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1、,管壳式换热器热力计算,技术部：李志昌,管壳式换热器的基本步骤： 1.初选换热器的尺寸规格 1.1初选流动方式，计算温差修正系数FT，如果FT0.8，采用多管程或多个换热器串联。 1.2初估总传热系数K估，在估算换热面积A估=Q/(K估FTtm)。 1.3初定换热器的主要结构参数。 1.4计算所选用的换热器的实际换热面积及实际所需的总传热系数。 2.计算管程压力降和传热膜系数 2.1如果管程压降pt大于允许压力降，则调整管程数重新计算。 2.2如果管内传热膜系数iK估，则改变管程数重新计算。若改变管程数不能同时满足ptp允，iK估的要求，则重新估计K估值，改变结构参数进行计算。 3.计算壳程压
2、降和传热膜系数 3.1如果壳程压降ps大于允许压力降，可增大折流板间距。 3.2如果壳程传热膜系数o太小，减小折流板间距。如不能同时满足壳程压力降和传热膜系数的要求，则重新估计K估值，改变结构参数进行计算。 4.计算总传热系数，校核传热面积 所选用的换热器的换热面积应留有1525%的裕度。,传热系数和导热系数的区别 1.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）。 2.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
3、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/mK，此处为K可用代替）。导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。通常把导热系数较低的材料称为保温材料，而把导热系数在0.05瓦/米度以下的材料称为高效保温材料。,雷诺数Re Re=vd/ ，其中v、分别为流体的流速、密度与黏度，d为一特征长度。例如流体流过圆形管道，则d为管道直径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。 普朗特数 Pr=cp/，其中、cp、分别为流体的粘度、定
4、压比热容与导热系数。代表了热边界层与流动边界层的相对厚度，也就是流体中动量扩散与热量扩散能力的对比。 奴塞尔特数 Nu=hL/ ，其中h、L、分别为流体的传热系数、特征长度与导热系数。代表了长度与热边界岑厚度之比，表征了流体对流换热能力的大小。,1.稳态传热方程,热流体将热量通过某固定面传给冷流体成为传热，稳态传热的基本方程为：Q=KAtm 式中 Q热负荷，W； K总传热系数，W/(m2)； A 换热器总传热面积，m2； tm进行换热的两流体之间的平均温差， ,1.1热负荷 当忽略换热器对周围环境的散热损失时，根据能量平衡，热流体所放出的热量应等于冷流体所吸收的热量。即： Q=mccp,c(T
5、c,o-Tc,i)=mhcp,h(Th,i-Th,o) 式中 mc，mh分别为冷流体、热流体的质量流速，kg/s； cp,c，cp,h分别为冷流体、热流体的定压比热容，J/(kg）； Tc,i，Tc,o冷流体的进、出口温度，； Th,i，Th,o热流体的进、出口温度， ； 若考虑换热器对外界环境的散热损失Qc，则热流体放出的热量Q1将大于冷流体所吸收的热量Q2 ： Q1=Q2+Qc Q2=cQ1 热损失系数c通常取0.970.98； 不管师傅考虑热损失，在管壳式换热器的设计计算中，热负荷Q一般取管内流体放出或吸收的热量。,1.2总传热系数K 1/K=1/o+1/i(Ao/ Ai)+ro+ ri
6、( Ao/ Ai)+ Ao/ w Am 式中 o管外流体传热膜系数，W/(m2 )； i管内流体传热膜系数，W/(m2 )； ro，ri分别为管外、管内流体污垢热阻， (m2 )/W； Ao，Ai 换热管的外表、内表传热面积， m2； Am换热器管内和管外的平均传热面积， m2； 管壁厚度，m； w管壁材料的导热系数， W/(m )。,1.3平均温度差和温差修正系数 (1)算术平均温度差 tm1= (t1+ t2)/2 (2)对数平均温度差 tm2= (t2- t1)/ln (t2 / t1) 式中 tm2较大的温度差； tm1较小的温度差。 当tm1/ tm22时，采用算术平均温度差，否则采
7、用对数平均温度差。在计算平均温度差时，对无相变的对流传热，逆流的平均温度差大于并流的平均温度差，因而在工业设计中在工业设计中，在满足工艺条件的情况下，通常选用逆流。,(3)温差修正系数FT 在错流和折流换热器中，温度分布情况相当复杂，可按(2)中公式计算出逆流的平均温度差，然后乘以修正系数，即可计算有效平均温差tm； tm=FTtlm 式中 tlm逆流时的对数平均温度差，； FT温差修正系数 (查换热器设计手册中图1-3-6 取得)。,2.对流传热膜系数,2.1无相变对流传热的传热膜系数 管内传热膜系数 流体在管内流动，其流动阻力和传热膜系数与流体在管内的流动状态有关，流动状态以雷诺数大小来区
8、分。 (1.1)湍流 Re10000 对于低粘度流体(i10000，0.760。 当L/di60时，应将上式乘以1+(di/L)0.7进行修正。,定性温度：流体进出口温度的算术平均值； 特征尺寸：管内径。 对高粘度流体，应用： i=0.027i/ diRei0.8Pri1/3(i/ w)0.14 定性温度：除w壁温下的值外，其余为流体进出口温度的算术平均值； 特征尺寸：管内径。 (1.2)过渡流 Re=230010000 当流体在管内流动为过渡流时，对流传热膜系数可先按湍流的公式计算，然后把计算结果乘以校正系数，即可得到过渡流下的对流传热膜系数。 =1-6105/Re1.8 过渡流= 湍流 (
9、1.3)层流 Re2300，可用： Nu=1.86Re1/3Pr1/3(di/L)1/3(i/w)0.14,应用范围：Re100。 定性温度：除w为壁温下的值外，其余为流体进出口温度 的算术平均值。 特征尺寸：圆形管为管内径di； 非圆形管为de=4A/ 式中 A流体流通截面积，m2； 流体浸润周边，m。 JH=(i/cpiGi)(cpii/i)2/3(i/ w)0.14 式中 i管内流体传热膜系数，W/(m2 )； cpi流体比热容，J/(kg ); Gi管内流体质量流速，kg/(m2 s)； i流体平均温度下的粘度，Pa s； w管壁温度下流体的粘度， Pa s； i流体导热系数， W/(
10、m )； L管长，m； di管内径，m。,JH由下图选取,14,(2)管外传热膜系数 (2.1 )换热器壳程无折流板时 管外传热膜系数的计算可管内传热膜系数的计算式计算，此时以当量直径des作为定性尺寸代替管子内径。 对管壳式换热器，当管子成正三角形排列时： des=1.1Pt2/do-do 当管子呈正方形排列时： des=1.27Pt2/do-do 式中 Pt换热管中心距，m。 (2.2)换热器壳程有折流板时通常缺口面积取25%的壳体内截面积，壳程的对流传热膜系数可采用： (a) Nu=0.23Re0.6Pr1/3( / w)0.14 o=0.23 /do(dou/)0.6(cp/)1/3(
11、/w)0.14 应用范围：Re=(32) 10000；,特征尺寸：管外径do； 定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。 u取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度。 (b) o=0.36 /de(deuo/)0.55Pr1/3(/w)0.14 应用范围：2 1031 106； 特征尺寸：de按(2.1)中des计算； 定性温度：除w取壁温外其余均取流体进、出口温度的算 术平均值。 uo根据流体流过管间最大截面积As计算 As=lbDi(1-do/Pt) 式中 lb折流板间距，m； Di换热器的壳体内径，m。 (c) Js=(odes/ o) (cpoo/o)1/3(o/w)-0.14 Js由
12、Rees查下图求取；Rees=desGs/ ,16,式中 o管外传热膜系数， W/(m2 )； Gs质量流速， kg/(m2 s)； des当量直径，m； Di壳体内径，m； cpo壳程流体比热容，kJ/(kg )； C相邻管间隙，m； o壳程流体导热系数， W/(m )； o壳程流体平均温度下的粘度，kg/(m s)； w管壁温度下的粘度， kg/(m s) 。 注：对于等边三角形排列的管子 des=(3.464Pt2-do2)/(do) 对于正方形排列的管子 des=(4Pt2-do2)/(do) 2.2有相变传热的传热膜系数,3.压力降的计算,3.1管程的压力降pi 3.2壳程压力降 问题：1,
