换热器设计详解.docVIP

换热器的传热计算 换热器的传热计算包括两类：一类是设计型计算，即根据工艺提出的条件，确定换热面积；另一类是校核型计算，即对已知换热面积的换热器，核算其传热量、流体的流量或温度。这两种计算均以热量衡算和总传热速率方程为基础。 换热器热负荷Q值一般由工艺包提供，也可以由所需工艺要求求得。Q=W cpΔt，若流体有相变，Q=cp r。 热负荷确定后，可由总传热速率方程（Q=K SΔt）求得换热面积，最后根据《化工设备标准系列》确定换热器的选型。 其中总传热系数K= （1） 在实际计算中，总传热系数通常采用推荐值，这些推荐值是从实践中积累或通过实验测定获得的，可以从有关手册中查得。在选用这些推荐值时，应注意以下几点： 设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳程的流体相一致。 设计中流体的性质（粘度等）和状态（流速等）应与所选的流体性质和状态相一致。 设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型相一致。 总传热系数的推荐值一般范围很大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。若需降低设备费可选取较大的K值；若需降低操作费用可取较小的K值。 为保证较好的换热效果，设计中一般流体采用逆流换热，若采用错流或折流换热时，可通过安德伍德（Underwood）和鲍曼（Bowman）图算法对Δt进行修正。 虽然这些推荐值给设计带来了很大便利，但是某些情况下，所选K值与实际值出入很大，为避免盲目烦琐的试差计算，可根据式（1）对K值估算。 式（1）可分为三部分，对流传热热阻、污垢热阻和管壁导热热阻，其中污垢热阻和管壁导热热阻可查相关手册求得。由此，K值估算最关键的部分就是对流传热系数h的估算。 影响对流传热系数的因素主要有： 流体的种类和相变化的情况 液体、气体和蒸气的对流传热系数都不相同。牛顿型和非牛顿型流体的也有区别，这里只讨论牛顿型对流传热系数。 流体有无相变化，对传热有不同的影响。 流体的性质 对h影响较大的流体物性有比热、导热系数、密度和粘度等。对同一种流体，这些物性又是温度的函数，而其中某些物性还和压强有关。 流体的流动状态 当流体呈湍流时，随着Re数的增加，滞流内层的厚度减薄，故h就增大。而当流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂流动，故h就较湍流时为小。 流体流动的原因 自然对流是由于流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。设ρ1和ρ2分别代表温度为t1和t2两点的密度，则流体因密度差而产生的升力为（ρ1-ρ2）g。若流体的体积膨胀系数为β，单位为1/℃，并以代表Δt温度差（t2- t1），则可得ρ1=ρ2（1+βΔt），于是每单位体积的流体所产生的升力为： （ρ1-ρ2）g=[ρ2（1+βΔt）-ρ2]g=ρ2βgΔt或（ρ1-ρ2）/g=βΔt 强制对流是由于外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体的流动。 传热面的形状、位置和大小 传热管、板、管束等不同的传热面的形状；管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高度等，都影响h值。 目前解决对流传热问题的方法主要有量纲分析法和类比法。常用的量纲分析法有雷莱法和伯金汉法（Buckingham Method）， 前者适合于变量数目较少的场合，而当变量数目较多时，后者较为简便，由于对流传热过程的影响因素较多，故需采用伯金汉法。 强制对流（无相变）传热过程 根据理论分析及实验研究，对流传热系数h的影响因素有传热设备的尺寸l、流体密度ρ、粘度μ、定压质量热容cp、导热系数k及流速u等物理量，可用h=f（l，ρ、μ、cp、k、u）表示，式中涉及到的基本量纲只有四个。最后可得强制对流（无相变）传热时的无量纲数群关系式Nu=φ（Re，Pr）。 自然对流传热过程 同样可得，自然对流传热时准数关系式为Nu=φ（Gr，Pr）。 各准数名称、名称和含义列于表1。 表1 准数的名称、符号和含义 准数名称 符号 准数式 含义 努塞尔数 （Nusselt number） Nu 表示对流传热系数的准数 雷诺数 （Reynolds number） Re 表示惯性力与粘性力之比，是表征流动状态的准数 普兰德数 （Prandtl number） Pr 表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数，反映与传热有关的流体物性 格拉斯霍夫数 （Grashof number） Gr 表示由于温度差引起的浮力与粘性力之比 各准数中的物理量的意义为： h — 对流传热系数，W/（m2 ℃）； u — 流速，m/s； ρ— 流体的密度，kg/m3； l — 传热面特性尺寸，可以是管径（内径、外径或平均直径）或平板长度，m； k — 流体的导热系数，W/（m2 ℃）； μ— 流体的粘度，Pa s； cp— 流体的定压比容，J/（kg