管壳式换热器热力计算

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FTΔtm)。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Δpt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αiK估，则改变管程数重新计算。若改变管程数不能同时满足ΔptΔp允，αiK估的要求，则重新估计K估值，改变结构参数进行计算。3.计算壳程压降和传热膜系数3.1如果壳程压降Δps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αo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15~25%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/m•K，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ReRe=ρvd/μ，其中v、ρ、μ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=μcp/λ，其中μ、cp、λ分别为流体的粘度、定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/λ，其中h、L、λ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=KAΔtm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；Δtm——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(Tc,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+QcQ2=ηcQ1热损失系数ηc通常取0.97~0.98；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K1/K=1/αo+1/αi(Ao/Ai)+ro+ri(Ao/Ai)+δAo/λwAm式中αo——管外流体传热膜系数，W/(m2·℃)；αi——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；δ——管壁厚度，m；λw——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Δtm1=(Δt1+Δt2)/2(2)对数平均温度差Δtm2=(Δt2-Δt1)/ln(Δt2/Δt1)式中Δtm2——较大的温度差；Δtm1——较小的温度差。当Δtm1/Δtm22时，采用算术平均温度差，否则采用对数平均温度差。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Δtm；Δtm=FTΔtlm式中Δtlm——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(1)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分。(1.1)湍流Re10000对于低粘度流体(μi2μa，μa为常温下水的粘度)，可用αi=0.023λi/diRei0.8Prin应用范围：Re10000，0.7Pr120，L/di60。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：αi=0.027λi/diRei0.8Pri1/3(μi/μw)0.14定性温度：除μw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=2300~10000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φ，即可得到过渡流下的对流传热膜系数。φ=1-6×105/Re1.8α过渡流=φ×α湍流(1.3)层流Re2300，可用：Nu=1.86Re1/3Pr1/3(di/L)1/3(µi/μw)0.14应用范围：Re2300，0.6Pr6700，（RePrL/di）100。定性温度：除μw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/Π式中A——流体流通截面积，m2；Π——流体浸润周边，m。JH=(αi/cpiGi)(cpiμi/λi)2/3(μi/μw)0.14式中αi——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)；μi——流体平均温度下的粘度，Pa·s；μw——管壁温度下流体的粘度，Pa·s；λi——流体导热系数，W/(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(μ/μw)0.14αo=0.23λ/do(douρ/μ)0.6(cpμ/λ)1/3(μ/μw)0.14应用范围：Re=(3~2)×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)αo=0.36λ/de(deuoρ/μ)0.55Pr1/3(μ/μw)0.14应用范围：2×103~1×106；特征尺寸：de按(2.1)中des计算；定性温度：除μw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=(αodes/λo)(cpoμo/λo)1/3(μo/μw)-0.14Js由Rees查下图求取；Rees=desGs/μ16式中αo——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；λo——壳程流体导热系数，W/(m·℃)；μo——壳程流体平均温度下的粘度，kg/(m·s)；μw——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-πdo2)/(πdo)对于正方形排列的管子des=(4Pt2-πdo2)/(πdo)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Δpi3.2壳程压力降问题：1