换热器的传热计算.

换热器的传热计算.

换热器的传热计算

换热器的传热计算包括两类：一类是设计型计算，即根据工艺提出的条件，确定换热面积；另一类是校核型计算，即对已知换热面积的换热器，核算其传热量、流体的流量或温度。这两种计算均以热量衡算和总传热速率方程为基础。

换热器热负荷Q 值一般由工艺包提供，也可以由所需工艺要求求得。Q=W c p Δt ，若流体有相变，Q=c p r 。

热负荷确定后，可由总传热速率方程（Q=K S Δt ）求得换热面积，最后根据《化工设备标准系列》确定换热器的选型。

其中总传热系数K=

0011

h Rs kd bd d d Rs d h d o m i i i i ++++ （1）

在实际计算中，总传热系数通常采用推荐值，这些推荐值是从实践中积累或通过实验测定获得的，可以从有关手册中查得。在选用这些推荐值时，应注意以下几点：

1. 设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳程的流体相一致。

2. 设计中流体的性质（粘度等）和状态（流速等）应与所选的流体性质和

状态相一致。

3. 设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型相一致。

4. 总传热系数的推荐值一般范围很大，设计时可根据实际情况选取中间的

某一数值。若需降低设备费可选取较大的K 值；若需降低操作费用可取较小的K 值。

5. 为保证较好的换热效果，设计中一般流体采用逆流换热，若采用错流或

折流换热时，可通过安德伍德（Underwood ）和鲍曼（Bowman ）图算法对Δt 进行修正。

虽然这些推荐值给设计带来了很大便利，但是某些情况下，所选K 值与实际值出入很大，为避免盲目烦琐的试差计算，可根据式（1）对K 值估算。

式（1）可分为三部分，对流传热热阻、污垢热阻和管壁导热热阻，其中污垢热阻和管壁导热热阻可查相关手册求得。由此，K 值估算最关键的部分就是对流传热系数h 的估算。

影响对流传热系数的因素主要有：

1.流体的种类和相变化的情况

液体、气体和蒸气的对流传热系数都不相同。牛顿型和非牛顿型流体的也有区别，这里只讨论牛顿型对流传热系数。

流体有无相变化，对传热有不同的影响。

2.流体的性质

对h影响较大的流体物性有比热、导热系数、密度和粘度等。对同一种流体，这些物性又是温度的函数，而其中某些物性还和压强有关。

3.流体的流动状态

当流体呈湍流时，随着Re数的增加，滞流内层的厚度减薄，故h就增大。而当流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂流动，故h就较湍流时为小。

4.流体流动的原因

自然对流是由于流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。设ρ1和ρ2分别代表温度为t1和t2两点的密度，则流体因密度差而产生的升力为（ρ1-ρ2）g。若流体的体积膨胀系数为β，单位为1/℃，并以代表Δt温度差（t2- t1），则可得ρ1=ρ2（1+βΔt），于是每单位体积的流体所产生的升力为：

（ρ1-ρ2）g=[ρ2（1+βΔt）-ρ2]g=ρ2βgΔt或（ρ1-ρ2）/g=βΔt

强制对流是由于外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体的流动。

5.传热面的形状、位置和大小

传热管、板、管束等不同的传热面的形状；管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高度等，都影响h值。

目前解决对流传热问题的方法主要有量纲分析法和类比法。常用的量纲分析法有雷莱法和伯金汉法（Buckingham Method），前者适合于变量数目较少的场合，而当变量数目较多时，后者较为简便，由于对流传热过程的影响因素较多，故需采用伯金汉法。

强制对流（无相变）传热过程

根据理论分析及实验研究，对流传热系数h的影响因素有传热设备的尺寸l、

流体密度ρ、粘度μ、定压质量热容c p、导热系数k及流速u等物理量，可用h=f（l，ρ、μ、c p、k、u）表示，式中涉及到的基本量纲只有四个。最后可得强制对流（无相变）传热时的无量纲数群关系式Nu=φ（Re，Pr）。

自然对流传热过程

同样可得，自然对流传热时准数关系式为Nu=φ（Gr，Pr）。

各准数名称、名称和含义列于表1。

表1 准数的名称、符号和含义

准数名称符

号

准数

式

含义

努塞尔数

（Nusselt number）Nu

k

hl

表示对流传热系数的准

数

雷诺数

（Reynolds number）Re

μ

ρ

lu

表示惯性力与粘性力之

比，是表征流动状态的

准数

普兰德数

（Prandtl number）Pr

k

c

p

μ

表示速度边界层和热边

界层相对厚度的一个参

数，反映与传热有关的

流体物性

格拉斯霍夫

数（Grashof number）Gr 2

2

3

μ

β

ρt

g

l∆表示由于温度差引起的

浮力与粘性力之比

各准数中的物理量的意义为： h — 对流传热系数，W/（m 2 ℃）； u — 流速，m/s ； ρ— 流体的密度，kg/m 3；

l — 传热面特性尺寸，可以是管径（内径、外径或平均直径）或平板长度，m ； k — 流体的导热系数，W/（m 2 ℃）； μ— 流体的粘度，Pa s ；

c p — 流体的定压比容，J/（kg ℃）； Δt —流体与壁面间的温度差，℃； β— 流体的体积膨胀系数，1℃/或1/K ； g — 重力加速度，m/s 2。

上述关系式仅为Nu 与Re 、Pr 或Gr 、Pr 的原则关系式，而各种不同情况下的具体关系式则需通过实验确定。在使用由实验数据整理得到的关系式时，应注意：

①应用范围 关系式中Re 、Pr 等准数的数值范围等； ②特性尺寸 Nu 、Re 等准数中的l 应如何确定； ③定性温度 各准数中的流体物性应按什么温度查取。

总之，对流传热系数是流体主体中的对流和层流内层的热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素（引起流动的原因、流动状态和有无相变化等）都必然影响对流传热系数。以下分流体无相变和有相变两种情况来讨论对流传热系数的关系式，其中前者包括强制对流和自然对流，后者包括蒸汽冷凝和液体沸腾。

➢ 流体无相变时的强制对流传热 1. 流体在管内做强制对流

1) 流体在光滑圆形直管内做强制湍流 a) 低粘度流体

可应用迪特斯（Dittus ）-贝尔特（Boelter ）关联式，即：

n

p b i i k c u d d k h ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=μμρ8

.0023.0 （2）