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。
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，确定换热器传热面积；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。但是，无论那种类型的计算，都是以热量衡算和总传热速率方程为基础的。
一、能量衡算
对于间壁式换热器做能量衡算，以小时为基准，因系统中无外功加入，且一般位能和动能项均可忽略，故实质上为焓衡算。
假设换热器绝热良好，热损失可以忽略时，则在单位时间内换热器中热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量，即
对于微元面积，其热量衡算式为
(4-30)
式中
──流体的质量流量，kg/h 或 kg/s；
──流体的焓，kJ/ kg。
对于整个换热器，其热量衡算式为
(4-30a) 式中──换热器的热负荷，kJ/h 或 kW。
下标h和c分别表示热流体和冷流体。下标1和2分别表示换热器的进口和出口。
若换热器中两流体均无相变，且流体的比热容不随温度变化或可取流体平均温度下的比热容时，式4-30、式4-30a可分别表示为
(4-31)
(4-31a) 式中
──流体的定压比热容，kJ/(kg·℃) ；
──冷流体的温度，℃；
──热流体的温度，℃。
若换热器中流体有相变，例如饱和蒸汽冷凝时，则式4-31a可表示为
(4-32)
式中
──饱和蒸汽的冷凝速率，kg/h或kg/s；
──饱和蒸汽的汽化热，kJ/kg。
式4-32的应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器，若冷凝液的温度低于饱和温度时，则式4-32变为
(4-33) 式中──冷凝液的定压比热容，kJ/(kg·℃)
──冷凝液的饱和温度，℃。
二、总传热速率微分方程和总传热系数
原则上，据导热速率方程和对流传热速率方程可进行换热器的传热计算。但是，采用上述方程计算冷、热流体间的传热速率时，必须知道壁温，而实际上壁温往往是未知的。为便于计算，需避开壁温，而直接用已知的冷、热流体的温度进行计算。为此，需要建立以冷、热流体温度差为传热推动力的传热速率方程，该方程即为总传热速率方程。
（一）总传热速率方程的微分形式
冷、热流体通过任取一微元面积的间壁传热过程的传热速率方程，可以仿照牛顿冷却定律写出，即
(4-34) 式中
──局部总传热系数，W/(m2·℃) ；
──换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃；
──换热器的任一截面上冷流体的平均温度，℃。
式4-34为总传热速率微分方程，该方程又称传热基本方程，它是换热器传热计算的基本关系式。由该式可得出局部总传热系数表示单位传热面积，单位传热温差下的传热速率，它反应了传热过程的强度。
应予指出，当冷、热流体通过管式换热器进行传热时，沿传热方向传热面积是变化的，此时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。因此，式4-34可表示为
(4-35)
式中──基于管内表面积、外表面积、平均表面积的总传热系数，
W/(m2·℃)；
、、──管内表面积、外表面积、平均表面积，m2。
由式4-35可知，在传热计算中，选择何种面积作为计算基准，结果完全相同。但工程上大多以外表面积作为基准，故后面讨论中，除特别说明外，都是基于外表面积的总传热系数。
比较式4-35可得
（4-36）
（4-36a）式中、、──管内径、外径、平均直径，m。
（二）总传热系数
总传热系数K（简称传热系数）是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。K的数值取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等，因而K值变化范围很大。某些情况下，列管换热器的总传热系数K的经验值列于表4-6，可供参考。
表4-6 列管式换热器中的总传热系数K的经验值
冷流体热流体总传热系数K，W/(m2.℃)水水850～1700
水气体17～280
水有机溶剂280～850
水轻油340～910
水重油60～280
有机溶剂有机溶剂115～340
水水蒸气冷凝1420～4250
气体水蒸气冷凝30～300
水低沸点烃类冷凝455～1140
水沸腾水蒸气冷凝2000～4250
轻油沸腾水蒸气冷凝455～1020 K的来源主要有以下几个方面。
1．总传热系数的计算
（1）总传热系数计算公式总传热系数计算公式可利用串联热阻叠加的原理导出。当冷、热流体通过间壁换热时，其传热机理如下：
①热流体以对流方式将热量传给高温壁面；
②热量由高温壁面以导热方式通过间壁传给低温壁面；
③热量由低温壁面以对流方式传给冷流体。
由此可见，冷、热流体通过间壁换热是一个"对流-传导-对流"的串联过程。对稳态传热过程，各串联环节速率必然相等，即
(4-37)
或
(4-37a)
式中
──间壁内侧、外侧流体的对流传热系数，W/(m2·℃) ；
── 间壁与热流体接触一侧的壁面温度，℃；
── 间壁与冷流体接触一侧的壁面温度，℃；
λ── 间壁的导热系数，W/(m·℃)；
── 间壁的厚度，m。
根据串联热阻叠加原理，可得
上式两边均除以dSo，可得
（4-38）
比较式4-35和4-38，得
（4-39）
同理可得
(4-39a)
(4-39b)
式4-39、式4-39a、式4-39b即为总传热系数的计算式。总传热系数也可以表示为热阻的形式。由式4-39得
(4-40)
（2）污垢热阻换热器在实际操作中，传热表面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，该热阻称为污垢热阻。通常污垢热阻比传热壁的热阻大得多，因而设计中应考虑污垢热阻的影响。影响污垢热阻因素很多，如物料的性质，传热壁面的材料，操作条件、设备结构、清洗周期等。
由于污垢层的厚度及其导热系数难以准确地估计，因此通常选用一些经验值，某些常见流体的污垢热阻的经验值列于附录中。
设管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别为
第四章循环流化床锅炉炉内传热计算 循环流化床锅炉炉膛中的传热是一个复杂的过程，传热系数的计算精度直接影响了受热面设计时的布置数量，从而影响锅炉的实际出力、蒸汽参数和燃烧温度。正确计算燃烧室受热面传热系数是循环流化床锅炉设计的关键之一，也是区别于煤粉炉的重要方面。 随着循环流化床燃烧技术的日益成熟，有关循环流化床锅炉的炉膛传热计算思想和方法的研究也在迅速发展。许多著名的循环流化床制造公司和研究部门在此方面也做了大量的工作，有的已经形成商业化产品使用的设计导则。 但由于技术保密的原因，目前国内外还没有公开的可以用于工程使用的循环流化床锅炉炉膛传热计算方法，因此对它的研究具有重要的学术价值和实践意义。 清华大学对CFB锅炉炉膛传热作了深入的研究，长江动力公司、华中理工大学、浙江大学等单位也对CFB锅炉炉膛中的传热过程进行了有益的探索。根据已公开发表的文献报导，考虑工程上的方便和可行，本章根椐清华大学提出的方法，进一步分析整理，作为我们研究的基础。为了了解CFB锅炉传热计算发展过程，也参看了巴苏的传热理论和计算方法，浙江大学和华中理工大学的传热计算与巴苏的相近似。 4.1 清华的传热理论及计算方法 4.1.1 循环流化床传热分析 CFB锅炉与煤粉锅炉的显著不同是CFB锅炉中的物料(包括煤灰、脱硫添加剂等)浓度C p 大大高于煤粉炉，而且炉内各处的浓度也不一样，它对炉内传热起着重要作用。为此首先需要计算出炉膛出口处的物料浓度C p，此处浓度可由外循环倍率求出。而炉膛不同高度的物料浓度则由内循环流率决定，它沿炉膛高度是逐渐变化的，底部高、上部低。近壁区贴壁下降流的温度比中心区温度低的趋势，使边壁下降流减少了辐射换热系数；水平截面方向上的横向搅混形成良好的近壁区物料与中心区物料的质交换，同时近壁区与中心区的对流和辐射的热交换使截面方向的温度趋于一致，综合作用的结果近壁区物料向壁面的辐射加强，总辐射换热系数明显提高。在计算水冷壁、双面水冷壁、屏式过热器和屏式再热器时需采用不同的计算式。物料浓度C p对辐射传热和对流传热都有显著影响。燃烧室的平均温度是床对受热面换热系数的另一个重要影响因素。床温的升高增加了烟气辐射换热并提高烟气的导热系数。虽然粒径的减小会提高颗粒对受热面的对流换热系数，在循环流化床锅炉条件下，燃烧室内部的物料颗粒粒径变化较小，在较小范围内的粒径变化时换热系数的变化不大，在进行满负荷传热计算时可以忽略，但在低负荷传热计算时，应该考虑小的颗粒有提高传热系数的能力。 炉内受热面的结构尺寸，如鳍片的净宽度、厚度等，对平均换热系数的影响也是非常明显的。鳍片宽度对物料颗粒的团聚产生影响；另一方面，宽度与扩展受热面的利用系数有关。根
1. 传热学的发展概述 18世纪30年代首先从英国开始的工业革命促进了生产力的空前发展。生产力的发展为自然科学的发展成长开辟了广阔的道路。传热学这一门学科就是在这种大背景下发展成长起来的。导热和对流两种基本热量传递方式早为人们所认识，第三种热量传递方式则是在1803年发现了红外线才确认的，它就是热辐射方式。在批判“热素说”确认热是一种运动的过程中，科学史上的两个著名实验起着关键作用。其一是1798年伦福特(B ．T ．Rumford)钻炮筒大量发热的实验，其二是 1799年戴维(H ．Davy)两块冰块摩擦生热化为水的实验。确认热来源于物体本身内部的运动开辟了探求导热规律的途径。1804年毕渥根据实验提出了一个公式，认为每单位时间通过每单位面积的导热热量正比例于两侧表面温差，反比例于壁厚，比例系数是材料的物理性质。傅里叶于1822年发表了他的著名论著“热的解析理论”，成功地完成了创建导热理论的任务。他提出的导热定律正确概括了导热实验的结果，现称为傅里叶定律，奠定了导热理论的基础。他从傅里叶定律和能量守恒定律推出的导热微分方程是导热问题正确的数学描写，成为求解大多数工程导热问题的出发点。他所提出的采用无穷级数表示理论解的方法开辟了数学求解的新途径。傅里叶被公认为导热理论的奠基人。在傅里叶之后，导热理论求解的领域不断扩大。同样，自1823年M. Navier 提出流动方程以来，通过1845 年 G.G. Stokes 的改进，完成了流体流动基本方程的创建任务。流体流动理论是更加复杂的对流换热理论的必要前提，1909和1915年W. Nusselt 开辟了在无量纲数原则关系正确指导下，通过实验研究对流换热问题的一种基本方法。1904 年，L. Prandtl 提出的对流边界层理论使流动微分方程得到了简化，1921年 E. Pohlhausen 基于流动边界层理论引进了热边界层的概念，为对流传热微分方程的理论求解建立了基础。在辐射传热研究方面，19世纪J. Stefan 根据实验确定了黑体辐射力正比于它的绝对温度的四次方的规律，1900年M.Planck 提出的量子假说奠定了热辐射传热理论基础。上述传热理论为传热分析解析、数值以及实验研究奠定了理论基础。还要特别提到的是，由于计算机的迅速发展，用数值方法对传热问题的分析研究取得了重大进展，在20世纪70年代已经形成一个新兴分支—数值传热学。近年来，数值传热学得到了蓬勃的发展[2-4]。 2. 传热分析计算理论 热量传递主要有三种传递形式，分别是热传导、热对流和热辐射。热传导是指两个相互接触良好的物体之间的能量交换或一个物体由于其自身温度梯度而 引起的内部能量的传递。其遵循傅里叶定律[5]：dT q dx λ=-，其中λ是热导率， dT dx 是温度梯度，q 是热流密度。热对流是指在物体与其周围介质之间发生的热量交换。热对流分为自然对流和强制对流，用牛顿冷却方程描述为()w f q h t t =-，其中h 为表面传热系数，w t 为物体表面的温度，f t 为物体周围流体的温度。一个 物体或两个物体之间通过电磁波形式进行的能量传递交换称为热辐射，通常由斯
第2章工艺计算 2.1设计原始数据 表2—1 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 l （9）选取管长 （10）计算管数 N T （11）校核管流速，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。
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 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
第五节 传热过程的计算 化工生产中广泛采用间壁换热方法进行热量的传递。间壁换热过程由固体壁的导热和壁两侧流体的对流传热组合而成，导热和对流传热的规律前面已讨论过，本节在此基础上进一步讨论传热的计算问题。 化工原理中所涉及的传热过程计算主要有两类：一类是设计计算，即根据生产要求的热负荷，确定换热器的传热面积；另一类是校核计算，即计算给定换热器的传热量、流体的流量或温度等。两者都是以换热器的热量衡算和传热速率方程为计算基础。 4-5-1 热量衡算 流体在间壁两侧进行稳定传热时，在不考虑热损失的情况下，单位时间热流体放出的热量应等于冷流体吸收的热量，即： Q=Q c =Q h （4-59） 式中 Q ——换热器的热负荷，即单位时间热流体向冷流体传递的热量，W ； Q h ——单位时间热流体放出热量，W ； Q c ——单位时间冷流体吸收热量，W 。 若换热器间壁两侧流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时，式（4-59）可表示为 ()()1221t t c W T T c W Q pc c ph h -=-= （4-60） 式中 c p ——流体的平均比热容，kJ/（kg ·℃）； t ——冷流体的温度，℃； T ——热流体的温度，℃； W ——流体的质量流量，kg/h 。 若换热器中的热流体有相变化，例如饱和蒸气冷凝，则 ()12t t c W r W Q pc c h -== （4-61） 式中 W h ——饱和蒸气（即热流体）的冷凝速率，kg/h ； r ——饱和蒸气的冷凝潜热，kJ/kg 。 式（4-61）的应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。若冷凝液的温度低于饱和温度时，则式（4-61）变为 ()[] ()122t t c W T T c r W Q pc c s ph h -=-+= （4-62） 式中 c ph ——冷凝液的比热容，kJ/（kg ·℃）； T s ——冷凝液的饱和温度，℃。 4-5-2 总传热速率微分方程 图4-20为一逆流操作的套管换热器的微元管段d L ，该管段的内、外表面积及平均传热面积分别为d S i 、d S o 和d S m 。热流依次经过热流体、管壁和冷流体这三个环节，在稳定传热
6mm+9A+6mmLow-e中空玻璃K(U)值计算书 1、计算公式及取值 P r=μc /λ 式中μ——动态黏度，取1.761×10-5kg/（m?s）； c——比热容，空气取 1.008×103J/（kg?K）、氩气取0.519×103J/（kg?K）； λ——导热系数，空气取2.496×10-2W/（m?K）、氩气取1.684×10-2W/（m?K）。 G r=9.81s 3ΔTρ2/Tmμ2 式中s——中空玻璃的气层厚度（m）； ΔT ——外片玻璃表面温差，取15K； ρ——密度，空气取1.232kg/m3、氩气取1.669 kg/m3； T m——玻璃的平均温度，取283K； μ——动态黏度，空气取1.761×10-5kg/（m?s）、氩气取2.164×10-5kg/（m?s）。 N u= 0.035（G r Pr）0.38，如计算结果Nu＜1，取Nu=1。 H g= N u λ/s W/（m2?K） H T =4σ（1/ε1+1/ε2-1）-1×Tm 3 式中σ——常数，取5.67×10-8 W/（m2?K4）； ε1 ——外片玻璃表面的校正辐射率； ε2 ——内片玻璃表面的校正辐射率；
ε1、ε2取值： 普通透明玻璃τν＞15% 0.837 （GB/T2680表4） 真空磁控溅射镀膜玻璃τν≤15% 0.45 （GB/T2680表4） τν＞15% 0.70 （GB/T2680表4） LOW-E镀膜玻璃τν＞15% 应由试验取得，如无试验资料时可取 0.09~0.115。 h s = h g + h T 1/h t=1/h s+δ/ r1 式中δ——两片玻璃总厚度； r1——玻璃热阻，取1（m?K）/W。 1/U=1/h e +1/h i+1/h t 式中h e——玻璃外表面换热系数，取21（19）W/（m2?K）； h i——玻璃内表面换热系数，取8（8.7）W/（m2?K）。括号中数字为GB50176有关规定。 2、计算 P r=μc/λ=1.761×10-5×1.008×103 /2.496×10-2 =0.711 G r=9.81s3ΔTρ2/Tmμ2=9.81×0.0063×15×1.2322/283× （1.761×10-5）2= 550 N u 0.035（Gr Pr）0.38= 0.035（0.711×550）0.38=0.09 取Nu=1 H g= Nu λ/s =1×2.496×10-2/0.006=4.16 W/（m2?K） HT=4σ（1/ε1+1/ε2-1）-1×Tm 3=4×5.67×10-8×（1/0.837+1/0.10-1）-1×2833=0.504 W/（m2?K）
第三节传热基本方程及传热计算 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 t m 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。 、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。 i.i. 无相变化时热负荷的计算 (1) ( 1)比热法 Q m h c ph T 1 T 2 m c C pc t 2 11 式中 Q ――热负荷或传热速率， J .S 1或W ； mh ， mc ――热、冷流体的质量流量， kg.s -1; 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， k J . (kg.k ) -1; T 1 ，T 2——热流体进、出口温度，K(° C ); t 1 ，t 2 —冷流体的进出口温度，K(° C )。 (2) 热焓法 Q m(l 1 I 2) (4 — 13) 式中 丨 1 ――物料始态的焓，k J .kg -1； I 2 ――物料终态的焓，k J .kg -1。 2 ?有相变化时热负荷计算 Q Gr (4—14) 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， k J .kg -1。 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： 从传热基本方程 或 Q kA t m t Q m 1 kA 传热推动力 传热热阻 (4-11) (4-lla) (4-12)
4.3 热工设计 4.3.1 本系统用于外墙外保温时的保温层设计厚度，应根据《河南省公共建筑节能设计标准》（DBJ41/075-2006）、《河南省居住建筑节能设计标准（寒冷地区）》（DBJ41/062-2005）、《河南省居住建筑节能设计标准（夏热冬冷地区）》（DBJ41/071-2006）规定的外墙传热系数限值，通过热工计算确定。 4.3.2 ZCK无机复合保温板用于外墙外保温时，其导热系数（λ）、蓄热系数（S）设计计算值和修正系数按下表取值。 表4.3.2 ZCK无机复合保温板λ、S、修正系数 4.3.3 热工计算示例，以采用60mm保温板为例。 示例一：200mm混凝土剪力墙外贴60mm保温板，计算如下： Ra=R内+R1+R2+R3+R4+R外=0.11+0.0215+0.1149+1.1429+0.005+0.04=1.4343 Ka=1/R=1/1.4333=0.70W/(m2.K) 其中：R内为内表面换热阻，0.11m2.K/W； R1为水泥砂浆层热阻，0.02/0.81=0.0215 m2.K/W； R2为混凝土剪力墙层热阻，0.2/1.74=0.1149 m2.K/W； R3为保温板层热阻，0.06/（0.05*1.05）=1.1429 m2.K/W； R4为抗裂砂浆层热阻，0.005/0.93=0.005 m2.K/W； R外为外表面换热阻，0.04m2.K/W； 示例二：200mm加气混凝土砌块外贴60mm保温板，计算如下： Rb=R内+R1+R2+R3+R4+R外=0.11+0.0215+0.80+1.1429+0.005+0.04=2.1194 Kb=1/R=1/2.1194=0.47W/(m2.K) 其中：R内为内表面换热阻，0.11m2.K/W； R1为水泥砂浆层热阻，0.02/0.81=0.0215 m2.K/W； R2为加气混凝土砌块层热阻，0.2/（0.20*1.25）=0.80 m2.K/W； R3为保温板层热阻，0.06/（0.05*1.05）=1.1429 m2.K/W； R4为抗裂砂浆层热阻，0.005/0.93=0.005 m2.K/W；
1管道总传热系数 管道总传热系数是热油管道设计和运行管理中的重要参数。在热油管道稳态运行方案的工艺计算中，温降和压降的计算至关重要，而管道总传热系数是影响温降计算的关键因素，同时它也通过温降影响压降的计算结果。1.1 利用管道周围埋设介质热物性计算K 值管道总传热系数K 指油流与周围介质温差为1℃时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。当考虑结蜡 层的热阻对管道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式： （1-1）1112ln 111ln 22i i n e n w i L L D D D KD D D D ααλλ-+???? ?????=+++????????∑式中：——总传热系数，W /(m 2·℃)；K ——计算直径，m ；（对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于e D 无保温埋地管路可取沥青层外径）；——管道内直径，m ；n D ——管道最外层直径，m ；w D ——油流与管内壁放热系数，W/(m 2·℃)；1α ——管外壁与周围介质的放热系数，W/(m 2·℃)；2α ——第层相应的导热系数，W/(m·℃)；i λi ，——管道第层的内外直径，m ，其中；i D 1i D +i 1,2,3...i n =——结蜡后的管内径，m 。L D 为计算总传热系数，需分别计算内部放热系数、自管壁至管道最外径K 1α的导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数。 2α（1）内部放热系数的确定1α放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用与放热准数、自然1αu N 对流准数和流体物理性质准数间的数学关系式来表示[47]。r G r P 在层流状态（Re<2000），当时：500Pr
1 总传热速率方程 如图所示，以冷热两流体通过圆管的间壁进行换热为例，热流体走管内，温度为T，冷流体走管外温度为t，管壁两侧温度分别为T W和t w，壁厚为,b,其热导率为λ，内外两侧流体与固体壁面间的表面传热系数分别为αi和α0。根据牛顿冷却定律及傅立叶定律分别列出对流传热及导热的速率方程： 对于管内侧： 对于管壁导热: 对于管外侧: 即 故有 令（4.6.1） 则(4.1.1) 该式称为总传热速率方程。 A为传热面积，可以是内外或平均面积，K与A是相对应的。 2 热流量衡算 热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系，在换热器保温良好，无热损失的情况下，对于稳态传热过程，其热流量衡算关系为：
（热流体放出的热流量）=（冷流体吸收的热流量） 在进行热衡算时，对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。 （1）无相变化传热过程 式中 Q----冷流体吸收或热流体放出的热流量，W； m h,m c-----热、冷流体的质量流量，kg/s； C ph,C pc------热、冷流体的比定压热容，kJ/(kg·K)； T1,t1 ------热、冷流体的进口温度，K； T2,t2------热、冷流体的出口温度，K。 （2）有相变化传热过程 两物流在换热过程中，其中一侧物流发生相变化，如蒸汽冷凝或液体沸腾，其热流量衡算式为：一侧有相变化 两侧物流均发生相变化，如一侧冷凝另一侧沸腾的传热过程 式中 r,r1,r2--------物流相变热，J/kg； D,D1,D2--------相变物流量，kg/s。 对于过冷或过热物流发生相变时的热流量衡算，则应按以上方法分段进行加和计算。 3 传热系数和传热面积 （1）传热系数K和传热面积A的计算 传热系数K是表示换热设备性能的极为重要的参数，是进行传热计算的依据。K的大小取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等，K值通常可以由实验测定，或取生产实际的经验数据，也可以通过分析计算求得。 传热系数K可利用式（4.6.1）进行计算。但传热系数K应和所选的传热面积A相对应，假设和传热面积A i、A m和A0相对应的传热系数K分别为K i、K m和K0，则其相互关系为：
导热系数、传热系数、热阻值概念及热工计算方法 导热系数λ[W/(m.k)]： 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K,℃),在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米?度(W/m?K,此处的K可用℃代替)。导热系数可通过保温材料的检测报告中获得或通过热阻计算。 传热系数K [W/(㎡?K)]： 传热系数以往称总传热系数。国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K 值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度(K，℃)，1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米?度(W/㎡?K，此处K可用℃代替)。传热系数可通过保温材料的检测报告中获得。 热阻值R(m.k/w)： 热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W）。 传热阻： 传热阻以往称总热阻，现统一定名为传热阻。传热阻R0是传热系数K的倒数，即R0=1/K，单位是平方米*度/瓦（㎡*K/W）围护结构的传热系数K值愈小，或传热阻R0值愈大，保温性能愈好。 （节能）热工计算： 1、围护结构热阻的计算 单层结构热阻： R=δ/λ 式中：δ—材料层厚度(m)；λ—材料导热系数[W/(m.k)] 多层结构热阻： R=R1+R2+----Rn=δ1/λ1+δ2/λ2+----+δn/λn 式中: R1、R2、---Rn—各层材料热阻(m.k/w) δ1、δ2、---δn—各层材料厚度(m) λ1、λ2、---λn—各层材料导热系数[W/(m.k)] 2、围护结构的传热阻 R0=Ri+R+Re 式中: Ri —内表面换热阻(m.k/w)(一般取0.11) Re —外表面换热阻(m.k/w)(一般取0.04) R —围护结构热阻(m.k/w) 3、围护结构传热系数计算 K=1/ R0
第五节 传热过程的计算 化工生产中广泛采用间壁换热方法进行热量的传递。间壁换热过程由固体壁的导热和壁两侧流体的对流传热组合而成，导热和对流传热的规律前面已讨论过，本节在此基础上进一步讨论传热的计算问题。 化工原理中所涉及的传热过程计算主要有两类：一类是设计计算，即根据生产要求的热负荷，确定换热器的传热面积；另一类是校核计算，即计算给定换热器的传热量、流体的流量或温度等。两者都是以换热器的热量衡算和传热速率方程为计算基础。 4-5-1 热量衡算 流体在间壁两侧进行稳定传热时，在不考虑热损失的情况下，单位时间热流体放出的热量应等于冷流体吸收的热量，即： Q=Q c =Q h （4-59） 式中 Q ——换热器的热负荷，即单位时间热流体向冷流体传递的热量，W ； Q h ——单位时间热流体放出热量，W ； Q c ——单位时间冷流体吸收热量，W 。 若换热器间壁两侧流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时，式（4-59）可表示为 ()()1221t t c W T T c W Q pc c ph h -=-= （4-60） 式中 c p ——流体的平均比热容，kJ/（kg ·℃）； t ——冷流体的温度，℃； T ——热流体的温度，℃； W ——流体的质量流量，kg/h 。 若换热器中的热流体有相变化，例如饱和蒸气冷凝，则 ()12t t c W r W Q pc c h -== （4-61） 式中 W h ——饱和蒸气（即热流体）的冷凝速率，kg/h ； r ——饱和蒸气的冷凝潜热，kJ/kg 。 式（4-61）的应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。若冷凝液的温度低于饱和温度时，则式（4-61）变为 ()[]()122t t c W T T c r W Q pc c s ph h -=-+= （4-62） 式中 c ph ——冷凝液的比热容，kJ/（kg ·℃）； T s ——冷凝液的饱和温度，℃。 4-5-2 总传热速率微分方程 图4-20为一逆流操作的套管换热器的微元管段d L ，该管段的内、外表面积及平均传热面积分别为d S i 、d S o 和d S m 。热流依次经过热流体、管壁和
传热系数计算 散热器是一种热交换器～其热工计算的基本公式为传热方程式～其表达式为: Ф=KAΔt ,6,1, m Ф为传热量单位:W 2K为传热系数单位:W/(m〃?) A 为传热面积单位:? Δt为冷热流体间的对数平均温差单位:? m,,,从《车辆冷却传热》上可知～以散热器空气侧表面为计算基础～散热器传热系数 计算公式为: -1K=(β/h+(β×λ) +(1/η×h)+ R) ,6,2, 1管02f 式中:β为肋化系数～其等于空气侧所有表面积之和/水侧换热面积 2h为水侧表面传热系数单位:W/(m〃?) 12h为空气侧表面传热系数单位:W/(m〃?)2 2λ为散热管材料导热系数单位:W/(m〃?) 管2R为散热器水侧和空气侧的总热阻单位:,m〃?),W f η为肋壁总效率～其表达式为: 0 η=1,(×,1,η,),A ,6,3, f20 A为空气侧二次换热面积～单位:? 22 A为空气侧所有表面积之和～单位:? 2 η为肋片效率 f η,th(m×h)/ (m×h) ,6,4, fff th为双曲线函数 h为散热带的特性尺寸～即散热管一侧的肋片高度 f m为散热带参数～表达式为: 0.5 m=((2×h)/(δ×λ)),6,5, 2222h为空气侧传热系数单位:W/(m〃?) 2 δ为散热带壁厚单位:m 22λ为散热带材料导热系数单位:W/(m〃?) 2
从《传热学》上可知～表面传热系数h的公式为: 2 h= Nu×/de 单位:W/(m 〃?) ,6,6, λ为流体的热导率～对散热器～即为空气热导率 de为换热面的特性尺度～对散热器～求气侧换热系数时～因空气外 掠散热管～故特性尺度为散热管外壁的当量直径, 单位m [2]由《传热学》中外掠管束换热实验知,流体横掠管束时～对其第一排管子来说～换热情况与横掠但管相仿。 Nu=C×Re (6,7) m[3]式中C、为常数～数值见《传热学》表5.2 Re=Va×de/νa ,6,8, Va 为空气流速单位m/s 2νa为空气运动粘度单位m/s
1管道总传热系数 管道总传热系数就是热油管道设计与运行管理中得重要参数。在热油管道稳态运行方案得工艺计算中，温降与压降得计算至关重要，而管道总传热系数就是影响温降计算得关键因素，同时它也通过温降影响压降得计算结果。 1、1 利用管道周围埋设介质热物性计算K 值 管道总传热系数K 指油流与周围介质温差为1℃时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递得热量，它表示油流至周围介质散热得强弱。当考虑结蜡层得热阻对管道散热得影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式： 1112ln 111ln 22i i n e n w i L L D D D KD D D D a a l l -+轾骣犏琪桫犏=+++犏犏犏臌? （1-1） 式中：K ——总传热系数，W /(m 2·℃)； e D ——计算直径，m ；（对于保温管路取保温层内外径得平均值，对于无保温埋地管路可取沥青层外径）； n D ——管道内直径，m ； w D ——管道最外层直径，m ； 1α——油流与管内壁放热系数，W/(m 2·℃)； 2α——管外壁与周围介质得放热系数，W/(m 2·℃)； i λ——第i 层相应得导热系数，W/(m·℃)； i D ，1i D +——管道第i 层得内外直径，m ，其中1,2,3...i n =； L D ——结蜡后得管内径，m 。 为计算总传热系数K ，需分别计算内部放热系数1α、自管壁至管道最外径得 导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境得放热系数2α。（1）内部放热系数1α得确定 放热强度决定于原油得物理性质及流动状态，可用1α与放热准数u N 、自然对流准数r G 与流体物理性质准数r P 间得数学关系式来表示[47]。在层流状态（Re<2000），当Pr 500Gr 传热过程的热量衡算 热量衡算是重要的化工基本计算，不仅化工设计必须进行热量衡算，而且日常生产操作也经常要计算各个工序、设备的热量消耗和载热体的用量，目的是准确掌握能耗现状，考核各车间、班组的耗能水平，挖掘生产中的节能潜力，制定有效的节能措施。 1.热负荷Q的计算方法 生产工艺上要求换热器具有的换热能力，称为换热器的热负荷。一台能满足工艺要求的换热器，应使其传热速率等于或略大于热负荷。所以知道了换热器的热负荷，便可确定其他的传热速率。要注意，热负荷与传热速率，其数值相同或相近，但含义并不一样。 热负荷是指生产上要求换热器应具有的换热能力，传热速率则是换热器本身具有换热能力。 针对传热过程中有无相变，热负荷的计算方法有以下三种。 （1）温差法当流体在换热过程中无相变而只有温度的变化时，则热负荷计算用温差法，公式是 Q＝M*C*（T2－T1） 式中M――流体的质量，kg Q――在换热中的热量，kJ C――比热容，kJ/kg.K T2、T1――流体换热前后的温度，K （2）潜热法当流体在换热过程中公有相变化时，热负荷计算用潜热法。这种情况所传递的热量是潜热，沸腾汽化吸收的热量为汽化潜热，冷凝放出的热 量为液化潜热（即冷凝潜热）。汽化潜热的符号为R，其物理意义是质量1kg 的某物质，在一定压力下，由液体完全转变为同温度的蒸气所吸收的热量， 单位为kJ/kg；反之，则为该物质的冷凝潜热。同一种物质的冷凝潜热和汽 化潜热数值是相等。潜热法计算公式是 Q＝M*R 式中Q――同温相变时所需的热量，kJ M――流体的质量，kg R――物质的汽化潜热或冷凝潜，kJ/kg （3）焓差法焓，也称热焓，物质在某一状态下焓值，就是使物质由基准状态变为现状态时所需的热量。在热量计算中，物质在某温度下热焓的数值， 一般就是指1 kg流体由273K加热至某一指定温度（包括相变）时所需的 热量。热焓的符号为H，单位为kJ/kg。在热负荷的计算过程中，不论有无 相变都可采用焓差法。特别是在既有相变又有温度变化时，用焓差法计算 很方便。公式是 Q＝M*（H2－H1） 式中Q――换热的热量kJ M――物质的质量kg H2、H1――物质在最初、最终的热焓，kJ/kg 2.传热过程的热量计算的步骤 （1）弄清题意明确衡算的目的要求，有哪些已知的条件，根据冷、热流体有无相变，确定采用哪种方法计算Q值。 （2）画示意图把所有数据都要标在图上，用箭头表示流体进、出方向，哪些数据属于进方或出方。 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。 换热器计算步骤 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020 第2章工艺计算 设计原始数据 表2—1 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~倍 l （9）选取管长 N （10）计算管数 T （11）校核管内流速，确定管程数 D和壳程挡板形式及数量等 （12）画出排管图，确定壳径 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。 确定物性数据 定性温度 由《饱和水蒸气表》可知，蒸汽和水在p=、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。 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】 表2—2 壳程蒸气在下的物性数据[1]：【锅炉手册饱和水蒸气表】 表2—3 一、真空玻璃热导和热阻及传热系数的简单计算方法 1 ?两平行表面之间的辐射热导可由下式估算 C 辐射=￡ 有效(T (T14-T24)/(T1-T2)(1) 式中T1, T2是两表面的绝对温度，单位为K ￡有效是表面有效辐射率 T是斯忒芬-波尔兹曼(Stefan-Boltzmann) 常数，其数值为5.67 x 10-8Wm-2K-4 在两平行表面温差不大(如数十度)的条件下，可用下面公式(2)计算，误差在百分之一以内。 C辐射=4￡有效T T3 (2) T是两表面的平均绝对温度。 (1)和(2)式中￡有效为有效辐射率，由下式(3)计算： ￡ 有效=(￡ 1-1+ ￡ 2-1-1)-1 ⑶ 式中￡ 1是表面1的半球辐射率。 ￡ 2是表面2的半球辐射率。 计算例：真空玻璃的一片玻璃是4mmLow-玻璃，辐射率为0.10，另一片是4mm普通白玻，辐射率为0.84， 则可算出￡ 有效=(10+1.19-1)-1=0.098 按我国测试标准， 室内侧温度：T仁18+273=291K 室外侧温度：T2=-20+273=253K 平均温度：T=272K 公式⑵ 可简化为C辐射=4.564 ￡有效 据此可算出C辐射=0.447Wm-2K-1 R辐射=1/C 辐射=2.237W-1m2K 2 ?圆柱支撑物热导可由公式(4)计算 式中入玻为玻璃导热系数，约为0.76Wm-1K-1 h为支撑物高度，单位为m a为支撑物半径，单位为m b为支撑物方阵间距，单位为m 入支撑物为支撑物材料的导热系数，单位为Wm-1K-1 目前国内外均选用不锈钢材料制作支撑物，使得入支撑物比入玻大20倍以上，支撑 物高度h又比半径a小，故公式（4）可简化为 计算例：当支撑物选用a=0.25mm,h=0.15mn方阵间距b=25mm 贝U C支撑物=0.608Wm-2K-1 我国新立基公司的专利采用环形（又称C形）支撑物，热导还可比上述计算值小10济20% 此例中C支撑物可按0.50Wm-2K-1计，贝U 支撑物热阻 正在研制的支撑物半径a=0.125mm贝U C支撑物将减小一倍，为0.25Wm-2K-1 3 ?真空玻璃中的残余气体热导 真空玻璃生产工艺要求产品经过350E以上高温烘烤排气，不仅把间隔内的空气（包括水气）排出，而且把吸附于玻璃内表面表层和深层的气体尽可能排出，使真空层气压达到低于10-1Pa（也就是百万分之一大气压）以下，这样残余气体传热才可以忽略不计。 实验证明，在使用过程中，温度升高和阳光照射还会使玻璃表层放出水气和CO2等气体，破坏真空度，破坏真空玻璃热性能。因此，在真空玻璃中还需放入吸气剂来不断吸收这些气体，以确保真空玻璃的长期寿命。 理论上，在气压低到气体分子平均自由程远大于真空玻璃间隔时，气体热导可用公式⑹计算。 式中a=a1a2/[a2+a1（1-a2）]为气体综合普适常数 其中a1和a2分别为两个表面的气体普适常数 P是气体压强，单位为Pa 丫是气体的比热容比 T为间隔内两表面温度的平均值 M是气体的摩尔质量 R是摩尔气体常数 管道总传热系数算 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 1管道总传热系数 管道总传热系数是热油管道设计和运行管理中的重要参数。在热油管道稳态运行方案的工艺计算中，温降和压降的计算至关重要，而管道总传热系数是影响温降计算的关键因素，同时它也通过温降影响压降的计算结果。 1.1 利用管道周围埋设介质热物性计算K 值 管道总传热系数K 指油流与周围介质温差为1℃时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。当考虑结蜡层的热阻对管道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式： 1 112ln 111ln 22i i n e n w i L L D D D KD D D D ααλλ-+???? ?????=+++????????∑ （1-1） 式中：K ——总传热系数，W /(m 2·℃)； e D ——计算直径，m ；（对于保温管路取保温层内外径的平均值， 对于无保温埋地管路可取沥青层外径）； n D ——管道内直径，m ； w D ——管道最外层直径，m ； 1α——油流与管内壁放热系数，W/(m 2·℃)； 2α——管外壁与周围介质的放热系数，W/(m 2·℃)； i λ——第i 层相应的导热系数，W/(m·℃)； i D ，1i D +——管道第i 层的内外直径，m ，其中1,2,3...i n =； L D ——结蜡后的管内径，m 。 为计算总传热系数K ，需分别计算内部放热系数1α、自管壁至管道最外径的 导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数2α。 （1）内部放热系数1α的确定 放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用1α与放热准数u N 、自然对流准数r G 和流体物理性质准数r P 间的数学关系式来表示[47]。 在层流状态（Re<2000），当500Pr 传热学数值计算作业 数值解程序： tw1=40 %三边温度 tw2=100 %一边温度正弦变化幅度l1=40 %板长L1:40厘米 l2=20 %板宽L2:20厘米 m=41 %分划成40*20的网格 n=21 k=2 dx=l1/(m-1) c=ones(n,m) for i=1:m a2(i)=tw1+tw2*sin(pi*dx*(i-1)/l1) c(1,i)=tw1 ,c(n,i)=a2(i) end for j=1:n c(j,1)=tw1 c(j,m)=tw1 end while (abs(c(j,i)-k)>0.0001) k=c(j,i) for i=2:m-1 for j=2:n-1 c(j,i)=0.25*(c(j,i-1)+c(j,i+1)+c(j-1,i)+c(j+1,i)) end end end 数值解中各网格点的温度值： 数值二维温度分布图像： 解析解程序： tw1=40 tw2=100 l1=40 l2=20 p=40 q=20 x(1)=0 for i=1:p x(i+1)=x(i)+1 end y(1)=0 for j=1:q y(j+1)=y(j)+1 end for i=1:p+1 for j=1:q+1 n(j,i)=tw1+tw2*sinh(pi*y(j)/l1)*sin(pi*x(i)/l1)/sinh(pi*l2/l1) end end 各网格点用解析式得到的温度值： 50 L1/cm numerical calculation 2D temperature distribution L2/cm t e m p e r a t u r e /c e l s i u s d e g r e e热量计算(传热)
4-4 传热过程计算
换热器计算步骤
真空玻璃传热系数计算
管道总传热系数算
传热学数值计算
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