化工原理第四章两流体间传热过程计算

f(P,R)
P t2 t1 T1 t1
冷流体温升 两流体最初温差
——温度效率
R＝T1 T2 t2 t1
热流体温降 冷流体温升
——温度相关因数
【方法】根据R与P的数值，从各种算图中查得温差
校正系数ψ化第工四。原章理两
流体间传
热过程计
2021/7/7
算
1.0 0.9
校正系数εΔt
0.8
ψ
0.7
R=4.0 3.0 2.0 1.5 1.0 0.8 0.6 0.4
流体间传
热过程计
2021/7/7
算
5、变温差传热过程传热温度差的计算依据
【特点】在计算传热速率时，采用先微分、后积分
求出整个传热面上的传热速率，即：
dQ K(Tt)dA
Q
A
0 d Q Q0 K(Tt)d A
根据假定，K＝const，且 T－t＝f(A)
由积分中值定律：
bf(x)d xf() （ ba) a
同，传热平均温差tm的计算方法因而不同。
2021/7/7
化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
3、恒温差传热 【特点】（1）两侧流体均发生相变，且温度不变；
（2）冷热流体温差处处相等，不随换热器 位置而变的情况。
tm Tt ——恒温差传热平均温度差计算式
式中 T ——高温流体的湍流主体温度； t ——低温流体的湍流主体温度。
式中
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Ts、化第流t工四体s—原章间理两传—饱和温度（沸点 ）。
热过程计 算
20℃（l）
Q1qmCpt2t1
Q2 qmr
100℃（l）
100℃（g）
Q Q 1 Q 2 q m C p ( t s t ) q m r q m r C p t s t 2
化工原理
0.6
0.5 0.0
0.1 0.2
0.3 0.4 0.5
双壳程对数平均温度差
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的校化工正原理系数εψΔt值
第四章两 流体间传 热过程计
算
0.6 0.7
p
0.8
0.9
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算
4、变温差传热
【特点】传热温 度随换热器位置 而变。分为： ①单侧变温； ②双侧变温。
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
T1
t2
T2
t1
（1）单侧变温
【特点】在热交 换过程中，一侧 温度保持不变， 另一侧温度发生 变化。
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
由总传热方程式及热量衡算式可推得：
tm
t1 ln
t2 t1
t 化工原理
第四章两
2
流体间传
热过程计
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算
——对数平均温度差
【几点说明】 ①计算式只适用于并、逆流操作，但不适用于折流 和错流操作过程；
② t1、 t2——设备同一端热、冷流体的温度差；
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t2
t2
化工原理
T 第流四体章间1两传
对于热流体： Q qm 1C p1T 1T 2
对于冷流体化第工四：原章理两 Q qm 2C p2t2t1 流体间传
热过程计
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算
②热焓法 由热力学得知，在等压条件下，物系与外界交换的
热量与物系的始态与终态的焓差相等，即：
Q q m 1 H 1 H 2 q m 2 h 2 h 1
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
2、热负荷的计算
（1）两个概念
【显热】当物质与外界交换热量时，物质不发生相
变化而只有温度变化，这种热量称为显热。
【潜热】饱和蒸气的焓与同温度下的液体的焓的差
值称为潜热（相变热）。
（2）无相变化时热负荷的计算
当流体与外界交换热量过程中不发生相变化时，
中值
A
Q 0化第K 工四( 原章T 理两 t)d A K (T t)m (A 0 ) K tm A
流体间传
热过程计
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算
【两点说明】
（1）尽管在整个换热器中，传热推动力(T－t)是一
个变化的值， 但存在一个中值tm 。用来表征换热器 传热推动力(T－t)的大小 （ tm的物理意义）； （2）tm 表示的是平均值，称为平均温度差； （3）变温差传热过程的平均温度差tm与换热器内冷
第四章两
流体间传
热过程计
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算
3、热负荷与传热速率的区别
【热负荷】对换热器换热能力的要求，是需要交换
的热量，与换热器的种类、型式无关，由工艺条件
决定。 【Q=qmCp(T1-T2)】 【传热速率】换热器本身在一定条件下的换热能力
，是换热器能够交换的热量，由换热器本身的特性
所决定。 【Q=KAΔtm】
传热速率：化工原理 第四章两
QK(A Tt)
流体间传
热过程计
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算
湍流主体 T t
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
【例】电解槽引
出的碱液浓度通
常只有12％，经
蒸发后可获得30
t
％、42％的浓碱 T
。
化工原理
中央循环管第式蒸四发器3章.swf 两
T
流体间传
t
热过程计
H1、H2——热流体进、出口的比焓，J/kg；
h1、h2 ——冷流体进、出口的比焓，J/kg。
qm1、qm2—化第工四—原章理两热、冷流体的质量流量，kg/s；
流体间传
热过程计
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算
qm2
h1
H1
H2
qm1
qm1
qm2
h2
对于热流体： Q qm 1H 1H 2
对于冷流体化工：原理 第四章两
热流体流动方向有关，不同的流动型式其平均温度
差不同。
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
6、热交换器内的流动型式
①并流 参与换热的两种流体沿传热面平行而同向
的流动。
②逆流 参与换热的两种流体沿传热面平行而反向
的流体。
③折流 一流体只沿一个方向流动，另一流体反复
来回折流；或者两流体都反复折回。（既存在并流
qm1、qm2——热、冷流体的质量流量，kg/s；
Cp1、Cp2——热、冷流体的平均定压比热，kJ/(kg.℃)；
T1、T2——热流体的进、出口温度，℃；
t1、t2——化第流工四体冷原章间理两传流体的进、出口温度，℃。
热过程计
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算
T1 Cp1
qm1
qm2
t2
qm2
t1
Cp2
T2
qm1
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
【特点】两种流体的流向垂直交叉。
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化工原理
第四章喷两 淋蛇管（错流）式换热器
流体间传 热过程计
算
7、并、逆流操作的平均温度差 在如下假定条件下（稳定传热过程）：
①稳定操作，qm1 ，qm2为定值； ②Cp1、Cp2及K沿传热面为定值，或取平均值； ③换热器保温良好，无热损失。
（2）热损失可忽略。
【衡算系统】热交换器；
【衡算基准】单位时间；
【衡算式】热流体放出的热量等于冷流体得到的热
量。即：
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Q ＝Q 化工原理
第四章两
热
冷
流体间传
热过程计
算
二、Q值的确定——计算热负荷
1、什么是热负荷 【定义】达到工艺要求的控制参数所应交换的热量 ，即： ①热流体放出的热量； ②冷流体得到的热量。 【作用】由热负荷可以确定传热速率。
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t 化工m原理 第四章两
t1
t2 2
流体间传
热过程计
算
t1t2
lnt1 t11 lnt1
tm算术 ＝ 2 t1t2 t2 t2 t2
tm对数 t1t2 lnt1
2
t1t2
2 t11
t2
t2
t1 /t2 3
1.10 tm算术/tm对数
2
1.5

1.3
1.1
1.04
1.013 1.005 ～1.0
，又存在逆流）
④错流
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两化第工四种原章理两流体的流向垂直交叉。 流体间传 热过程计 算
【特点】平行而同向。
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
并流
逆 流 【特点】方向相反且平行。
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
折流换热器
【特点】既存在并流，又存在逆流。
算
（2）双侧变温
【特点】在热交 换过程中，两侧 温度均发生变化 。
2021/7/7
化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
【特点】局部温度差Δt 沿传热面而变化。
在面积为dA两 侧，可视为恒
Δt＝T－t
2 温差传热。 1
t2
A
dQ=K（T－t）dA
T1
t1 T2
变化第温工四原章差理两 传热过程的温差变化特点
4、热负荷与传热速率的关系
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
Q传热速率Q热负荷
三、平均传热温差（ tm ）的计算
1、什么是平均传热温度差
t h 80=1T
℃
℃40=2t
【特点】不同部
热 ΦQ
流 体
t h ,w
ΦQ
冷 流 tc,w 体
位推动力不同。 【定义】表征热 交换过程中的推 动力大小的参数
工程计算允许误差为＜5％
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
8、错流和折流的平均温度差
【基本方法】
①先按逆流计算对数平均温差tm逆；
②求平均温差校正系数ψ； ③求取平均传热温差：
tmtm逆
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化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
【温差校正系数ψ的获取方法之——图算法】 【基本原理】由Underwood和Bowan提出。
0.2
0.6
0.5 0.0
0.1 0.2
0.3 0.4
0.5 0.6
p
单壳程对数平均温度差的校正
ε 系数 化工原理
第四章两 流体间传
ψΔt值
热过程计
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算
0.7 0.8 th2
0.9
1.0
th1
tc2
tc1
1.0 0.9
校正系数εΔt
0.8
ψ
0.7
R=4.0 3.0
2.0 1.5
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
Q qm 2h2h 1
流体间传
热过程计
2021/7/7
算
（3）只有相变化时热负荷的计算
【方法】当流体与外界交换热量过程中只发生相变
化时，其热负荷用潜热法计算。
【计算式】
Qqm 1r1qm 2r2
式中 r——液体汽化（或蒸气冷凝）潜热。 （4）既有潜热、又有显热变化时热负荷的计算
Q q m 1 r 1 C p 1 T s T 2 q m 2 r 2 C p 2 t s t 2
2021/7/7
化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
一、热交换的基本计算式
1、总传热方程式
QKAtm
式中 Q——传热速率，W；
K——总传热系数，W/m2.℃
A——传热面积，m2
Δtm
——两流体的平均温度差，℃ 化工原理
第四章两
流体间传
热过程计
2021/7/7
算
2、热量衡算式
【衡算前提】
（1）换热器绝热良好；
热过程计 算
tm
t1 ln
t2 t1
t2
t1
t1
T2
③习惯上将较大温差记为t1，较小温差记为t2，避
免在计算中带入负号；
t1t2(t1t2)t2t1 t2t1
lnt1 t2
lnt1 t2
ln tt1 21
lnt2 t1
④当 t1/t2<2，则可用算术平均值代替（误差<4%
，在工程允许误差范围之内） 。即：
程。
2021/7/7
化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
2021/7/7
化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
热交换计算的内容
（1）设计型计算 根据生产任务的要求的热负荷（Q） ，确定换热
器的传热面积（A）及换热器的其它有关尺寸，以便 设计或选用换热器。
2021/7/7
化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
其热负荷用化第工四比原章理两热法和热焓法计算。
流体间传
热过程计
2021/7/7
算
①比热法 若换热器中的两流体只存在显热的交换，且比热
不随温度而变或可取平均温度下的比热时 ，则：
Q q m 1 C p 1 T 1 T 2 q m 2 C p 2 t 2 t 1
式中 Q——热负荷，J/s或W；
50=化第流℃2T工四体原章间理两传
℃20=1tt c
。
热过程计
流 2021/7/7 体 通 过算 间 壁 的 热 交 换
2、影响平均传热温度差的因素 （1）流体的流动型式
冷、热流体的相互流动方向有不同的流动型式，
传热平均温差tm的计算方法因流动型式而异。
（2）温度的变化情况 冷、热流体在沿传热面流动时的温度变化情况不
算
固定管板式换热器型式与基本参数（JB/T 4715-92）
2021/7/7
化工原理 第四章两 流体间传 热过程计
算
（2）操作型计算
在已有换热器的基础上： ①核算传热量（Q）、流体的流量（ qm ）、流体的 进、出口温度（ T、t ）； ②判断一个换热器能否满足生产任务的要求； ③预测生产过程中某些参数（如 qm、T、t）的变化 对换热器传热能力（Q）的影响。
第四章
传热
第四节 两流体间传热过 程的计算 一、总传热方程式 二、热量衡算 三、平均温度差的确定 四、总传热系数的确定 五、传热面积的确定 六、污垢热阻 七、流向的选择
2021/7/7
化工原理第四章两流体间传热过 程计算
对流传热
什 么 是 热 交 换
对流传热 传导传热
【特点】存在两种或两种以上的传热方式的传热过