传热基本方程及传热计算之欧阳化创编

第三节 传热基本方程及传热计算

时间：2021.02.06 创作：欧阳化 从传热基本方程

QkAtm （４－１１） 或

tm传热推动力Q1传热热阻kA （４－１１

ａ）

可知，要强化传热过程主要应着眼于增加推动力和减少热阻，也就是设法增大tm或者增大传热面积Ａ和传热系数Ｋ。

在生产上，无论是选用或设计一个新的换热器还是对已有的换热器进行查定，都是建立在上述基本方程的基础上的，传热计算则主要解决基本方程中的Q,A,K,tm及有关量的计算。传热基本方程是传热章中最主要的方程式。 一、传热速率Ｑ的计算

冷、热流体进行热交换时，当热损失忽略，则根据能量守恒原理，热流体放出热量Qh，必等于冷流体所吸收的热量Qc，即QnQc，称之热量衡算式。

1． 1． 无相变化时热负荷的计算 （1） （1） 比热法

QmhcphT1T2 mccpct2t1 （4-12） 式中 Q——热负荷或传热速率，J.s或W； mh,mc——热、冷流体的质量流量，kg.s；

-1

-1

欧阳化创编 2021.02.06

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cpc,cph——冷、热流体的定压比热，取进出口流体温度的算术平均值下的比热，

-1

kＪ.（kg.k）；

T1,T2——热流体进、出口温度，Ｋ（°C）； t1,t2－冷流体的进出口温度，Ｋ（°C）。

（２）热焓法

Qm(I1I2) （４－１３）

-1

式中 I1——物料始态的焓，kＪ.kg；

-1

I2——物料终态的焓，kＪ.kg。

２．有相变化时热负荷计算

QGr （４－１４）

-1

式中 G——发生相变化流体的质量流量，kg.s；

-1

r——液体汽化（或蒸汽冷凝）潜热，kＪ.kg。

注意：在热负荷计算时，必须分清有相变化还是无相变化，然后根据不同算式进行计算。对蒸汽的冷凝、冷却过程的热负荷，要予以分别计算而后相加。

当要考虑热损失时，则有：

（2~5%）Qh 通常在保温良好的换热器中可取Q损三、平均温度差tm的计算

在间壁式换热器中，tm的计算可分为以下几种类型：

１．１．两侧均为恒温下的传热

两侧流体分别为蒸汽冷凝和液体沸腾时，温度不变，则：tm＝Ｔ－t＝常数

２．２．一侧恒温一侧变温下的传热 可推得计算式为：

Tt1Tt2t1t2tm ５）

lnTt1Tt2lnt1t2 （４－１

欧阳化创编 2021.02.06

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式中tm为进出口处传热温度差的对数平均值，温差大的一端为t1，温差小的一端为t2，从而使上式中分子分母均为正值。

当t1／t2２时，则：，即可用算术平均值。

３．３．两侧均为变温下的稳定传热

其计算式与式（４－１５）完全一致。

４．４．复杂流动时tm的计算

tmt1t22流体是复杂错流和折流时，其tm的计算较为复杂，一般用下式计算：

tm系tm逆t （4-16） 式中 tm逆——为按逆流操作情况下的平均温度差,

t——为校正系数，为P，R两因数的函数，即：t=f（P，R），对于各种换热情况下的t值，可在有关手册中查到。

tm的计算要注意：

（1） 计算通常用式（4-15）所示的对数

平均温度差，当t1／t2２时，可用算术平均值代替。

（2） （2） 为避免不同操作条件下的计算错误，最好用图

示出流动方向并注明温度：

T1 逆流 T2

（1）

（3）当冷、热流体操作温度一定时，tm逆总大于tm并。当要求传热速率一定时，逆流所需的设备投资费用及操作费用均少于并流，故工业生产的换热设备一般采用逆流操作。

四、总传热系数K的确定

总传热系数K值有三个来源：一是选取经验值 ；二是实验测定值；三是计算。 １． １． 换热器中总传热系数数值的大致范围

欧阳化创编 2021.02.06

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换热器中总传热系数K值，可参看天津大学编《化工原理》上册，P239表4-2及谭天恩等三人编《化工原理》上册P232表5-3。K值变化范围很大，选取K值时应注意换热器型式及冷热介质均符合要求。

2． 2．现场测定总传热系数

根据传热速率方程式QKAtm，当传热量Q、传热面积A及平均温度差tm为已知时，则可测出某换热设备在该工艺条件下的K值。

3． 3． 总传热系数的计算

两流体通过间壁的传热过程是由热流体对管壁对流—管壁热传导—管壁对冷流体的对流所构成的串联传热过程，利用串联热阻的关系，即可导出总传热系数K的计算式。

若以传热管外表面积A0A0d0L为基准，其对应的总传热系数K0为：

K011A0bA01iAiAm0

（4-17）

同理，若以传热管内表面积AiAidiL为基准，其对应的

Ki11bAi1AiiAm0A011d0bd01ididm0总传热系数Ki为：

 热系数K为

m （4-18）

若以传热管壁的平均面积AmAmdmL为基准，其对应的总传

11bdi1diidm0d0欧阳化创编 2021.02.06

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Km1b1Am1AmiAi0A01b （4-19）

由此可见，所取基准传热面积不同，K值也不同，即

K0KmKi。

1dm1dmidi0d0 当传热面积为平壁时，则：A0AiAm，此时的总传热系数K为：

K1 当壁阻为：

b011b1i （4-20）

b较

10,i小的多时，

111可忽略不计，此时K

K0i （4-21）

注意：

（1）总传热系数和传热面积的对应关系。所选基准面积不同，总传热系数的数值也不同。手册中所列的K值，无特殊说明，均视为以管外表面为基准的K值。

（2）管壁薄或管径较大时，可近似取A0AiAm，即圆筒壁视为平壁计算。

（3）总传热系数K值比两侧流体中α值小者还小。

（4）当0i时，壁阻可忽略不计时，则K0且

当i0时，壁阻可忽略不计时，则Ki且

由此可知，总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制的，即两个对流传热系数相差较大时，要提高K值，关键在于提高α较小的；若两侧α相差不大时，则必须同时提高两侧的α值，才能提高K值。

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五、污垢热阻

污垢的存在，将增大传热阻力，污垢热阻一般由实验测定，其数值范围可参看天津大学编《化工原理》上册附录二十二及谭天恩等三人编《化工原理》上册表5-2。对传热面按平壁处理时，其总的热阻为：

11b1Rd0Rdii K0 （4-19）

式中Rd0,Rdi为管壁两侧的流体的污垢热阻。

六、壁温的计算 壁温可按下式计算：

TwTtwTwQhAhbQAm （4-20） （4-21）

（4-22）

壁温总是接近对流传热系数值大的一侧流体的温度。壁温的具体计算过程需进行试差。

时间：2021.02.06 创作：欧阳化 twtQcAc欧阳化创编 2021.02.06