冷、
换热器计算复习过程
换热器计算的设计型和操作型问题(5.5)-- 传热过程计算与换热器 日期:2005-12-28 18:04:55 来源:来自网络查看:[大中小] 作者：椴木杉热度：944 在工程应用上，对换热器的计算可分为两种类型：一类是设计型计算（或称为设计计算），即根据生产要求的传热速率和工艺条件，确定其所需换热器的传热面积及其他有关尺寸，进而设计或选用换热器；另一类是操作型计算（或称为校核计算），即根据给定换热器的结构参数及冷、热流体进入换热器的初始条件，通过计算判断一个换热器是否能满足生产要求或预测生产过程中某些参数（如流体的流量、初温等）的变化对换热器传热能力的影响。两类计算所依据的基本方程都是热量衡算方程和传热速率方程，计算方法有对数平均温差（LMTD）法和传热效率-传热单元数（e-NTU）法两种。 一、设计型计算 设计型计算一般是指根据给定的换热任务，通常已知冷、热流体的流量以及冷、热流体进出口端四个温度中的任意三个。当选定换热表面几何情况及流体的流动排布型式后计算传热面积，并进一步作结构设计，或者合理地选择换热器的型号。 对于设计型计算，既可以采用对数平均温差法，也可以采用传热效率- 传热单元数法，其计算一般步骤如表5-2所示。 表5-2 设计型计算的计算步骤 例5-4 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。 解（1）对数平均温差法 由热量衡算方程，换热器的传热速率为 苯与冷却水之间的平均传热温差为 由传热速率方程，换热器的传热面积为 A = Q/KΔt m = 118.8x1000/(470X18.2) = 13.9 m3 （2）传热效率-传热单元数法 苯侧 (m C ph) = 1.25*1900 = 2375 W/℃ 冷却水侧 (m c C pc) =(m h C ph)(t h1-t h2)/(t c1-t c2) =2375*(80-30)/(50- 20)=3958.3 W/℃ 因此，(m C p)min=(m h C ph)=2375 W/℃ 由式（5-29），可得 Qmax = (m C p)min(t h1-t c1) = 2375*(80-20) = 142.5*10^3 W 由传热效率和热容流量比的定义式 e = Q/Qmax = 118.8/142.5 = 0.83 C Rh=(m h C ph)/(m c C pc)=2375/3958.3=0.6 由式（5-39） 0.83=(1-exp[(1-0.6)*NTU])/(0.6-exp[(1-0.6)*NTU]) 可求出传热单元数NTU=2.71 则换热器的传热面积为 A = (m C p)min/K *NTU = 2375/470 * 2.71 = 13.7 m^2 讨论：由计算结果可见：采用两种方法计算传热面积，由于计算原理相同，计算结果十分接近。而对数平均温差法较为简单。 二、操作型计算 对于换热器的操作型计算，其特点是换热器给定，计算类型主要有以下两种：1．对指定的换热任务，校核给定的换热器是否适用。一般给定换热器的传热面
换热器计算思考题
换热器思考题 1. 什么叫顺流？什么叫逆流（P3）？ 2.热交换器设计计算的主要内容有那些（P6）？ 3. 传热基本公式中各量的物理意义是什么（P7）？ 4. 流体在热交换器内流动，以平行流为例分析其温度变化特征（P9）？ 5. 热交换器中流体在有横向混合、无横向混合、一次错流时的简化表示（P20）？ 6. 在换热器热计算中, 平均温差法和传热单元法各有什么特点（P25、26）? 什么是温度交叉，它有什么危害，如何避免（P38、76）？ 7．管壳式换热器的主要部件分类与代号（P42）？ 8．管壳式换热器中的折流板的作用是什么，折流板的间距过大或过小有什么不利之处（P49～ 50）？ 9管壳式换热器中管程与壳程中流体的速度有什么差异（P292）？ 10．板式换热器有什么优点（P125～127）？ 11．板翅式换热器的一次传热面、二次传热面、翅片效率、翅片壁面总效率（P146、147～150） 12．比较干式壳管式蒸发器和满液式壳管式蒸发器，各自的优点是什么？ 13．翅片管换热器中的翅片对传热与流体的影响有那些（P160～163）？ 14．热管换热器的工作原理有什么优点（P178～179）？ 15．热管换热器中的工质回流方式有那些（P180～181）？ 16．冷水塔的工作原理（P214～216）？ 17 .举例说明如何强化换热器的换热效率。 18. 举例说明制冷空调产品上强化传热采取的措施？ 19.强化传热系数的原则是什么? 20.什么是有源强化换热(主动式强化换热)和无源强化换热(被动式强化换热)? 21.怎样使用试验数据, 用威尔逊图解法求解传热过程分热阻? 换热器计算思考题及参考答案 1、对于q m1c 1≥q m2c 2，q m1c 1 传热过程与换热器 1．一外直径为20mm 的导线用橡胶做绝缘，橡胶绝缘层的厚度为10mm ，导热系数为0.15K) W/(m ?，它与外部空气间的表面传热系数为10K) W/(m 2?。试分析此情况下的橡胶绝缘层是否妨碍导线的散热。 解 本题导线外直径mm 201=d ，绝缘层厚度m m 10=δ，则绝缘层外直径mm 4010220212=?+=+=δd d 。临界绝缘直径c d 为 mm 30m 03.010 15.0222i c ==?==h d λ 显然，导线绝缘层外直径大于临界绝缘直径，即c 2d d >，此时的热阻比临界绝缘直径时的热阻要大，使得导线的散热量减少。因此从有利于导线的散热考虑，橡胶绝缘层厚度应取mm 52/)2030(2/)(1c =-=-d d 为宜。 2．已知热流体进口温度为80℃，出口温度为50℃，而冷流体进口温度为10℃，出口温度为30℃。试计算换热器为下列情况下的对数平均温压。(1) 纯顺流。(2) 纯逆流。(3) 1-2型壳管式。 解 根据题意，801 ='t ℃，501=''t ℃；102='t ℃，302=''t ℃，则 (1) 纯顺流时，70108021 =-='-'='?t t t ℃；20305021=-=''-''=''?t t t ℃，则 9.3920 70ln 2070)ln(m1=-=''?'?''?-'?=?t t t t t ℃ (2) 纯逆流时，50308021 =-=''-'='?t t t ℃；40105021=-='-''=''?t t t ℃，则 8.4440 50ln 4050)ln(m2=-=''?'?''?-'?=?t t t t t ℃ (3) 1-2型壳管式，因为不是纯顺流或纯逆流，因此需要先按纯逆流考虑，再进行修正即可。5.1103050802211=--='-''''-'=t t t t R ；284.010******** 22=--='-''-''=t t t t P ，查得1-2型壳管式换热器的修正函数ψ为 95.0)284.0,5.1(),(===f P R f ψ 第 10 章 传热过程分析与换热器的热计 算 课堂讲解 课后作业 【10-3】一卧式冷凝器采用外径为25mm 壁厚1.5mm 的黄铜管做成热表面。已知管外 2 冷凝侧的平均传热系数 h o 5700W/(m K)，管内水侧平均的表面传热系数 2 h i 4300W/(m K) 。试计算下列两种情况下冷凝器按管子外表面面积计算的总传热系数 (1) 管子内外表面均是洁净的 (2) 管内为海水，流速大于1m/s ，结水垢，平均温度小于50E ，蒸汽侧有油。 【解】 【10-13 】一台 1-2 型壳管式换热用来冷却 11 号润滑油。冷却水在管内流动， 2 t 2 20 C ，t 2 50 C ，流量为3kg/s ;热油入口温度为60°C, k 350W/(m K)。试计算: (1) 油的流量； (2) 所传递的热量; (3) 所需的传热面积。 【10-17】在一逆流式水-水换热器中，管内为热水，进口温度t,100 C出口温度为 t” 80 C；管外流过冷水，进口温度t 2， 20 C,出口温度t2” 70 C；总换热量350KW， 共有53根内径为16mm壁厚为1mm勺管子。管壁导热系数40w/ m* k ,管外流体的表 面传热系数h o 1500w/m *k，管内流体为一个流程。假设管子内、外表面都是洁净的试确定所需的管 子长度。 【解】计算管内平均换热系数 t f - 100 80 90 f2 C u 314.9 10 6Kg / m* s , 0.68w/m*k,Pr 1.95 t m 80 20 100 70 ln 60/30 43.28 c A 8.38m2,A n dL, J ? 本题中冷热流体总温差为43.3 C,管外冷流体侧占68%，管内侧约占32%，故不必 考虑温差的修正 【10-22】欲采用套管式换热器使热水与冷水进行热交换，并给出 t1 200 C, q m1 0.0144kg/s, t2 35 C, q m2 0.0233kg/s。取总传热系数为 2 2 k 980W/(m K),A 0.25m，试确定采用顺流与逆流两种布置时换热器所交换的热量、冷却水出口温度及换热器的效能。 【10-27】一台逆流式换热器刚投入工作时在下列参数下运行：t 1, 360 C，t「 300 C， t 2 30 °C,t2” 200 C , q m1 C 1=2500W/K K=800 W m k 。运行一年后发现，在、 q m2 c 2、及t1,、t2,保持不变的情形 下，冷流体只能被加热到162C，而热流体的出口温度则高于300C。试确定此情况下的污垢热阻及热流体的出口温度。 【解】不结垢时, 传热过程与换热器 例题1．一外直径为20mm 的导线用橡胶做绝缘，橡胶绝缘层的厚度为10mm ，导热 系数为0.15K) W/(m ?，它与外部空气间的表面传热系数为10K) W/(m 2?。试分析此情况 下的橡胶绝缘层是否妨碍导线的散热。 解 本题导线外直径mm 201=d ，绝缘层厚度m m 10=δ，则绝缘层外直径mm 4010220212=?+=+=δd d 。临界绝缘直径c d 为 显然，导线绝缘层外直径大于临界绝缘直径，即c 2d d >，此时的热阻比临界绝缘直径时的热阻要大，使得导线的散热量减少。因此从有利于导线的散热考虑，橡胶绝缘层厚度应取mm 52/)2030(2/)(1c =-=-d d 为宜。 例题2．已知热流体进口温度为80℃，出口温度为50℃，而冷流体进口温度为10℃，出口温度为30℃。试计算换热器为下列情况下的对数平均温压。(1) 纯顺流。(2) 纯逆流。 (3) 1-2型壳管式。 解 根据题意，801='t ℃，501=''t ℃；102='t ℃，302=''t ℃，则 (1) 纯顺流时，70108021=-='-'='?t t t ℃；20305021=-=''-''=''?t t t ℃，则 9.392070ln 2070)ln(m1=-=''?'?''?-'?=?t t t t t ℃ (2) 纯逆流时，50308021=-=''-'='?t t t ℃；40105021=-='-''=''?t t t ℃，则 8.444050ln 4050)ln(m2=-=''?'?''?-'?=?t t t t t ℃ (3) 1-2型壳管式，因为不是纯顺流或纯逆流，因此需要先按纯逆流考虑，再进行修正即可。5.1103050802211=--='-''''-'= t t t t R ；284.0108010302122=--='-''-''= t t t t P ，查得1-2型壳管式换热器 mm 30m 03.01015.0222i c ==?==h d λ 第九章 传热过程分析与换热器计算 思考题 1、对于q m1c 1≥q m2c 2，q m1c 1传热过程及换热器例题
传热过程分析与换热器的热计算杨世铭陶文栓传热学第四版答案
传热过程及换热器例题
传热学习题与作业9