换热器计算

换热器计算生产部湖北宜化集团有限责任公司2008-12第一节：概述第二节：换热器分类第三节：传热过程的分析及热计算第四节：传热的强化目录一、基本概念热量：由于温差的存在会导致能量的转换，转化的能量称为热量。而该转化过程称为热交换或热传递。热量的单位为焦耳。比热：是比热容的简称。单位质量的某种物质，温度降低1℃或升高1℃所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热容。国际单位J/(kg·K)。常用单位：kJ/(kg·℃)、cal/(kg·℃)、kcal/(kg·℃)等。换算关系：1cal=4.19J传热系数K值：是指在稳定传热条件下，物体两侧温差为1度（K，℃），1秒内通过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）。第一节概述一、基本概念相变：物质从一种相转变为另一种相的过程。相即固、液、气三态，相变常伴有吸热或放热以及体积突变。单位质量物质在等温等压条件下，从一相转变为另一相时吸收或放出的热量称为相变潜热。沸点：液体发生沸腾时的温度；即物质由液态转变为气态的温度。沸点随外界压力变化而改变，压力低，沸点也低。第一节概述二、传热过程在化工生产中的应用传热：是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温度部位之间所进行的热的转移。传热在化工生产中的应用：①加热或冷却，使物料达到指定的温度；②换热，以回收利用热量；③保温，以减少热损失.化工生产中对传热的要求：强化传热(加热或冷却物料)削弱传热(设备和管道的保温)第一节概述三、传热的基本方式一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的机理不同，热传递有三种基本方式：热传导热对流热辐射(一)热传导(导热)问题：冬天，为什么触摸铁比木头更冷些？一些常见物质的导热系数物质碳钢不锈钢铝合金铜银钛石墨导热系数λ[W/m·℃]45~5210~3020340142917.6129物质木头水冰空气水蒸汽氨气玻璃导热系数λ[W/m·℃]0.04~0.10.542.220.0240.0250.0220.8~1保温实例(二)热对流(三)热辐射间壁式换热混合式换热蓄热式换热第二节换热器分类间壁式换热•列管式、板式换热器混合式换热蓄热式换热伞板式板壳式板翅式板式螺旋板式板面式换热器缠绕管式管壳式套管式蛇管式管式换热器间壁式换热器间壁式换热分类列管式换热器优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。例：氨冷器（卧冷），变换冷却器浮头式换热器优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。例如：813低甲冷U型管式换热器优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。例如：合成的中置、后置锅炉套管式换热器优点：构造简单；能耐高压；传热面积可根据需要增减；适当地选择管内、外径，可使流体的流速加大；且双方的流体作严格的逆流，有利于传热。缺点：管间接头较多，易发生泄露。单位长度传热面积较小。适用场合：传热面积不太大而又要求压强较高，或传热效果较好时。例如：压缩的CO2机，813H2、N2高压段蛇管式换热器优点：结构简单，价格低廉，便于防腐蚀，能承受高压。缺点：由于容器的体积较蛇管的体积大得多，所以管外流体的传热系数较小,因而总传热系数的值也较小。若在容器内增设搅拌器或减小管外空间，则可提高传热系数。适用场合：用作液体的预热器或蒸发器，或有腐蚀性的流体喷淋式换热器优点：与沉浸式蛇管换热器相比，便于检修和清洗、传热效果好。缺点：喷淋不易均匀。适用场合：放在室外空气流通处，冷却水在空气中蒸发时，可带走部分热量，以提高冷却效果。例如：压缩的CO2机，813H2、N2高压段夹套式换热器优点:结构简单。缺点:传热面受容器壁面限制，传热系数小。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。适用场合：反应过程的加热或冷却。例如：季醇的结晶罐板式换热器优点:结构紧凑，单位体积设备所提供的传热面积大；总传热系数高，可通过增减板数调节传热面积；检修、清洗方便。缺点:处理量不大，操作压强较低，操作温度不能太高。例如：季醇板翅式换热器当两种流体的对流传热系数之比为3:1或更大时，宜采用翅片式换热器优点:效能高,用于气-气换热时效果最好；紧凑；重量轻；坚固；缺点:耐腐蚀性差、承压低。螺旋板式换热器优点:总传热效率高；不易堵塞；能有效利用低温热源和精密控制温度仪表；结构紧凑。缺点:操作压强和温度不能太高；结构复杂，不易检修第三节：传热过程的分析及热计算传热过程中的基本问题可以归结为：①载热体用量计算②传热面积计算③换热器的结构设计④提高换热器生产能力的途径。解决这些问题，主要依靠两个基本关系：(1)热量衡算式根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则Q热=Q冷，称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热体的用量。对于热物质：Q热=W热Cp热(T1-T2)+W热r热对于冷物质：Q冷=W冷Cp冷(t2-t1)+W冷r冷式中：Q─放(吸)热速率/W；Cp─比热/(J/Kg·℃)；W─流量/(Kg/s);t─进出口温度/℃；r─相变焓/(J/Kg)包括气化潜热、溶解热等；热量计算实例例1：85℃、1.6MPa的氨气在氨冷器中冷凝成30℃的液氨，流量为20t/h。水的进出口温度分别为19℃和21℃。求：(1)冰机的制冷量;(2)水的流量解:(1)查氨的物性参数：1.6MPa的氨气饱和温度为45℃，冷凝潜热r=1336.97kJ/kg氨气比热Cpg=2.112kJ/kg·℃，液氨比热Cpl=4.708kJ/kg·℃冰机制冷量等于氨液化的放热量，氨液化放热分三部分：气氨冷却至45℃+气氨在45℃下冷凝潜热+液氨从45℃冷却至30℃Q1=WCpg(t1-t2)=20000×2.112×(85-45)=1.69×106kJ/hQ2=Wr=20000×1336.97=2.67×107kJ/hQ3=WCpl(t2-t3)=20000×4.708×(45-30)=1.41×106kJ/hQ=Q1+Q2+Q3=2.98×107kJ/h=8.3MW(2)根据热平衡方程：Q放热=Q吸热Q氨放热=Q水吸热=W水Cp水(T2-T1)已知水的比热为4.2kJ/kg·℃，进出口温度分别为19℃和21℃2.98×107kJ/h=W水×4.2kJ/kg·℃×(21℃-19℃)解得W水=3.548×106kg/h=3548t/h单位时间内通过传热面的热量称为传热速率，用Q表示，其单位［W］。Q=Q热=Q冷实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差△tm及传热面积S成正比，即：Q=KS△tm=△tm/(1/KS)=推动力/阻力式中：Q─传热速率，W；S─传热面积，m2；△tm─传热面两侧温度差，℃；K─总传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2·℃；⑵传热速率方程式Δt1—进口处冷热物质温差/℃;Δt2—出口处冷热物质温差/℃当Δt1≤2Δt2时，对数平均数与算术平均数相差小于4％，此时为了方便计算取可算数平均数：换热面积：以列管式换热器为例，S=nπdL,d-换热管直径，一般取内、外径的平均值/m；L-管长/m；n-管子数量2121lnΔtΔtΔtΔtΔtm平均温差：221ΔtΔtΔtm＋几个相关公式：式中：式中：对数平均数问题：并流时平均温差大还是逆流时平均温差大？当一侧流体变温，另一侧恒温时，不论并流或逆流，其平均温差相等；当两侧流体均变温时，并流和逆流的平均温差不等，通常是：并流逆流,,mmtt在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对热敏性物料加热时，物料的出口温度有限制时才采用并流操作。xTThTcT1T2xTThTcT1T2并流逆流例2，氨冷器为逆流操作，试分别求氨冷凝段，液氨冷却段水的出口温度及每一段的平均温差解：逆流操作温度变化图如下：平均温差计算实例氨：水：t1=85℃气氨冷却t2=45℃气氨冷凝成液氨t2=45℃液氨冷却t3=30℃T2=21℃T4？T3？T1=19℃根据热平衡方程：Q氨放热=Q水吸热Q1=W水Cp水(T2-T4)1.69×106kJ/h=3.548×106kg/h×4.2kJ/kg·℃×(21-T4)Q3=W水Cp水(T3-T1)1.41×106kJ/h=3.548×106kg/h×4.2kJ/kg·℃×(T3-19)解得：T4=20.5℃；T3=19.6℃氨：水：t1=85℃气氨冷却t2=45℃气氨冷凝成液氨t2=45℃液氨冷却t3=30℃T2=21℃T4=20.5℃T3=19.6℃T1=19℃△t1=85-21△t2=45-20.5△t3=45-19.6△t4=30-19=64℃=24.5℃=25.4℃=11℃C95.244.255.24ln4.255.24ln32322tttttmC1.415.2464ln5.2464ln21211tttttmC21.17114.25ln114.25ln43433tttttm总传热系数K的计算•总传热系数K是表示换热设备性能好坏的重要参数，也是传热计算中重要的依据。•K的来源：（1）生产实际的经验数据在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据，下表列出了一些条件下经验K值的大致范围，供设计时参考。列管换热器总传热系数K的经验数据流体种类总传热系数K[W/(m2·K)]水—气体12~60水—水800~1800水—煤油350左右水—有机溶剂280~850气体—气体12~35饱和水蒸气—水1400~4700饱和水蒸气—气体30~300饱和水蒸气—油60~350饱和水蒸气—沸腾油290~870⑵实验测定通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算K值：实验测定可以获得较为可靠的K值。由计算方法得到的K值往往与查取的和实测的K值相差较大，这主要是由于计算给热系数α的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确等原因所致，因此，使用计算的K值时应慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的K值。mtSQk（3）分析计算ooiiRbRk111式中：αi—管内流体对流给热系数[W/m2·℃]；αo—管外流体对流给热系数[W/m2·℃];λ—管材导热系数[W/m·℃];b—管壁厚度[m];Ri—管内污垢热阻[(m2℃)/w];R0—管外污垢热阻[(m2℃)/w]npcdud)()(023.08.0流体在管内做湍流时α的表达式：式中：λ—流体导热系数[W/m·℃]，d—管径[m]，u—流速[m/s]，ρ—密度[kg/m3]，μ—粘度[Pa·S]，Cp—比热[J/kg·℃]，n值视热流方向而定，当流体被加热n=0.4，被冷却时n=0.3TwtwTt热流体冷流体QQA1A2b流体种类污垢热阻m2·℃/W流体种类污垢热阻m2·℃/W水(u1m/s,t50℃)蒸气海水0.0001有机蒸汽0.0002河水0.0006水蒸气(不含油)0.0001井水0.00058水蒸气废气(含油)0.0002蒸馏水0.0001制冷剂蒸汽(含油)0.0004锅炉给水0.00026气体未处理的凉水塔用