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1、热交换器设计基础热交换器设计基础 1 热设计的基本原理热设计的基本原理 2 设计步骤设计步骤 3 计算结果的分析计算结果的分析 1 热设计的基本原理热设计的基本原理 1.1热负荷和热平衡热负荷和热平衡对一个换热设备来说，热负荷就是指换热量或传热量，即在单位时间内所交换的热量，单位是KW（KJ/S）或Kcal/h（千卡每小时），（1KW=860Kcal/h）。1.2计算热负荷应遵循下面几条原则1.2.1对用户给出的参数按“热流体侧”和“冷流体侧”进行分类比对序号 热流体侧 序号 冷流体侧 1 热流体进口温度 4 冷流体进口温度 2 热流体出口温度 5 冷流体出口温度 3 热流体流量 6 冷流体流
2、量 Q=WQ=Whot=Whot=WcoldcoldQ=(WCpT)hot=(WCpT)coldQ=(WCpT)hot=(WCpT)coldW-W-流体质量流量流体质量流量kg/hkg/h- -流体流体焓值（kJ/kg）Cp-Cp-流体的比热流体的比热kj/kg.kj/kg.hot-hot-热流体热流体cold-cold-冷流体冷流体T-T-进出口温度差进出口温度差进出口焓值，对于水和水蒸气而言，可直接查物性表，对于烟气和空气，若用户没有给出焓值的数据，则可按式计算1.3热平衡这儿所说的热平衡是一个换热设备中冷热流体之间的热平衡，即热流体放出的热量热流体放出的热量 = 冷流体得到的热量冷流体得
3、到的热量有时还要考虑传热过程中的热损失，即热流体放出的热量热流体放出的热量 = 冷流体得到的热量冷流体得到的热量+ 热损失热损失一般，热损失小于5%，对于保温良好的设备，在设计中也可以不考虑热损失。1.4传热速率方程Qact=(A)(Tm)(1/R)R=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)oR-总热阻A-传热面hi、ho-分别为两流体的传热膜系数Rf-两流体的污垢热阻Rw-金属壁面热阻Tm-平均温度差O-通常换热计算以换热管外表面为基准1.5传热率的估算Q实际Q校核1.6对压力降的限制条件(Pi)act(Pi)allow(Po)act(Po)allowP-压力降下标i表示管内下
4、标o表示管外1.7传热温差的计算1.7.1冷流体逆流时的传热温差冷流体逆流时的传热温差 所谓逆流是指热流体和冷流体在传热面的两侧沿相反的方向流动，其温度变化曲线，如下图所示1.7.2错流和折流的平均温差错流和折流的平均温差T交叉流交叉流=T逆流逆流是一个小于1但接近1的数值，可以由算式和相应图表确定2 设计步骤设计步骤下面以翅片管省煤器设计为例说明设计步骤下面以翅片管省煤器设计为例说明设计步骤【步骤步骤1 1】梳理用户给出的条件和要求，计算梳理用户给出的条件和要求，计算梳理用户给出的条件和要求，计算梳理用户给出的条件和要求，计算热负荷热负荷热负荷热负荷1废气来源燃料消耗量2废气性质含量、腐蚀性
5、、含尘量、废气温度、废气压力3阻力要求引风机负荷大小、富裕压头4热量利用方式空气、热水、蒸汽5安装空间设备布置、标高6操作方式手动、自动7使用寿命有无特殊要求8除尘方式【步骤步骤2】选定换热器的迎风面质量流速选定换热器的迎风面质量流速m kg/s如果对气体侧的阻力降没有特殊要求，建议选择默认值m=3kg/（s）；如果气体侧的允许阻力降很低时，建议m在12kg/（s）之间进行选择；如果担心积灰比较严重，希望使气流本身具有一定的自吹灰能力，建议m选4kg/（s）【步骤步骤3】选定翅片管尺寸规格及在迎风面上的管选定翅片管尺寸规格及在迎风面上的管间距及管子根数和长度间距及管子根数和长度 （1）若设备热
6、负荷较大，为了减少翅片管根数，可以选用较大直径的翅片管，如:(513.5/90/8/1)，Pt=108mm（2）对于空气冷却器，为了增大管内流体的流速和换热，经常习惯选用较小直径的翅片管，例如：(252.5/50/5/1)，Pt=60mm（3）根据积灰的可能性及严重程度，选定不同的翅片间距。 【步骤步骤4】计算翅片管的换热系数和传热系数计算翅片管的换热系数和传热系数由气体侧的平均温度查取相应物理值，如在由气体侧的平均温度查取相应物理值，如在省煤器中，烟气侧的平均温度省煤器中，烟气侧的平均温度 Tg = （1/2） (T1 +T1 ) 依此查取烟气物性表中的下列物理量：依此查取烟气物性表中的下列
7、物理量： * 密度：密度： kg/ m * 比热：比热： Cp kJ/ kg * 导热系数：导热系数： w/m * 黏度系数：黏度系数： /mS 蒲朗特数：蒲朗特数： Pr 计算翅片外表面为基准的换热系数h (w/)计算翅片管的翅化比和翅片效率计算以基管外表面为基准的换热系数ho=h计算传热过程的每项部分热阻，最后计算总传热热阻，并确定传热系数【步骤5】计算翅片管换热器的传热平均温计算翅片管换热器的传热平均温差差T【步骤6】计算翅片管换热器所需总传热面积计算翅片管换热器所需总传热面积注注1 1：此总传热面积是以基：此总传热面积是以基管外表面积为基准的总传管外表面积为基准的总传热面积。即热面积。
8、即A A所指的是基所指的是基管外表面积的总和。管外表面积的总和。 注注2 2：选取安全系数：选取安全系数=1.11.2=1.11.2，则实际应取的，则实际应取的传热面积为上述计算值的传热面积为上述计算值的（1.11.21.11.2）倍，即）倍，即A=AA=A计算值计算值 （1.11.21.11.2）【步骤7】计算翅片管换热器的管子根数，计算翅片管换热器的管子根数，纵向管排数，并最终确定换热器的纵向纵向管排数，并最终确定换热器的纵向（即气体流动方向）尺寸及相应参数（即气体流动方向）尺寸及相应参数【步骤8】画出主要元件图画出主要元件图步骤9】计算翅片侧气体的流动阻力计算翅片侧气体的流动阻力P最后确
9、定：最后确定：P计算值计算值P要求值要求值 若出现若出现P计算值不能满足设计要求的情况，计算值不能满足设计要求的情况，需修改初始相关参数，重复上述各步骤的需修改初始相关参数，重复上述各步骤的计算。计算。【步骤10】计算翅片管换热器的总重计算翅片管换热器的总重10-1计算翅片管元件的单重和总重；10-2计算管箱及其他结构件的重量，一般取翅片管元件总重的3040%10-3汽包，支撑和保温需单独计重3 计算结果的分析计算结果的分析目前，换热器计算常用的计算软件为美目前，换热器计算常用的计算软件为美国的国的HTRIHTRI和英国的和英国的HTFSHTFS，这两大软件，这两大软件均为在国际上享有盛誉的传
10、热设备专用均为在国际上享有盛誉的传热设备专用计算软件。当设计计算结束后，如何根计算软件。当设计计算结束后，如何根据实际的工况，来判断计算结果是否满据实际的工况，来判断计算结果是否满足要求，出现问题后如何解决，这对设足要求，出现问题后如何解决，这对设计者来说都是很重要的计者来说都是很重要的3.13.1热阻大小热阻大小首先根据流体的物系及实际经验来推断一下传首先根据流体的物系及实际经验来推断一下传热系数值是否合理，应特别注意管内雷诺数的大热系数值是否合理，应特别注意管内雷诺数的大小。在层流流动小。在层流流动( (管侧管侧Re2000,Re2000,壳侧壳侧Re300)Re300)和过和过渡区流动中
11、，应使用分段计算的方式渡区流动中，应使用分段计算的方式(HTFS(HTFS程序程序无此功能无此功能) )，以确保传热系数值计算的正确。在评，以确保传热系数值计算的正确。在评估计算结果的同时，应考虑程序计算的精确度。估计算结果的同时，应考虑程序计算的精确度。如果热阻在管侧和壳侧分布平衡，则该设计是好如果热阻在管侧和壳侧分布平衡，则该设计是好的，如果一侧热阻值过大，应该分析原因，的，如果一侧热阻值过大，应该分析原因，分析分析管、壳侧冷、热流体的分布是否合理，如果是由管、壳侧冷、热流体的分布是否合理，如果是由于某一侧污垢系数过大而引起的，则可不必进一于某一侧污垢系数过大而引起的，则可不必进一步修改原
12、设计。步修改原设计。3.23.2设计余量设计余量换热器设计计算时设计余量值的大小取决于计换热器设计计算时设计余量值的大小取决于计算精度、实际经验及对现场的操作控制等。例如：算精度、实际经验及对现场的操作控制等。例如：对冷却水换热器，当水流速大于对冷却水换热器，当水流速大于1.5m/s1.5m/s时，没必时，没必要给出过大的设计余量，过大的余量反而会造成要给出过大的设计余量，过大的余量反而会造成水流速的降低。但对层流和过渡区流动，由于计水流速的降低。但对层流和过渡区流动，由于计算精度不好，故需要给出较大的设计余量，通常算精度不好，故需要给出较大的设计余量，通常需要在考虑了传热阻力值的大小和程序的
13、计算精需要在考虑了传热阻力值的大小和程序的计算精度后决定。对再沸腾器，过大的设计余量反而是度后决定。对再沸腾器，过大的设计余量反而是无益的，特别是在无益的，特别是在设备运转初期设备运转初期，会发生如控制，会发生如控制困难等操作问题。困难等操作问题。3.3压降的利用和分布允许压降必须尽可能加以利用，如果计算压降与允许压降有实质差别，则必须尝试改变设计参数。在校核了计算所得压降值是否小于允许值之后，应对压降的分布作进一步的校核，另一个必须记住的事实是，允许压降是人为给定的，所以，如果在设计中允许压降得到了充分利用，而增加一点压降会增加很大的经济性，则应再行设计并考虑增加允许压降的可能性。 3.4流
14、速需校核管子进出口处、壳侧进口处和接管内的流速。一般来说流体流速在允许压降范围内应尽量选高一些，以便获得较大的换热系数和较小污垢沉积，但流速过大会造成腐蚀并发生管子振动，而流速过小则管内易结垢。3.5总传热系数首先从流体的相态、物性和以往经验上来分析计算结果是否合理。另外，污垢系数的选取对传热系数也有很大的影响，对计算结果应综合分析，并结合实际经验来评定。3.6如何调整设计方案，得到最佳计算结果通常情况下，象温度、压降和传热系数等设计计算控制要素很少彼此较好地相配合，经常是某一设计要素为设计计算的控制因素，由于一个简单的设计变更能带来设备尺寸的减小，因此找出控制因素能尽快有效的帮你解决问题。谢谢！
