传热过程的计算

传热过程的计算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TW和tw，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；
　　　mh,mc-----热、冷流体的质量流量，kg/s； 　
　　　Cph,Cpc------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Ai、Am和A0相对应的传热系数K分别为Ki、Km和K0，则其相互关系为：
　　
　　在工程上，一般以圆管外表面积A0为基准计算总传热系数K0，除加以说明外，常将A0、K0分别以A、K表示，即：
　　　（4.6.2）
　　该式又可以改写为：
　　
　　式中：di,d0,dm------圆管的内径、外径、管壁的平均直径。
（2） 污垢热阻
　　换热器的传热表面在经过一段时间运行后，壁面往往积一层污垢，对传热形成附加的热阻，称为污垢热阻，这层污垢热阻在计算传热系数K时一般不容忽视。由于污垢层的厚度及其热导率不易估计，通常根据经验确定污垢热阻。若管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别用Rdi和Rd0表示，根据串联热阻叠加原则，式（4.6.2）变为：