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1、例：生产中用一换热管规格为252.5mm（钢管）的列管换热器回收裂解气的余热。用于回收余热的介质水在管外达到沸腾，其传热系数为10000 W/(m2K)。该侧压力为2500kPa（表压）。管内走裂解气，其温度由580下降至472，该侧的对流传热系数为230W/(m2K)。若忽略污垢热阻，试求换热管内、外表面的温度。,解：对于热回收过程，当其中的传热过程达到定态时,T、t分别指热、冷流体在换热器内的平均温度；Tw、tw分别指换热管内、外壁的平均温度。由该式可得平均壁温计算式如下：,为求壁温，需要计算换热器的传热速率Q，为此需要求总传热系数和平均温差。,以外表面为基准的总传热系数计算如下,水侧温度
2、为2500kPa（表压）下饱和水蒸汽的温度，查饱和水蒸汽表可得该温度为t=226。平均温差为：,该换热器的传热速率为：,裂解气在换热器内平均温度为：,代入,讨论：本例中，换热器一侧是水与管壁的沸腾传热，另一侧是气体的无相变对流传热，两过程的传热系数相差很大（分别为10000 W/(m2K)、230 W/(m2K)，换热器的总传热系数（178.7 W/(m2K)）接近于气体的对流传热系数。即两侧对流传热系数相差较大时，总传热系数接近小的对流传热系数，或着说传热总热阻主要取决于大的热阻。 计算结果表明，换热管内、外表面温度很接近，这是由于管壁材料热导率通常很大；另外，管壁温度接近于沸腾水（对流传热
3、系数很高）的温度，这是因为水侧热阻很小，该侧热边界层内的温度降很小。,传热计算,设计型计算,操作型计算,根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。,判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。,依据：总传热速率方程和热量恒算,3.4.5 换热器的设计型和操作性计算,3.4.5 换热器的设计型和操作性计算,一、设计型计算,设计条件：G1、T1、T2 设计目的：A 选择条件：（1）流向 （2）t1,（4）u,（3）t2、G2,二、操作型计算,1. 判断现有换热器是否适用,A实际 A需要 可用；反之,2. 工况
4、变化时对传热过程的影响,基本方程：热量衡算式和传热速率方程,试差法：tm计算式的非线性,例：列管换热器的设计型,一列管式冷凝器，换热管规格为252.5mm，其有效长度为3.0m。冷却剂以0.7m/s的流速在管内流过，其温度由20升至50。流量为5000kg/h、温度为75的饱和有机蒸汽在壳程冷凝为同温度的液体后排出，冷凝潜热为310kJ/kg。已测得蒸汽冷凝传热系数为800 W/(m2K)，冷却剂的对流传热系数为2500 W/(m2K)。冷却剂侧的污垢热阻为0.00055m2K/W，蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻忽略不计。试计算该换热器的传热面积、并确定该换热器中换热管的总根数及管程数。（已知冷却剂
5、的比热容为2.5kJ/kgK，密度为860kg/m3）,热流体T175,T275,冷流体t120,t250,qm15000kg/h,1=800 W/(m2K),2=2500 W/(m2K),解：有机蒸汽冷凝放热量：,传热平均温差：,75 75,20 50,t 55 25,总传热系数：,所需传热面积：,冷却剂用量：,每程换热管数由冷却剂总流量和每管中冷却剂的流量求出：,每管程的传热面积为：,管程数,取管程数N=4,总管数：n=N ni=430120根,讨论：换热器的设计型问题是要根据热负荷及其它给定条件来确定换热器的传热面积及其它参数，进而确定换热器的型号。热负荷即被加热（或被冷却）流体的吸（放
6、）热量。为解决设计型问题，需要设计人员根据经验人为指定一些工艺参数，如加热或冷却剂的出口温度、污垢热阻、流体流速等。由于换热器型号未定，无法准确计算传热系数，故解决换热器设计型问题需要试差。本例在给定对流传热系数的情况下进行计算，因而只是实际试差过程中的一个“循环”。,例：换热器的操作型问题,在传热面积为3.5m2的换热器中用冷却水冷却某有机溶液。冷却水流量为5000kg/h，入口温度为20，比热容为4.17kJ/(kgK)；有机溶液的流量为3800kg/h，入口温度为80，比热容为2.45kJ/(kgK)。已知有机溶液与冷却水逆流接触，两流体对流传热系数均为2000 W/(m2K)。 （1）
7、试分别求两流体的出口温度？ （2）欲通过提高冷却水流量的方法使有机溶液出口温度降至36，试求冷却水流量应达到多少？（设冷却水对流传热系数与其流量的0.8次方成正比）,T2,有机溶液T180,冷却水t120,t2,解：,（1）总传热系数近似用下式计算：,将tm展开可得,热平衡方程：,可得,热平衡方程：,可得：,T2=36,有机溶液T180,冷却水t120，qm2=?,t2？,新工况,（新工况）欲通过提高冷却水流量的方法使有机溶液出口温度降至36，试求冷却水流量应达到多少？（设冷却水对流传热系数与其流量的0.8次方成正比）,（2）新工况下的总传热系数：,新工况下：,将已知数据代入上式：,设冷却水对
8、流传热系数与其流量的0.8次方成正比,因12,新工况下热平衡方程：,联立试差求解上两式，可得,所以，冷却水流量需要提高1.427倍,讨论：换热器的操作型计算有两类： 第一类是预测两流体的出口温度（如本例题第1问） 第二类是根据指定的被加热（或被冷却）流体的出口温度，计算加热剂（或冷却剂）的用量。 两类操作型计算都需要联立求解式 和热平衡方程，第一类计算无需试差，而第二类计算必须试差。两类计算都有重要的工程实际意义。,例 KA 值换热器工作能力的综合反映,拟用150的饱和水蒸汽将流量为90000kg/h的某溶液产品由25升温到35。现有一台单管程列管式换热器，换热管规格为252.5mm，传热面积
9、为15m2。已知蒸汽在其壳程冷凝传热系数为12000 W/m2K；溶液走管程，其对流传热系数估计为330 W/m2K，比热容为1.9kJ/kgK。壳程污垢热阻和管壁热阻忽略不计，管程污垢估计为0.0001 m2K /W。试问这台换热器是否能够满足上述换热要求？如不能满足换热要求，采用加隔板的方式将该换热器变为双管程换热器，问能否满足换热要求？（注：由于粘度较大，溶液在管程流动为层流，故其对流传热系数与流速的1/3次方成正比）,21,热流体T1150,T2150,t235,冷流体t125,1=12000 W/(m2K),2=330 W/(m2K),解：在指定的溶液进、出口温度及饱和蒸汽温度下，换
10、热器对数平均温差为：,该换热器的热负荷为：,由总传热速率可得完成指定换热任务所需要换热器的KA值为,原换热器的总传热系数,故该换热器的KA值为：,该换热器所具有的KA值小于完成换热任务所需要的KA值，故这一单管程换热器不合用,现将原换热器由单管程改造成为双管程，则在换热面积和溶液流量不变的情况下，溶液流速变为原来的2倍，其对流传热系数变为：,总传热系数：,则该双管程换热器的KA值为：,大于完成换热任务所需要的KA值，故改造为双管程换热器方案可行。,讨论： 由总传热速率方程可以看出，换热器的工作能力不仅与其传热面积有关，而且还与总传热系数有关。因此在换热器设计和选型工作中，常以两者的乘积来代表换
11、热器的工作能力。 由本例可以看出，在换热面积不变的情况下，换热器结构的稍许改进就使总传热系数显著增加，使原本不合用的换热器能够完成换热任务。这一结果生动地反映了“KA值是换热器工作能力的综合反映”这一观点。 当然，本例属于饱和蒸汽在壳程冷凝成饱和液体这一情况，由单管程改为双管程不会造成传热平均推动力的损失。但这种改造未必在所有情况下都能成功，有时采用多管程可能使对数平均温差校正因子 很小，而由此带来的传热系数增加又不很显著，则这种改造很可能就是得不偿失了。,例 用120C的饱和水蒸汽将流量为36m3/h某稀溶液在单壳程双管程列管换热器中的管程从温度为80C上升到95C，每程有直径为252.5m
12、m管子30根，且以管外表面积为基准K=2800 W/m2.C，蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计。求： （1）换热器所需的管长； （2）操作一年后，由于污垢积累，溶液侧的污垢系数增加了0.00009m2.C/W，若维持溶液原流量及进口温度，其出口温度为多少？若又保证溶液原出口温度，可采取什么措施？（定性说明） 溶液的=1000kg/m3；cp=4.2kJ/(kg. C),27,冷流体 t1=80 oc,冷流体 t2=95 oc,热流体 T1=120 oc,T2=120 oc,解题思路：,求Q,已知温度 物性参数,热量衡算,Q=KAtm,求tm,求A,28,通过热量衡算计算传热速率,计算平均温差,计算传热面积：,计算管长：,n=60,29,（2）操作一年后，由于污垢积累，溶液侧的污垢系数增加了0.00009m2.C/W,30,讨论：在生产过程中常采用饱和水蒸气作为加热剂，运行一段时间后如发现被加热流体的温度不能达到原值，则可能的原因： 水蒸气侧： 水蒸气的压力降低了（温度降低了） 水蒸汽中混有不凝气且没有及时排放 形成的冷凝液没有及时派发 被加热流体侧： 流体的性质发生变化（如粘度升高） 流体的流量加大了（换热器热负荷加重） 流体的入口温度降低了；该侧换热表面结垢,
