换热器选型和计算

课程设计——换热器选型计算推荐参考书目：化工原理第三版/第四版.王志魁刘丽英刘伟.化工原理课程设计指导.任晓光宋永吉李翠清.换热器设计手册.钱颂文31.换热概述2.热传导3.对流传热一、换热理论四、管壳式换热器选型步骤二、管壳式换热器三、两流体间传热过程计算4生产中的应用：热量的传递简称传热。物料的加热或冷却；热量与冷量的回收利用；设备或管路的保温。传热的基本方式：热传导；对流；热辐射。1、传热概述一、换热理论5傅里叶定律2.热传导1)温度场和温度梯度温度场：某时刻，物体内部各点的温度分布。等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。t1t2t1t2等温线Q注意：不同温度的等温面不相交。温度梯度：温度场内，某一点沿其等温面法线方向的温度变化率。（向量，与法线方向一致，以温度增加的方向为正。）等温线：不同等温面与同一平面相交的交线。6式中Q──热流量或传热速率，W或J/s；A──导热面积，m2；t/n──温度梯度，℃/m或K/m；──热传导系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。在质地均匀的物体内，若等温面上各点温度梯度相同，则单位时间内的传热量Q与温度梯度及垂直于热流方向上的导热面积A成正比。2)傅里叶定律t+tt-ttnQdAntntAQ─傅立叶定律数学表达式：7假设：(1)A大，b小；(2)材料均匀，热导率λ视为常数；(3)温度仅沿x方向变化，且不随时间变化，故为一维稳态传热。单层平壁的稳态热传导AQ图中，Q─热流量或传热速率，W或J/s；A─平壁的面积，m2；b─平壁的厚度，m；─平壁的导热系数，W/(m·℃)；t1,t2─平壁两侧的温度，℃。t1t2btxdxQxQx+dxA8对dx薄层，导热速率可表示为：xtAQdd边界条件为：xtt01时，2ttbx时，tR传热推动力热阻积分导出，单层平壁导热速率方程式为：1212()ttQAttbbAtt1r1r2t20rQdr假定：a)圆筒壁材质均匀，热导率λ为常数；b)温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面，一维稳态温度场；单层圆筒壁的稳态热传导图中，Q─热流量或传热速率,W或J/s；─导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)；t1,t2─圆筒壁两侧的温度,℃；r1,r2─圆筒壁内外半径,m。rbdt10对于dr同心薄层圆筒，传热速率为rtrlrtAQdd2ddrrtt22时，rrtt11时，边界条件：12122112121221ln))((ln)())((2AAbAAttrrrrrrttlQ积分导出，圆筒壁导热速率方程式为：热阻推动力RtAbttm)(21AAAAAm2121ln/对数平均面积：11ThmTcmδL1ThwδL2δ1‘δ2‘TCW对流传热的温度分布ThmTcmδL1ThwδL2δ1‘δ2‘TCWThmTcmδL1ThwδL2δ1‘δ2‘TCW对流传热的温度分布对流传热过程•间壁：导热，热阻大，温差大。•层流底层：导热，热阻大，温差大。•湍流核心：对流，热阻很小，温差很小。•过渡区域：介于层流底层和湍流核心之间。热流体冷流体3、对流传热12对流传热速率方程牛顿冷却公式：式中Q──对流传热速率，W；──对流传热系数，W/(m2·℃)；t──对流传热温度差，℃；A──传热面积，m2。tQAt1A推动力热阻的求解是关键，通过对流传热的特征关系式求解。又称管壳式换热器，工业上广泛使用。二、列管式换热器传热面为壳内所有管束壁内外表面积。主要部件：封头、管板、管束、折流挡板、外壳管壳式换热器示意图：管程：流体在同一组管束中的流程。壳程：流体在壳体中沿某一方向的流程。式中，K─总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)；Q─总传热速率，W或J/s；A─总传热面积，m2；tm─两流体的平均温差，℃或K。冷热两流体通过间壁传热过程，其总传热速率Q与传热面积A和两流体温度差成正比。mm1/tQKAtKA总传热推动力总热阻tm即总传热速率方程式：三、两流体间传热过程的计算15一、热量衡算1mq2mq图中，─热、冷流体的质量流量，kg/s；cp1,cp2─热、冷流体的比热容，J/(Kg℃)；h1,h2─冷流体的进、出口焓，J/kg；H1,H2─热流体的进、出口焓，J/kg。1mq2mq热流体G1,T1,cp1,H1T2H2冷流体G2,t2,cp2,h1t2h2列管换热器16若流体均无相变，且流体比热容cp不随温度变化。此时，热量衡算式：12122112ppmmQqqCCttTT假设，传热过程无热损失：热量衡算式：122112mmQqqhhHH==QQQ吸放17一、恒温传热：二、变温传热：二、求传热平均温度差饱和蒸汽-液体沸腾mtTt两侧流体温度沿传热面无变化。一侧或两侧流体沿传热面的不同位置温度不同。三、流体流动方式：a.逆流：冷热流体沿传热面两侧流向相反。b.顺流：冷热流体沿传热面两侧流向相同。c.错流：两流体垂直交叉流动。d.折流：一侧流体只沿一个方向流动，另一侧流体反复改变流向来回折返流动。181、逆流和并流时的tmt2t1T1T2t1t2T1T2逆流并流211tTt122tTt111tTt222tTt2121lntttttm传热平均温差：注意：①较大温差记为t1，较小温差记为t2；②当＜2时，tt212ttt21m19mmtt'1221ttTTR冷流体温升热流体温降1112tTttP两流体初温差冷流体温升mt'：逆流时的平均温度差2、错流、折流时的mt温度校正系数ψ是辅助量P、R的函数，即注意：校正系数ψ应至少不小于0.8。(,fPR）c)固体壁面另一侧冷流体b)固体壁面一侧另一侧20t2dAT1t1T2对于微元段dA，三、总传热系数冷流体twTw对流对流导热热流体tTQa)热流体固体壁面一侧微元段温度分布：1dQ对流3dQ对流2dQ热传导111111d=()wwQTTdATTdA322221d=()wwQttdAttdA2d=()wm21221122111111dAdAbdAtTdAttdAbtTdATTdQmwm2211111dAdAbdAKdAm式中K——总传热系数，W/(m2·K)。KdAtTdQ1稳态热传导时，沿同一热流方向上，传热速率为定值，故123dQdQdQdQ22污垢热阻式中，R1、R2——传热面两侧的污垢热阻，m2·K/W。以传热面dA1为基准(dA=dA1):传热表面常有污垢积存，其热阻一般不可忽视。工程上一般根据经验选用污垢热阻。以传热面A1为基准：111122111mddbKdd以传热面dA2为基准(dA=dA2):以传热面dAm为基准(dA=dAm):222112111mddbKddmmm1122111ddbKdd1111211222111mdddbRRKddd1.根据工艺要求，计算热负荷Q；2.初选流动方式，尽可能保证逆流或接近逆流，计算平均温度差tm。3.依据经验范围选取总传热系数K估，估算总传热面积A估=Q/K估tm。4.确定流体流经管程或壳程，选定管程流速u1；先按单壳程多管程的计算，如果0.8，应增加壳程数；由流速u1和流量qm1估算单管程的管子根数n，由n和A估来估算管子长度L，选择合适管长ι及管程数再由系列标准选适当型号的换热器。四、管壳式换热器选型步骤5.核算总传热系数K；分别计算管程和壳程的，确定污垢热阻Rd，求出K，与选取的K估比较，保证K在经验范围内，并与K估相差不大。若相差很大，回到4改变管程流速u1来调整总传热系数K。6.计算总传热面积A；根据A=Q/Ktm计算A，并与选定的换热器传热面积A选比较，应有10%~25%的裕量。若不能达到裕量要求，应回到3重新选取K估估算并选型。选型实例注意：选型计算是一个反复试算的过程，有时要反复试算两三次。