換熱器的傳熱計算

1、換熱器的傳熱計算換熱器的傳熱計算包括兩類：一類是設計型計算，即根據(jù)工藝提出的條件，確定換熱面積；另一類是校核型計算，即對已知換熱面積的換熱器，核算其傳熱量、流體的流量或溫度。這兩種計算均以熱量衡算和總傳熱速率方程為基礎。換熱器熱負荷Q值一般由工藝包提供，也可以由所需工藝要求求得。Q=WcpAt,若流體有相變，Q=cpr。(D熱負荷確定后，可由總傳熱速率方程（Q=KSAt）求得換熱面積，最后根據(jù)化工設備標準系列確定換熱器的選型。其中總傳熱系數(shù)K=金dbdoRsR%gdikdm這些推薦值是從實踐中積累或在選用這些推薦值時，應注意以在實際計算中，總傳熱系數(shù)通常采用推薦值,通過實驗測定獲得的，可以從有

2、關手冊中查得。下幾點：1 .設計中管程和殼程的流體應與所選的管程和殼程的流體相一致。2 .設計中流體的性質(zhì)（粘度等）和狀態(tài)（流速等）應與所選的流體性質(zhì)和狀態(tài)相一致。3 .設計中換熱器的類型應與所選的換熱器的類型相一致。4 .總傳熱系數(shù)的推薦值一般范圍很大，設計時可根據(jù)實際情況選取中間的某一數(shù)值。若需降低設備費可選取較大的K值；若需降低操作費用可取較小的K值。5 .為保證較好的換熱效果，設計中一般流體采用逆流換熱，若采用錯流或折流換熱時，可通過安彳惠伍彳惠（Underwood）和鮑曼（Bowman）圖算法對At進行修正。雖然這些推薦值給設計帶來了很大便利，但是某些情況下，所選K值與實際值出入很大

3、，為避免盲目煩瑣的試差計算，可根據(jù)式（1）對K值估算。式（1）可分為三部分，對流傳熱熱阻、污垢熱阻和管壁導熱熱阻，其中污垢熱阻和管壁導熱熱阻可查相關手冊求得。由此，K值估算最關鍵的部分就是對流傳熱系數(shù)h的估算。影響對流傳熱系數(shù)的因素主要有:1. 流體的種類和相變化的情況液體、氣體和蒸氣的對流傳熱系數(shù)都不相同。牛頓型和非牛頓型流體的也有區(qū)別，這里只討論牛頓型對流傳熱系數(shù)。流體有無相變化，對傳熱有不同的影響。2. 流體的性質(zhì)對h影響較大的流體物性有比熱、導熱系數(shù)、密度和粘度等。對同一種流體，這些物性又是溫度的函數(shù)，而其中某些物性還和壓強有關。3. 流體的流動狀態(tài)當流體呈湍流時，隨著Re數(shù)的增加，滯

4、流內(nèi)層的厚度減薄，故h就增大。而當流體呈滯流時，流體在熱流方向上基本沒有混雜流動，故h就較湍流時為小。4. 流體流動的原因自然對流是由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點的相對位移。設P1和p2分別代表溫度為tl和t2兩點的密度，則流體因密度差而產(chǎn)生的升力為(P1-P2)g0若流體的體積膨脹系數(shù)為B,單位為1/C,并以代表At溫度差(t2-t1),則可得P1=p2(1+pAt),于是每單位體積的流體所產(chǎn)生的升力為：(P1-p2)g=P2(1+BAt)-P2g=P2BgAt或(p1-p2)/g=BAt強制對流是由于外力的作用，如泵、攪拌器等迫使流體的流動。5. 傳熱面的形

5、狀、位置和大小傳熱管、板、管束等不同的傳熱面的形狀；管子的排列方式，水平或垂直放置；管徑、管長或板的高度等，都影響h值。目前解決對流傳熱問題的方法主要有量綱分析法和類比法。常用的量綱分析法有雷萊法和伯金漢法(BuckinghamMethod),前者適合于變量數(shù)目較少的場合，而當變量數(shù)目較多時，后者較為簡便，由于對流傳熱過程的影響因素較多，故需采用伯金漢法。強制對流(無相變)傳熱過程根據(jù)理論分析及實驗研究，對流傳熱系數(shù)h的影響因素有傳熱設備的尺寸l、流體密度P、粘度以、定壓質(zhì)量熱容5、導熱系數(shù)k及流速u等物理量，可用h=f(l,p、cccp、k、u)表示，式中涉及到的基本量綱只有四個。最后可得強

6、制對流(無相變)傳熱時的無量綱數(shù)群關系式Nu=i>(Re,Pr)。自然對流傳熱過程同樣可得，自然對流傳熱時準數(shù)關系式為Nu=小(Gr,Pr)。各準數(shù)名稱、名稱和含義列于表1。表1準數(shù)的名稱、符號和含義準數(shù)名稱符號準數(shù)式含義努塞爾數(shù)(Nusseltnumber)Nuhlk表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)Relu表示慣性力與粘性力之比，是表征流動狀態(tài)的準數(shù)普蘭德數(shù)(Prandtlnumber)Prcpk表示速度邊界層和熱邊界層相對厚度的一個參數(shù)，反映與傳熱有關的流體物性格拉斯霍夫數(shù)(Grashofnumber)Gr,32lgt2表示由于溫度差引起的浮力與粘性力之比

7、各準數(shù)中的物理量的意義為：h一對流傳熱系數(shù)，W/(m2C);u流速，m/s；p一流體的密度，kg/m3；l一傳熱面特性尺寸，可以是管徑(內(nèi)徑、外徑或平均直徑)或平板長度，m；k流體的導熱系數(shù)，W/(m2C)；L流體的粘度，Pas；cp流體的定壓比容，J/(kgC)；At一流體與壁面間的溫度差，C;B流體的體積膨脹系數(shù)，1/或1依；g重力加速度，m/s°上述關系式僅為Nu與Re、Pr或Gr、Pr的原則關系式，而各種不同情況下的具體關系式則需通過實驗確定在使用由實驗數(shù)據(jù)整理得到的關系式時，應注應用范圍關系式中Re、Pr等準數(shù)的數(shù)值范圍等；特性尺寸Nu、Re等準數(shù)中的l應如何確定；定性溫度

8、各準數(shù)中的流體物性應按什么溫度查取?？傊?，對流傳熱系數(shù)是流體主體中的對流和層流內(nèi)層的熱傳導的復合現(xiàn)象。任何影響流體流動的因素（引起流動的原因、流動狀態(tài)和有無相變化等）都必然影響對流傳熱系數(shù)。以下分流體無相變和有相變兩種情況來討論對流傳熱系數(shù)的關系式，其中前者包括強制對流和自然對流，后者包括蒸汽冷凝和液體沸騰。?流體無相變時的強制對流傳熱1.流體在管內(nèi)做強制對流1）流體在光滑圓形直管內(nèi)做強制湍流a）低粘度流體可應用迪特斯（Dittus）-貝爾特（Boelter）關聯(lián)式,即:k0.023didiUb0.8ncpk(2)式中n值視熱流方向而定，當流體被加熱時，n=0.4,當流體被冷卻時，n=0.3應

9、用范圍：Re>10000,0.7<Pr<120,>60（L為管長）。若上<60,需考didi0.7慮傳熱進口段對h的影響，此時可將求得的h值乘以1包進行校正。L特性尺寸：管內(nèi)徑di。定性溫度：流體進出口溫度的算術平均值。b）高粘度流體可應用西彳惠爾（Sieder）-泰特（Tata關聯(lián)式，即:0.81/30.14w為壁面溫度下流體的粘度。(3)kdiubCph0.027dikw0.14式中一也是考慮熱流方向的校正項,w應用范圍：Re>10000,0.7<Pr<1700,L>60(L為管長)。di特性尺寸：管內(nèi)徑di。定性溫度：除w取壁溫外，均

10、取流體進出口溫度的算術平均值。一般而言，由于壁溫未知，計算時往往要用試差法，很不方便，為此可取近0.140.14似值。液體被加熱時，取一=1.05,液體被冷卻時，取一=0.95;對ww0.14氣體，則不論加熱或冷卻，均取一=1.0。w2）流體在光滑圓形直管內(nèi)作強制層流流體在管內(nèi)作強制層流時，一般流速較低，故應考慮自然對流的影響，此時由于在熱流方向上同時存在自然對流和強制對流而使問題變得復雜化，因此，強制層流時的對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式其誤差要比湍流的大。當管徑較小，流體壁面間的溫度差也較小且流體的小值較大時，可忽略自然對流對強制層流傳熱的影響，此時可應用西彳惠爾（Sieder）-泰特（Tate）關聯(lián)

11、式，即：1/30.14kdi/,、h1.86RePr（4）diLw應用范圍：Re<2300,0.7<Pr<6700,RePrd>10（L為管長）特性尺寸：管內(nèi)徑di。定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進出口溫度的算術平均值。上式適用于管長較小時的情況，當管子極長時則不再適用，因為此時求得的h趨于零，與實際不符。當參數(shù)Nu-k1、k2和n已知時，選用下列關聯(lián)式結果較為準確：NuNuk1(RePrdj/L)1k2(RePrdi/L)n(5)Nu一不同條件下努塞爾數(shù)的平均值或局部值;Nu-熱邊界層在管中心匯合后的努塞爾數(shù)；k1、k2、n一常數(shù)，其值可由2表查得;L一管長，m；d

12、i管內(nèi)徑，m表2式(5)中的各常數(shù)值壁間情況速度側(cè)形PrNuNu-k1k2n包壁溫拋物線任意平均3.660.06680.042/3包壁溫正在發(fā)展0.7平均3.660.1040.0160.8恒壁熱通量拋物線任意JOS4.360.0230.00121.0恒壁熱通量正在發(fā)展0.7JOS4.360.0360.00111.0各物理量的定性溫度為管子進出口流體主體溫度的算術平均值。除表2所述情況外，一般采用式(4)計算ho應當指出，由于強制對流時對流傳熱系數(shù)很低，故在換熱器設計中，應盡量避免在強制層流條件下進行換熱。3)流體在光滑圓形管內(nèi)呈過渡流當Re=230010000時，對流傳熱系數(shù)可先用湍流時的公式計算，然后把算得結果乘以校正系數(shù)小16105Re1.8(5)4)流體在彎管內(nèi)作強制對流流體在彎管內(nèi)流動時，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動程度，使