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
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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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。
化工原理,第五章-4
2 ms1 热流体 K
由于1
T1 T2 ,T2 T1 1 T1 t1 T2 T1 t1 另一方面， NTU 2 K
K NTU1 ms1 ms1c p1 又 CR1 CR1 ms 2c p 2
1
t 2 53.4C
Q Kd1l逆tm逆
l逆 1.56m
浙江大学化学工程研究所
本章习题和小结 t 1 =2 0 ℃
并流时： Q、t2、K与逆流时相同
油 216kg/h T 1 =150 ℃ c p=2.0 kJ/kgK ， 2 2 =1.5 kW/m K
水
1
2
=3.5kW/m K c p =4.187 kJ/kgK 216kg/h
2 CR1 CR 2 t2 t1 由Q ms 2c p 2 t2 t1 Q 由于 2 , t2 t1 2 T1 t1 t2 T1 t1 浙江大学化学工程研究所
定性分析与定量计算
例2：一套管换热器用饱和水蒸汽加热某液体。 （1）保持t1、ms2不变，当饱和蒸汽的压力增大时， Q、t2怎样变化？ （2） 保持t1和蒸汽压力不变，ms2增大时， Q、t2怎样变化？
K 666.7 W / m K 150 80 100 20 74.9C t
2
m
80 C
20 C
ln
150 80 100 20
Q ms1c p1 150 100 ms 2c p 2 80 20 ms1c p1 ms 2c p 2
t 1 =20 ℃
K 0.894kW m 2 K
(以外表面为基准)
2.0150 80 4.187t 2 20
化工原理传热过程的计算
K 700～1800
300～800 200～500 50～300
100～350 50～250 10～60
两流体 气体－气体 蒸气冷凝－气体 液体沸腾－液体 液体沸腾－气体 水蒸气冷凝－水 有机物冷凝－有机物 水蒸气冷凝－水沸腾 水蒸气冷凝－有机物沸腾
K 10～40 20～250 100～800 10～60 1500～4700 40～350 1500～4700 500～1200
Q ─ 热流体放出或冷流体吸收的热量，W； qm1,qm2 ─ 热冷流体的质量流量，kg/s； h1,h2 ─ 冷流体的进出口焓，J/kg； H1,H2 ─ 热流体的进出口焓， J/kg 。
1.无相变，且Cp可视为常数
热量衡算式：
Q qm1c p1 T1 T2 qm2cp2 t2 t1
式中： cp1,cp2 ── 热冷流体的比热容， J/(kg·℃) ； t1,t2 ── 冷流体的进出口温度， ℃ ； T1,T2 ── 热流体的进出口温度， ℃ 。
1 K
1
1
Rd1
b
Rd 2
1
2
当传热壁热阻很小，可忽略，且流体清洁，污
垢热阻液可忽略时，则：
11 1
K 1 2
（7）换热器中总传热系数的经验值
两流体 水－水 有机物－水
有机物粘度μ<0.5mPa·s μ＝0.5~1.0mPa·s μ>1.0mPa·s
有机物－有机物 冷流体粘度μ<1.0mPa·s μ>1.0mPa·s
2.有相变时
2.1 饱和蒸汽冷凝：
Q qm1r qm2c p2 t2 t1
r ─热流体的汽化潜热，kJ/kg；
2.2 冷凝液出口温度T2低于饱和温度TS :
第5章 化工原理 传热学
(6)
总推动力 总热阻
(7)
推广至n层平壁，多层平壁的热传导速率方程式 t tn 1 t Q 1 bi R S 温差与热阻的关系： i
(8)
各层的温差与热阻成正比，温差越大，热阻越大。
5.2.4 圆筒壁的稳定热传导
（1）单层圆筒壁的稳定热传导
5.2 热传导
5.2.1 傅里叶定律 5.2.2 热导率 5.2.3 平壁的稳定热传导 5.2.4 圆筒壁的稳定热传导
5.2.1傅里叶定律
温度场
温度的分布状况。
等温面和等温线 温度梯度 沿等温面法线方向的温度的变化率。
gradt lim
熔盐加热系统是管道 化溶出的关键工序，管道 化溶出工艺中，氧化铝矿 浆加热过程全部在多套管 中完成。
氧化铝管道化溶出 alumina tube digestion
回转窑：有气体流动、燃料燃烧、热 量传递和物料运动等过程所组成的。 回转窑使燃料能充分燃烧，燃料燃 烧的热量能有效的传给物料，物料 接受热量后发生一系列的物理化学 变化，最后形成成品熟料。
推广至 n 层圆筒壁， 多层圆筒壁的热传导速率方程式
Q t1 t n / r ) i 2li i 1
(12)
多层圆筒壁热传导
5.3 两流体间的热量传递
5.3.1 两流体通过间壁传热的分析 5.3.2 传热速率和传热系数 5.3.3 传热温差和热量衡算 5.3.4 复杂流向时的平均温差
q
dQ dA
(1)
传热速率=传热推动力(温度差) /传热热阻
（4）稳态传热和非稳态传热
稳态传热
物理量不随时间而变
Q, q, T f ( x, y, z )
化工原理讲稿(中国石油大学)第五章 传热3
热流体放出热量： Q1 m1[ 1 c p ,1 T1 T2 ] 冷流体吸收热量： Q2 m2 [ 2 c p , 2 t 2 t1 ] 能量守恒： Q1＝Q2+Qf
Qf=0
Q1＝Q2
第五节 两流体间的传热计算
例： 在一套管换热器中，用冷却水将1.25kg/s的
第五节 两流体间的传热计算
四、 总传热系数K
总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体物 性对传热过程的影响。
物理意义：
Q K A t m
表征间壁两侧流体传热过程的强弱程度。 K = f（流体物性、操作条件、换热器本身特性等）
第五节 两流体间的传热计算
㈠ 传热系数K 的确定方法
T t m Q
1 K x Ax
推动力 阻力
－－传热速率方程式
Q K x Ax T t m
第五节 两流体间的传热计算
1 1 1 K x A x i Ai Am o Ao
平壁：Ai=Am=Ao
Q = K· A· △tm
圆筒壁：Ai≠Am≠Ao
Q = Ki· Ai· △tm= Km· Am· △tm =Ko· Ao· △ tm
1 1 Ko o
Ko o
若αo >>αi，1/αo可忽略，此时有：
1 1 Ki i
Ki i
第五节 两流体间的传热计算
结论：
称1/αo 或1/αi 称为控制热阻，即α小一侧的热阻对传热起决定性作用， 如水蒸汽和空气换热；
当存在控制性热阻时，K 值总是接近α小的值； 当存在控制性热阻，壁温(Tw、tw)总是接近于α大的流体主体温度 欲有效提高 K 值，应采取措施提高控制性热阻侧的α。
化工原理--传热 ppt课件
• 气体的λ很小，有利于保温；气体的λ随温度升高而增大；
• 一般情况下，气体的λ与压力无关； 导热系数大致范围：
金属：2.3~420 W/m.K； 建筑材料： 0.25~3 W/m.K；
绝缘材料： 0.025~0.25 W/m.K； 液体： 0.09~0.6 W/m.K；
ppt课件
15
气体：0.006~0.4 W/m.K
稳态温度场： tf(x ,y ,z)
•等温面：温度相同的点组成的面，等温面彼此不相交。
2. 温度梯度
lim t t •温度梯度的方向垂直于等 n0 n n 温面，以温度增加方向为正。
3. 傅立叶定律--热传导的基本定律 •单位实际时间内传导的热量与温度梯度和导热面积成正比。
dQ ldA t
n
传热方向与温度梯度方p向pt课相件 反
• 利用余热，以降低能耗；
•绝热
醋酸乙烯气体
冷油
冷凝器
冷凝器
醋酸气体 加热器
乙炔气体
反
精
精醋酸
应
粗醋酸 馏
乙烯液
器
乙烯液体 塔
体产品
200℃
150℃
热油
ppt课件
9
2. 传热的三种基本方式
一、热传导（conduction)
• 依靠物体中微观粒子的热运动而传热；
• 特点：物体内部无宏观运动，靠物体各部分的直接接触产 生热量传递；
稳定导热时，通过各层热量相等：
Q
l1A
t1 t 2 b1
t1 b1
t1 R1
l1A
l2A
t2 t3 b2
t2 b2
t2 R2
l2A
l3A
t3 t4 b3
化工原理_15传热过程概述
16
热辐射
热辐射
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递 称为热辐射。 1. 可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。
2. 不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形 式的转换。
3. 任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐 射能，但仅当物体的温度较高、物体间的温度 差较大时，辐射传热才能成为主要的传热方式。
t1 tn 1 Q bi S i
32
二、多层平壁的一维稳态热传导
接触热阻
因两个接触表面粗糙不平而产生的附加热阻。
接触热阻包括通过实际接触面的导热热阻和 通过空穴的导热热阻（高温时还有辐射传热）。
接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触 面上压力等因素有关，可通过实验测定。
33
二、多层平壁的一维稳态热传导
第五章 传 热
学习目的 与要求
通过本章学习，掌握传热的基本原理和规律 ，并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程 的有关问题。
1
第五章 传 热
5.1 传热过程概述
2
概述
传热
热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热 量传递，简称传热。 化工生产中对传热过程的要求 一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。 二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以 减少热损失。
对流
对流是由流体内部各部分质点发生宏观运 动和混合而引起的热量传递过程 对流传热 在化工生产中特指流体与固体壁面之间的 热量传递过程。
14
对流
对流传热速率可由牛顿冷却定律描述
dQ t dS
微分对流 传热通量 对流传 热系数 温度差
15
第五章 传 热
5.1 传热过程概述 5.1.1 热传导及导热系数 5.1.2 对流 5.1.3 热辐射
化工原理课程设计 换热器的设计
摘要换热器的应用贯彻化工生产过程的始终，换热器换热效果的好坏直接影响化工生产的质量和生产效益。
所以换热器是非常重要的化工生产设备,在化工领域中，它扮演着主力军的身份，它是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在化工设备中占大约50%以上的比重。
既然换热器在化工生产中扮演如此重要的角色，那么如何设计出换热效果好，设备健全合理，三废排放量更低，能源利用率更高，经济效益高的换热器是我们从事化工行业工作人员刻不容缓的职责。
为了完成年产 2.8万吨酒精的生产任务，设计换热器的总体思路：在正常的生产过程中，利用塔底的釜残液作为加热介质在塔底冷却器中进行第一次预热，然后用少量的水蒸汽便可在预热器中使原料液达到预期的温度进入精馏塔中。
塔顶酒精蒸汽经过全凝器，利用循环冷却水作为冷却介质使酒精蒸汽转为液体。
最后，在塔顶冷却器中再次用冷却水使其降到25。
C输送到储装罐中。
关键词：冷却器；再沸器；全凝器；对流传热系数；压降；列管式换热器；离心泵。
目录第一章换热器的设计..............................................1.1概述 .............................................................1.1.1流程方案的确定..............................................1.1.2 加热介质、冷却介质的选择 ...................................1.1.3 换热器类型的选择 ...........................................1.1.4 流体流动空间的选择 .........................................1.1.5 流体流速的确定 .............................................1.1.6换热器材质的选择............................................1.1.7换热器壁厚的确定............................................1.2.固定管板式换热器的结构...........................................1.2.1管程结构....................................................1.2.2壳程结构....................................................1.3 列管换热器的设计计算.............................................1.3.1 换热器的设计步骤 ...........................................1.3.2 计算所涉及的主要公式 ....................................... 第二章设计的工艺计算 ............................................2.1 全塔物料恒算.....................................................2.2 原料预热器的设计和计算...........................................2.2.1 确定设计方案 ...............................................2.2.2 根据定性温度确定物性参数 ...................................2.2.3换热器的选择................................................2.3塔顶全凝器的设计和计算 ...........................................2.3.1确定设计方案................................................2.3.2 根据定性温度确定物性参数 ...................................2.2.3 换热器的选择 ...............................................2.4 塔顶冷却器的设计.................................................2.4.1 确定设计方案 ...............................................2.4.2 根据定性温度确定物性参数 ...................................2.4.3 换热器的选择 ...............................................2.5 塔底冷却器的设计.................................................2.5.1 确定设计方案 ...............................................2.5.2 根据定性温度确定物性参数 ...................................2.5.3 换热器的选择 ...............................................2.6 再沸器的设计.....................................................2.6.1 确定设计方案 ...............................................2.6.2 根据定性温度确定物性参数 ...................................2.6.3再沸器的工艺计算............................................ 第三章附录 .....................................................................................................................................符号说明............................................................. 第四章设计感想..................................................................................................................... 参考文献............................................................第一章换热器的设计1.1概述工业生产过程，两种物料之间的热交换一般是通过热交换器完成的，所以换热器的设计就显的尤为重要。
柴诚敬化工原理课后答案(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 Lt t SQ 21-=λ 式中 W 50W 1005.0=⨯==IV Qm 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 λ2．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 23221211b t t S b t t SQ -=-=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)0003.025.1(-+=-+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则 ()22111m W 2017m W 4.09771500543.1=-⨯=-=b t t S Q λ3．外径为159 mm 的钢管，其外依次包扎A 、B 两层保温材料，A 层保温材料的厚度为50 mm ，导热系数为0.1 W /(m·℃)，B 层保温材料的厚度为100 mm ，导热系数为1.0 W /(m·℃)，设A 的内层温度和B 的外层温度分别为170 ℃和40 ℃，试求每米管长的热损失；若将两层材料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少？解：()()mW 150m W 100159100502159ln 0.11159502159ln 1.014017014.32ln 21ln 2123212121=++⨯++⨯+-⨯⨯=+-=r r r r t t L Q πλπλA 、B 两层互换位置后，热损失为()()mW 5.131m W 100159100502159ln 1.01159502159ln 0.114017014.32ln 21ln 2123212121=++⨯++⨯+-⨯⨯=+-=r r r r t t L Q πλπλ4．直径为57mm 3.5φ⨯mm 的钢管用40 mm 厚的软木包扎，其外又包扎100 mm 厚的保温灰作为绝热层。
矿大北京化工原理4-5传热过程的计算
d ( t ) t1 t 2 dQ Q
将总传热速率微分方程代入上式，则有：
d (t ) t1 t 2 K td A Q
由于K为常量，积分上式有：
1 K
t2 t1
d (t ) t 2 t1 t Q
总传热系数必须和所选择的传热面积相对应， 选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。
dQ=K1(T-t)dA1=K2(T-t)dA2=Km(T-t)dAm
式中 K1、K2 、Km——基于管热侧表面积、冷侧外表面积、平
均表面积 的总传热系数， w/（m2·℃ ） A1 、 A2 、 Am—— 换热器热侧表面积、冷侧表面积、平 均表面积， m2
（2）2提高一倍时：
1 d2 b d2 1 K 1d 1 d m 2
0.0003125 0.00006173 1 / 50 2 0.01037
K 96.4 W m 2 K 1
（3） 1提高一倍时：
1 d2 b d2 1 K 1d 1 d m 2 0.0003125 / 2 0.00006173 0.02 0.02022 K 49.5 W m 2 K 1
2.1 总传热系数的计算式
总传热系数为： K (或 K 2 )
1 1 d2 bd 2 1d 1 d m 2
同理，可得以内表面 A1 以及 Am 为传热基准的总 传热系数：
1 K1 bd 1 d1 1 1 d m 2d 2
Km dm dm 1d 1 2 d 2 1 b
冷流体
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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
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dQo
t wc tc 1 o dAo
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(5-2b)
8
(5-2c)
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h wh wc c
5.1 传热过程分析
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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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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
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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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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