第四章 传热3-传热过程的计算
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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。
第四章 传 热热传导【4-1】有一加热器,为了减少热损失,在加热器的平壁外表面,包一层热导率为(m·℃)、厚度为300mm 的绝热材料。
已测得绝热层外表面温度为30℃,另测得距加热器平壁外表面250mm 处的温度为75℃,如习题4-1附图所示。
试求加热器平壁外表面温度。
解 2375℃, 30℃t t ==计算加热器平壁外表面温度1t ,./()W m λ=⋅016℃ (1757530025005016016)t --= ..145025********t =⨯+=℃【4-2】有一冷藏室,其保冷壁是由30mm 厚的软木做成的。
软木的热导率λ= W/(m·℃)。
若外表面温度为28℃,内表面温度为3℃,试计算单位表面积的冷量损失。
解 已知.(),.123℃, 28℃, =0043/℃ 003t t W m b m λ==⋅=, 则单位表面积的冷量损失为【4-3】用平板法测定材料的热导率,平板状材料的一侧用电热器加热,另一侧用冷水冷却,同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。
若所测固体的表面积为0.02m 2,材料的厚度为0.02m 。
现测得电流表的读数为2.8A ,伏特计的读数为140V ,两侧温度分别为280℃和100℃,试计算该材料的热导率。
解 根据已知做图热传导的热量 .28140392Q I V W =⋅=⨯=.().()12392002002280100Qb A t t λ⨯==-- 【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成:耐火砖层,热导率λ=(m·℃),厚度230b mm =;绝热砖层,热导率λ=(m·℃);普通砖层,热导率λ=(m·℃)。
耐火砖层内侧壁面温度为1000℃,绝热砖的耐热温度为940℃,普通砖的耐热温度为130℃。
(1) 根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度,然后计算绝热砖层厚度。
若每块绝热砖厚度为230mm ,试确定绝热砖层的厚度。
第四章传热【热传导】【4-3】用平板法测定材料的热导率,平板状材料的一侧用电热器加热,另一侧用冷水冷却,同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。
若所测固体的表面积为0.02m 2,材料的厚度为0.02m 。
现测得电流表的读数为2.8A ,伏特计的读数为140V ,两侧温度分别为280℃和100℃,试计算该材料的热导率。
解根据已知做图热传导的热量.28140392Q I V W =⋅=⨯=()12AQ t t bλ=-.().()12392002002280100Qb A t t λ⨯==--()./218W m =⋅℃【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成:耐火砖层,热导率λ=1.05W/(m·℃),厚度230b mm =;绝热砖层,热导率λ=0.151W/(m·℃);普通砖层,热导率λ=0.93W/(m·℃)。
耐火砖层内侧壁面温度为1000℃,绝热砖的耐热温度为940℃,普通砖的耐热温度为130℃。
(1)根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度,然后计算绝热砖层厚度。
若每块绝热砖厚度为230mm ,试确定绝热砖层的厚度。
(2)若普通砖层厚度为240mm ,试计算普通砖层外表面温度。
解(1)确定绝热层的厚度2b 温度分布如习题4-4附图所示。
通过耐火砖层的热传导计算热流密度q 。
()1121q t t b λ=-.()/.W m =-=21051000940274 023绝热砖层厚度2b 的计算()2232q t t b λ=-.().b m =-=201519401300446 274每块绝热砖的厚度为023m .,取两块绝热砖的厚度为.20232046b m =⨯=.。
(2)计算普通砖层的外侧壁温4t 先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度3t (2)32227404694010530151qb t t λ⨯=-=-=℃习题4-3附图习题4-4附图3t 小于130℃,符合要求。
第四章传热【热传导】【4-3】用平板法测定材料的热导率,平板状材料的一侧用电热器加热,另一侧用冷水冷却,同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。
若所测固体的表面积为0.02m 2,材料的厚度为0.02m 。
现测得电流表的读数为2.8A ,伏特计的读数为140V ,两侧温度分别为280℃和100℃,试计算该材料的热导率。
解根据已知做图热传导的热量.28140392Q I V W =⋅=⨯=()12AQ t t bλ=-.().()12392002002280100Qb A t t λ⨯==--()./218W m =⋅℃【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成:耐火砖层,热导率λ=1.05W/(m·℃),厚度230b mm =;绝热砖层,热导率λ=0.151W/(m·℃);普通砖层,热导率λ=0.93W/(m·℃)。
耐火砖层内侧壁面温度为1000℃,绝热砖的耐热温度为940℃,普通砖的耐热温度为130℃。
(1)根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度,然后计算绝热砖层厚度。
若每块绝热砖厚度为230mm ,试确定绝热砖层的厚度。
(2)若普通砖层厚度为240mm ,试计算普通砖层外表面温度。
解(1)确定绝热层的厚度2b 温度分布如习题4-4附图所示。
通过耐火砖层的热传导计算热流密度q 。
()1121q t t b λ=-.()/.W m =-=21051000940274 023绝热砖层厚度2b 的计算()2232q t t b λ=-.().b m =-=201519401300446 274每块绝热砖的厚度为023m .,取两块绝热砖的厚度为.20232046b m =⨯=.。
(2)计算普通砖层的外侧壁温4t 先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度3t (2)32227404694010530151qb t t λ⨯=-=-=℃习题4-3附图习题4-4附图3t 小于130℃,符合要求。
化工原理传热过程的计算讲义一、导言传热是化工过程中非常重要的一环,它涉及到物质热量的传递与转换。
在化工原理中,传热过程的计算是一个非常重要的技术,它在化工装置的设计、运行与优化中发挥着重要作用。
本篇文章将重点介绍化工原理传热过程的计算,包括传热的基本方法、传热系数的计算、传热器的设计等内容。
二、传热的基本方法传热可以通过三种基本方法进行,即传导、对流和辐射。
具体计算传热过程时需要结合实际问题选择合适的方法。
1.传导:传导是指物质内部热量的传递。
传导热量的传导方程可以通过傅里叶定律来描述,即Q=kAΔT/Δx,其中Q为传导热量,k为传导系数,A为传热面积,ΔT为温度差,Δx为热传导距离。
2.对流:对流是指通过流体介质的热量传递。
对流热量传递的计算需要考虑流体的性质以及传热的边界条件。
对于强制对流,我们可以使用恩塞定律来计算,即Q=hAΔT,其中Q为传热热量,h为传热系数,A为传热面积,ΔT为温度差。
而自然对流的计算需要考虑流体的性质以及传热的边界条件。
3.辐射:辐射是指通过电磁波的热量传递。
辐射热量传递的计算需要考虑物体的辐射系数、表面特性以及温度差。
三、传热系数的计算传热系数是用来描述传热过程中的传热能力的参数。
在化工原理中,传热系数需要根据具体问题来进行计算。
1.对流传热系数的计算:对流传热系数的计算需要结合实际问题考虑流体的性质以及传热的边界条件。
通常可以通过实验数据、经验公式或者数值模拟等方法来计算。
2.传导传热系数的计算:传导传热系数的计算需要考虑传导过程中的材料的性质,包括导热系数、导热面积等。
通常可以通过实验数据、经验公式或者数值模拟等方法来计算。
3.辐射传热系数的计算:辐射传热系数的计算需要考虑物体的辐射系数、表面特性以及温度差。
通常可以通过实验数据、经验公式或者数值模拟等方法来计算。
四、传热器的设计传热器是化工装置中用于传热的核心设备之一,它的设计直接影响传热效果与能耗。
在传热器的设计中需要考虑以下几个方面:1.传热面积的确定:根据传热的需求以及传热系数的计算结果,确定传热面积的大小。
第三节 传热基本方程及传热计算从传热基本方程m t kA Q ∆= (4-11)或传热热阻传热推动力=∆=kA t Q m 1 (4-11a)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m t ∆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m t K A Q ∆,,,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h Q ,必等于冷流体所吸收的热量c Q ,即c n Q Q =,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()()1221t t c m T T c m Q pc c ph h -=-= (4-12)式中 Q ——热负荷或传热速率,J.s -1或W ; c h m m ,——热、冷流体的质量流量,kg.s -1;ph pc cc ,——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;21,T T ——热流体进、出口温度,K(°C ); 21,t t -冷流体的进出口温度,K(°C )。
(2)热焓法)(21I I m Q -= (4-13) 式中 1I ——物料始态的焓,k J.kg -1; 2I ——物料终态的焓,k J.kg -1。
2.有相变化时热负荷计算Gr Q = (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:通常在保温良好的换热器中可取h Q Q )(损%5~2=三、平均温度差m t ∆的计算在间壁式换热器中,m t ∆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:m t ∆=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:()()21212121ln ln t t t t t T t T t T t T t m ∆∆∆-∆=-----=∆ (4-15)式中m t ∆为进出口处传热温度差的对数平均值,温差大的一端为1t ∆,温差小的一端为2t ∆,从而使上式中分子分母均为正值。
第四节 传热过程计算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的基础。
应用前述的热传导速率方程和对流传热速率方程时,需要知道壁面的温度。
而实际上壁温常常是未知的,为了避开壁温,故引出间壁两侧流体间的总传热速率方程。
4—4—1 能量衡算对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 , .、)()(1221c c c h h h HHW HHW Q -=-= (4—30)式中 Q —换热器的热负荷,kj/h 或W ;W -流体的质量流量,kg /h ; H -单位质量流体的焓,kJ /kg 。
下标c 、h 分别表示冷流体和热流体,下标1和2表示换热器的进口和出口。
式4-30即为换热器的热量衡算式,它是传热计算的基本方程式,通常可由该式计算换热器的传热量(又称热负荷)。
.若换热器中两流体无相变化,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4-30可表示为Q)()(1221t t c W T T c W pc c ph h -=-= (4-31)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,℃。
若换热器中的热流体有相变化,例如饱和蒸气冷凝时,式4-30可表示为Q)(12t t c W r W pc c h -== (4-32)式中 W h —饱和蒸气(即热流体)的冷凝速率,k 2/h ;r —饱和蒸气的冷凝潜热,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Q)()]([1221t t c W T T c r W pc c ph h -=-+= (4-33)式中 C ph -冷凝液的比热容,kJ /(kg ·℃);T s —冷凝液的饱和温度,℃。