管壳式换热器热力计算

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， ℃；
(b) αo=0.36 λ/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；
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+Qc
Q2=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K
1/K=1/αo+1/αi(Ao/ Ai)+ro+ ri( Ao/ Ai)+ δAo/ λw Am 式中 αo——管外流体传热膜系数，W/(m2 · ℃)；
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）。
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， ℃
雷诺数Re
Re=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。
α过渡流= φ × α湍流 (1.3)层流 Re<2300，可用：
Nu=1.86Re1/3Pr1/3(di/L)1/3(µi/μw)0.14
应用范围：Re<2300，0.6<Pr<6700，（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；
面积，壳程的对流传热膜系数可采用：
(a)
Nu=0.23Re0.6Pr1/3( μ/ μw)0.14
αo=0.23 λ/do(douρ/μ)0.6(cpμ/λ)1/3(μ/μw)0.14
应用范围：Re=(3~2) ×1000014；
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。
(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
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FT<0.8，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。
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： α i=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/Re1.8
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 Re>10000 对于低粘度流体(μi<2μa， μa为常温下水的粘度)，可用
αi=0.023λi/ diRei0.8Prin 应用范围：Re>10000，0.7<Pr<120，L/di>60。 当L/di>60时，应将上式乘以[1+(di/L)0.7]进行修正。
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Δpi 3.2壳程压力降
问题：1
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.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αi<K估，则改变管程数重新计算。若改变管程 数不能同时满足Δpt<Δp允，αi<K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。
Di——换热器的壳体内径，m。 (c) Js=(αodes/ λo) (cpoμo/λo)1/3(μo/μw)-0.14 Js由Rees查下图求取；Rees=desGs/ μ
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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；
(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Leabharlann Baidu Δtm2——较大的温度差；
Δtm1——较小的温度差。 当Δtm1/ Δtm2<2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。
JH由下图选取
(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
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；
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
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。