换热器及其基本计算

姓名：杜鑫鑫学号：0903032038合肥学院材料工程基础姓名：班级：09无机非二班学号：\课题名称：换热器及其基本计算指导教师：胡坤宏换热器及其基本计算一、换热器基础知识（1）换热器的定义：换热器是指在两种温度不同的流体中进行换热的设备。

（2）换热器的分类：由于应用场合不同，工程上应用的换热器种类很多，这些换热器照工作原理、结构和流体流程分类。

二、几个不同的换热器（1）管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。

它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，应用最为广泛，在换热设备中占据主导地位。

管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。

管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程；管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程。

一种流体在管内流动，而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过，为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。

而壳管式换热器又可根据不同分为U形管式换热器、固定管板换热器、浮头式换热器、填料函式换热器几类。

(2) 套管式换热器套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接而成同心圆套管，外面的叫壳程，内部的叫管程。

两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动(或同向)以达到换热的效果。

套管式换热器以同心套管中的内管作为传热元件的换热器。

两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的内管（传热管）借U形肘管，而外管用短管依次连接成排，固定于支架上。

热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。

通常，热流体由上部引入,而冷流体则由下部引入。

套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。

内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。

每程传热管的有效长度取4～7米。

这种换热器传热面积最高达18平方米，故适用于小容量换热。

当内外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节或内外管间采用填料函滑动密封，以减小温差应力。

管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成，若选材得当，它可用于腐蚀性介质的换热。

这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被广泛用于石油化工等工业部门。

结构特点：①结构简单，传热面积增减自如。

因为它由标准构件组合而成，安装时无需另外加工。

②传热效能高。

它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的传热系数，因此它的传热效果好。

液-液换热时,传热系数为 870～1750W/（m 2·℃）。

这一点特别适合于高压、小流量、低传热系数流体的换热。

套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约为管壳式换热器的5倍；管接头多，易泄漏；流阻大。

③结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可以有较高的传热系数；缺点是单位传热面的金属消耗量大，检修、清洗和拆卸都较麻烦，在可拆连接处容易造成泄漏。

为增大传热面积、提高传热效果，可在内管外壁加设各种形式的翅片，并在内管中加设刮膜扰动装置，以适应高粘度流体的换热。

(3) 板式换热器板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。

各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热热量液—液、液—汽进行热交换的理想设备。

它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。

在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3-5倍，占地面积为管式换热器，热回收率可高达90%以上。

板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。

板式换热器主要由换热板片、固定压紧板、.活动压紧板、夹紧螺栓、上导杆、下导杆、后立柱等组成。

板式换热器的特点是（板式换热器与管壳式换热器）：a.传热系数高由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50~200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3~5倍。

b.对数平均温差大，末端温差小在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1℃，而管壳式换热器一般为5℃.c.占地面积小板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的2~5倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5~1/8。

d.容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加。

e.重量轻 板式换热器的板片厚度仅为0.4~0.8mm ，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.0~2.5mm ，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。

g. 制作方便 板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。

h. 容易清洗 框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。

i. 热损失小 板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。

而管壳式换热器热损失大，需要隔热层。

三、换热器的简单计算（1）换热面积的计算av t H QA ∆=式中A 为换热面积.Q 为总换热量.H 为导热系数,不同的材料导热系数不一样,相同的材料采用的介质不同其换热系数也不同,相同的材料如采用换热器的结构形式不同其H 值选取也不同.由于题中未说明工艺条件,H 值无法选取.△t 为次热介质的平均温度.（2）平均温差计算间壁两侧流体传热平均温差（又称为平均推动力）Δtm 的大小和计算方法与换热器中参与换热流体的温度变化情况以及流体的相对流动方向有关。

① 恒温差传热在换热器中，间壁两侧的流体均存在相变时，两流体温度分别保持不变，这种传热称为恒温差传热。

例如在蒸发器中，饱和蒸汽冷凝与另一侧液体沸腾之间的传热，其传热温差保持恒定不变。

在恒温差传热中，由于两流体的温差处处相等，传热过程的平均温差即是发生相变两流体的饱和温度之差。

②变温差传热若间壁传热过程中有一侧流体没有相变，则流体的温度沿流动方向是变化的，传热温差也随流体流动的位置发生变化，这种情况下的传热称为变温差传热。

在变温差传热时，传热过程平均温差的计算方法与流体的流动排布型式有关。

下面分别讨论常见流动排布型式传热过程的平均传热温差计算方法。

a．并流和逆流时的传热温差下面以逆流传热过程为例，推导平均温差计算公式。

设热流体的进、出口温度分别为t h1和t h2；冷流体的进、出口温度分别为t c1和t c2。

假定：（1）冷、热流体的比热容c pc、c ph在整个传热面上都是常量；（2）总传热系数H在整个传热面上不变；（3）换热器无散热损失。

在dA 两侧，冷、热流体的温度分别为t h和t c，传热温差为dt，即Δt = t h-t c通过微元面积dA的传热量为dQ = H(t h-t c)dA = HΔtdA热流体放出热量dQ后温度下降了d th；冷流体在吸收了热量dQ后，温度上升了d tc。

沿热流体的流动方向，冷、热流体的温度均下降，由热量衡算方程可得dt h = -dQ/(m h C ph)dt c = -dQ/(m c C pc)上述所推导的平均传热温差表达式称为对数平均温差。

b．错流和折流时的传热温差在实际的换热器设计中，流体的流动通常不是纯粹的逆流或并流，因为在设计中除了考虑传热的温差外，还要考虑到影响传热系数的多种因素以及换热器结构方面的问题，所以，在换热器中流体的流向一般都比较复杂。

按照冷、热流体之间的相对流动方向，流体之间作垂直交叉的流动，称为错流；如一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复地折流，使两侧流体间并流和逆流交替出现，这种情况称为简单折流。

在列管式换热器中可以有多种流动排布型式。

为了强化传热，列管式换热器的管程或壳程通常是多流程，即流体经过两次或多次折流后才流出换热器，这样就使平均温差的计算变得复杂。

对于常用换热器中的各种流动组合，尽管可以通过理论分析得到平均温差的计算公式，但是形式上将更加复杂。

在工程上，对于错流或复杂流动的平均温差，常采用安德伍德和鲍曼提出的一种简单方法，即先按逆流计算对数平均温差Δtm' ，再乘以考虑流动排布型式的温差修正系数j，从而得到复杂流动排布型式的平均温差Δtm ，即温差修正系数j与换热器内流体的温度变化有关。

对于给定的流动排布型式，温差修正系数j可以表示为无因次参数P和R的函数，温差修正系数j与参数P和R的关系可以通过理论导出。

c．不同流动排布型式的比较在前述各种流动排布型式中，并流和逆流是两种极端情况。

两流体作变温传热时，在进出口温度条件相同时，逆流的平均温差最大，并流的平均温差最小，对于其他的流动排布型式，其平均温差介于两者之间。

因此，就提高传热温差推动力而言，逆流优于其他型式的流动。

因此，在实际的换热器中应尽量采用逆流流动，而避免并流流动。

但是在一些特殊场合下仍采用并流流动，以满足特定的生产工艺需要，例如要求冷流体被加热时不能超过某一规定温度，或者热流体被冷却时不能低于某一规定温度，则采用并流流动较容易控制。

此外，在高温换热器中，如果采用逆流流动，则热流体和冷流体的最高温度均集中在换热器的同一端，使得该处的壁温特别高，将导致管壁处产生较大的热应力和热变形，这种情况也不宜采用逆流流动。

当换热器中有一侧流体发生相变，由于发生相变流体的温度保持不变，无论何种流动排布型式，只要另一侧流体的进、出口温度保持恒定，则传热过程的平均温差均相同。

这时也就没有并流和逆流之分了。

四、 壁温的计算在选用换热器的类型和材料时都需要知道间壁的壁温，可以写出热流体的壁温计算式根据稳定传热原理，高温高温流体传给器壁传给低温流体的热量，即：q=h 2(t 2-t w2)q=h 1(t w1-t 1)联立上述两方程，可得：()2122222h t t H t h q t t w --=-= ()1121111h t t H t h qt t w -+=+= 如果器壁热阻很小可以认为k δ=0，则t w1=t w2,从而可得： 2112111h h t t t t w +=--根据上式可以算出表面温度t w 。