油和空气换热器设计计算
换热器设计计算步骤
换热器设计计算步骤1. 管外自然对流换热2. 管外强制对流换热3. 管外凝结换热已知：管程油水混合物流量 G ( m 3/d)，管程管道长度 L (m)，管子外径do (m)， 管子内径di (m)，热水温度 t ℃， 油水混合物进口温度 t 1’, 油水混合物出口温度 t 2” ℃。
1. 管外自然对流换热 1.1 壁面温度设定 首先设定壁面温度，一般取热水温度和油水混合物出口温度的平均值，t w ℃， 热水温度为t ℃，油水混合进口温度为'1t ℃，油水混合物出口温度为"1t ℃。
"w 11t ()2t t =+ 1.2 定性温度和物性参数计算 管程外为水，其定性温度为1()K -℃21()2w t t t =+管程外为油水混合物，定性温度为'2t ℃''"2111()2t t t =+根据表1油水物性参数表，可以查得对应温度下的油水物性参数值一般需要查出的为密度ρ (3/kg m ),导热系数λ(/())W m K ∙，运动粘度2(/)m s ，体积膨胀系数a 1()K -，普朗特数Pr 。
表1 油水物性参数表水t ρλvaPr10 999.7 0.574 0.000001306 0.000087 9.52 20 998.2 0.599 0.000001006 0.000209 7.02 30 995.6 0.618 0.000000805 0.000305 5.42 40 992.2 0.635 0.000000659 0.000386 4.31 50 998 0.648 0.000000556 0.000457 3.54 60 983.2 0.659 0.000000478 0.000522 2.99 70997.70.6680.0000004150.0005832.5580 971.8 0.674 0.000000365 0.00064 2.21 90 965.3 0.68 0.000000326 0.000696 1.95 100958.40.6830.0000002950.000751.75油t ρλva Pr10 898.8 0.1441 0.0005646591 20 892.7 0.1432 0.00028 0.000693335 30 886.6 0.1423 0.000153 1859 40 880.6 0.1414 9.07E-05 1121 50 874.6 0.1405 5.74E-05 723 60 868.8 0.1396 3.84E-05 493 70 863.1 0.1387 0.000027 354 80 857.4 0.1379 1.97E-05 263 90 851.8 0.137 1.49E-05 203 100846.20.13611.15E-051601.3 设计总传热量和实际换热量计算0m v Q Cq t Cq t ρ=∆=∆v v C q t C q t αρβρ=∆+∆油油水水C 为比热容/()j kg K ∙，v q 为总体积流量3/ms ，αβ分别为在油水混合物中油和水所占的百分比，t ∆油水混合物温差，m q 为总的质量流量/kg s 。
导热油换热器计算
kg/ms
m3/h
℃ m m2
250
849 2.675
300 275
0.0685
0.00003 7.4
52.787589 130 30
68.197144 46
0.02 264.4
W Vc/(3600n0F0) Nhomakorabeam/s
1.0151772
管程 烟气侧
31 管内雷诺数 管壁温度油粘
32 度 33 比值
34 传热准则 35 管内放热系数 36 横管距 37 纵间距 38 比值 39 横管空隙 40 管长 41 烟通面积 42 烟速 43 润周 44 当量直径 45 管外雷诺数 46 传热准则 47 管外换热系数 48 污垢系数 49 钢管热阻
61849.364 122
213491.8 275341.17
2 0.547046
0.3151944 997.20273
导热油换热器 计算 序号 项目 1 换热量
2 烟气量
3 进口烟温
4 出口烟温
6 平均烟温
7 比热
8 密度 9 标况下密度
10 导热系统
烟气放热
11 粘度
12 普兰德数
13 烟气放热 14 导热油吸
导热油入口温 15 度
16 导热油密度 17 导热油比热 18 导热油出温 19 平均油温
20 导热系统
6 弯头数
Z
7 回弯阻力
P2 4ρw2/2Z
Pa
8 油侧总阻力 Pf P1+P2
Pa
9 横向节距
σ1 S1/d
10 斜向节距
φ (s1-d)/(s2'-d)
(3.2+0.66(1.7-
化工原理课程设计 列管式换热器
化工原理课程设计列管式换热器设计要求：设计一个列管式换热器，实现两种不同温度的流体之间的热量传递。
设计要求如下：1. 列管式换热器采用直管式结构，热传导介质为水和油；2. 设计流量分别为水流量 Q1 = 500 L/h，油流量 Q2 = 300 L/h；3. 设计温度分别为水的进口温度 T1i = 80℃，油的进口温度T2i = 120℃；4. 确定水的出口温度 T1o 和油的出口温度 T2o；5. 选择合适的换热器材料，确保换热效果良好；6. 根据设计参数计算所需的换热面积 A 和换热效率η。
设计方案：1. 确定管径和管长：首先根据水和油的流量和温度差，计算所需的换热面积。
然后确定换热器的尺寸，其中包括管径和管长。
2. 选择换热器材料：根据换热介质的性质和工作条件，选择合适的换热器材料，例如不锈钢。
3. 计算出口温度：根据热平衡原理，计算水和油的出口温度。
假设换热器满足热平衡条件，即水的热量损失等于油的热量增加。
4. 计算换热面积：根据换热器的尺寸和热传导方程，计算所需的换热面积。
5. 计算换热效率：根据热平衡原理和换热器的热传导性能，计算换热效率。
实施步骤：1. 根据设计流量和温度差，计算所需的换热面积。
假设水和油的传热系数均为常数，可以使用换热传导方程进行计算。
2. 根据所需的换热面积和理论计算值，选择合适的换热器尺寸。
3. 根据所选换热器材料，计算换热器的尺寸和管径。
假设管壁温度近似等于流体温度。
4. 根据热平衡原理，计算出口温度。
假设热平衡条件满足，即水的热量损失等于油的热量增加。
5. 根据所选材料和尺寸，计算换热效率。
假设换热器的热传导系数为常数，使用换热效率计算公式进行计算。
总结：本课程设计主要针对列管式换热器的设计，通过选择合适的换热器材料和计算换热器的尺寸，实现了水和油之间的热量传递。
根据设计要求，通过计算出口温度和换热效率，验证了设计方案的合理性。
设计过程需要考虑多方面的因素，如流体性质、流量和温度差等。
导热油换热器计算
℃ m m2 m/s kg/ms
0.023Re0.8Pr1/3E Nuλ /d 设计 设计 S1/S2
w/m2C
39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 51
横管空隙 b 管长 L 烟通面积 Fy 烟速 Wy 润周 U 当量直径 d0y 管外雷诺数 Re 传热准则 Nuy 管外换热系数 α y 污垢系数 ε 钢管热阻 R 换热系数 K 传热量 Qj 传热量计算误差 ξ 流动阻力计算 粗糙度 比值 摩擦系数 沿程长度 沿程阻力 弯头数 回弯阻力 油侧总阻力 横向节距 斜向节距 阻力系数 烟气侧阻力
设计 n0/2*L*b n0/2*2*L+n0/2*2b-b 4Fy/U wρ d0/μ 0.31Re0.6(S1/S2)0.2 Nuλ /d
m2 m m
w/m2C m2C/w λ /d w/m2C 1/(1/α 0＋1/α y+1/e+1/R) w/m2C KFΔ T kw |Qj-Qc|/Qj*100 <5%
0.025 1.2 1.38 13.428064 112.675 0.0489905 12411.381 88.644899 95.89989 0.000172 13833.333 92.729155 1672.0295 0.4166189
管程
烟气侧
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
序号
导热油换热器计算 项目 1 换热量 Qc 2 烟气量 3 进口烟温 4 出口烟温 6 平均烟温 7 比热 8 密度 9 标况下密度 Vh t1h t2
h h h
计算公式或数据
单位 kw Nm /h ℃ ℃ ℃ kJ/kg℃ kg/Nm w/m℃ kg/ms
换热器设计计算
污垢热阻的大致数值
流体种类
水(u<1m/s, t<50℃) 海水 河水 井水 蒸馏水
锅炉给水 未处理的凉水塔用水 经处理的凉水塔用水 多泥沙的水
盐水
污垢热阻 m2·℃/W
0.0001 0.0006 0.00058 0.0001 0.00026 0.00058 0.00026 0.0006 0.0004
校核性热计算 针对现成的换热器，其目的在于确定流体 的出 口温度
因此： 设计型——已知任务设备 操作型——已知一定设备预测、调节结果
1、设计型计算的命题
给定生产任务：ṁ1，T1T2(or ṁ2，t1t2) 选择工艺条件：t1，t2 计算目的：换热器传热面积A（管子规格，根数）；ṁ2 特点：结果的非唯一性。
换热器设计计算
5.1 换热器类型
换热器类型 按结构分为
间壁式
套管式 交 壳 板叉 管 式流 式(换管热壳器式)管 管 板翅 束 翅式 式 式
螺旋板式
夹套式
混合式
蓄热式
按用途分为：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器
蓄热器（蓄能器）
（一）间壁式换热器 一、套管式换热器
二 、管壳式换热器
2、设计计算公式：
质量衡算：ṁ1
ṁ2
ṁn = ?
dn = ?
热量衡算： Q = ṁ1Cp1(T1 - T2) = ṁ2Cp2(t2 - t1)
传热速率式： Q = KAtm
注意： 计算单位要统一
➢ 热量：由于温差的存在会导致能量的交换。 该交换过程称为热交换或热传递。 热量的国际单位：焦耳（J）或常用单位：卡（cal）。 换算关系：1cal=4.19J
（对数平均数）
Δt1 Δt2 ln Δt1
原油快速换热升温方案设计计算
换热器部分计算管程介质为原油进口温度 (℃) Tt1=30（给定）出口温度 (℃) Tt2=55（给定）工作压力（MPa) Pt =1.0（给定）平均温度 (℃) Tt =42.5(计算）流体的定压比热容Cp(KJ/(kg.℃))=2.29(查表）流量(t/h) Q =150（给定）流体密度（kg/m3)ρ=950(查表）所需热量(KJ/h)=8158125(计算）壳程进口温度 (℃) Ts1=170.42（给定）蒸发潜热(KJ/kg)Rs1=2768.4出口温度 (℃) Ts2=100（给定）蒸发潜热(KJ/kg)Rs2=2257.6工作压力（MPa) Pt =0.8（给定）平均温度 (℃) Ts =135.21(计算）流体的定压比热容Cp1(KJ/(kg.℃)=4.1868(查表）170.42℃降为100℃1.温差放出热量(KJ/(kg)）为294.83100℃-510.8170.4(℃) 饱和蒸汽密度（kg/m3)ρ1 4.218(查表）100.0(℃) 饱和蒸汽密度（kg/m3)ρ20(查表）1立方饱和蒸汽从170.4℃降为100.0放出潜热(KJ/(m3)）所需要水蒸汽量为(m3/h)530.778508(计算）饱和蒸汽流速(m/s)15(查表）壳程进出口管径(mm)111.870312(计算）取壳程进出口管径DN 10015075.28介质为饱和蒸汽 2.密度变化放出热量(KJ/(kg)）原油快速换热升温方案设计计算每1千克饱和水蒸汽从吸收热量(KJ/(kg)每1千克饱和水蒸汽换热管外径（mm ）25（给定）换热管内径（mm ）20（给定）换热管长度（mm ）6000（给定）换热管数量180（给定）换热器管程程数2（给定）换热管换热面积（m2）84.8230002换热管内介质流速(m/s) 1.47440434总传热系数K 计算流体的导热系数 λ(W/(m.℃))0.683流体主体粘度（Pa.s)μ0.00024313管内强制湍流传热ai 511.49948流体的导热系数 λ(W/(m.℃))0.684壳程流体介质平均温度下密度（kg/m3)ρ1.7895壳程流体介质平均温度下流体主体粘度（Pa.s)μ 2.02E-04壳程流体介质在管壁温度下流体粘度（Pa.s)μw 2.21E-04管外强制湍流传热ao 70.7527306换热管选用材料20管换热管传热系数51.8(查表）总传热系数 K=15.5396981低粘度流体在管内强制湍流传热低粘度流体在管外强制湍流传热流体的有效平均温90.8250307差(℃)换热面积（m2） F=5780.19147(查表）(查表）。
气热交换器设计计算
通 过对烘房及加热物品的热量 � 衡算 , 从而确定单位时 的计算方法是 � � 间内需热量 引入传热方程 � � � � � ( � Q ). � � � � � � � � � = ( (11- 22 )/(12 - 21 ) 11 - 22 ) - ( 12 - 21 ) / 进 , 出换热器烟气温度 ( � � � � A=Q / K � � ( 1) �) 11 12 式中 Q 单 位时间内烘 房及加 热物品需 热量 , 进 , 出换热器被加热空气温度 ( � � � � � �) 21 22 � � � J/ K A 热交换器的传热系数 , J/ 换热 面积 ,
因此热交换器内烟气流速的确定应主要决定于燃烧机的工况阻力目前市场上所能提供的油气燃烧机都是在微正压状态下达到最佳工作状态其发出功率与燃烧室内压力的关系为研究与成都市农林科学院四川成都邮编摘要介绍一类型燃油气热交换器从换热计算及结构设计方面进行了阐述关键词热交换器计算结构从上图中可以看出当燃烧室内压力小于50燃烧机才能发出最大功率因此从管道阻力同烟气速率关系分析热交换器内烟气流速不能过快其阻力计系数单行程a1两行程a13实践中烟气流速一般取116对被加热空气的要求在此类换热器中被加热空气的流动方向是从下至上正负压方式均可空气速度一般要求为烟道布置从生产实践和工艺设计要求上烟道布置采用回流两行程式此方式有效解决了传热的不均匀性并提高了传热效率而烟道阻力能满足燃烧机的工况要求热变形在烟道结构设计中充分考虑了热变形1上图中主要受热件换热管2燃烧室5均可沿长度方向伸缩2上图中支架4与换热器主体采用柔性连接而支架4与换热系统之间采用了限位连接安全机构为了预防燃烧机出现点火滞后故障而产生爆燃引起燃烧室内压力剧增而出现安全事故特设置了卸压观察口当产生爆燃时卸压观察口上的重力盖板自动打开达到及时卸压的目的设计实例一条货车车身喷涂线中的固化炉炉体内尺寸循环风量23000型单段火天然气燃烧机输出功率169对固化炉及加热车身进行热量衡算确定单位时间内需热量22800021热交换器的传热系数k为44引入传热方程1则22800044211614结论51以上计算的结果同实际运用的效果接近原因是在运用经典公式计算中重新定义了综合传热系数的范围从而简化了工况中传热系数的计算并在实践中有效扩大了换热范围从而提高了换热效率52此换热器在工作中对换热空气的流动方向要求较高在换热器外形及风道设计上力求降低阻力和有效分风当要求换热空气的温度较高时可对换热器外形添加翅片以引导换热空气的流动方向和增加换热面积但要控制由此增加的换热器热惯性53在实际设计中可适当加大换热器的换热面积更重要是要尽量符合市场提供的板材尺寸从而降低制造成本54在节约能源方面可充分利用排放烟气余热因地制宜地进行如预热空气预热被加热物生产热水等收稿日期参考文献1
换热器设计
换热器设计：一：确定设计方案：1、选择换热器的类型两流体温度变化情况，热流体进口温度130°C，出口温度80°C；冷流体进口温度40°C，出口温度65°C。
该换热器用自来水冷却柴油，油品压力0.9MP，考虑到流体温差较大以及壳程压强0.9MP，初步确定为浮头式的列管式换热器。
2、流动空间及流速的确定由于冷却水容易结垢，为便于清洗，应使水走管程，柴油走壳程。
从热交换角度，柴油走壳程可以与空气进行热交换，增大传热强度。
选用Φ25×2.5 mm的10号碳钢管。
二、确定物性数据定性温度:可取流体进口温度的平均值。
壳程柴油的定性温度为T1=130°C，T2=80°C，t1=40°C，t2=65°CT=(130+80)/2=105(°C)管程水的定性温度为t=(40+65)/2=52.5(°C)已知壳程和管程流体的有关物性数据柴油105°C下的有关物性数据如下:ρ=840 kg/m3密度定压比热容C o=2.15 kJ/（kg·k）导热系数λo=0.122 W/(m·k)粘度µo=6.7×10-4N·s/m2水52.5°C的有关物性数据如下：ρ=988 kg/m3密度iC=4.175 kJ/（kg·k）定压比热容iλ=0.65 W/(m·k)导热系数i粘度 µi =4.9×10-4 N·s/m 2三、计算总传热系数1.热流量m 0=95000(kg/h)Q 0= m 0C o Δt o =95000×2.15×(130-80)=10212500kJ/h=2836.8(kw) 2.平均传热温差m t '∆=(Δt 1-Δt 2 )/ln (Δt 1/Δt 2)=[(130-65)-(80-40)]/ln[(130-65)/(80-40)]=51.5(°C) 其中Δt 1=T 1-t 2，Δt 2=T 2-t 1。
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3
2
K2=1/[0.555/(1382×0.08168)+0.555/(2×45×1×π) ×ln(0.032/0.026)+1/(78.18/0.8)]=46.92 W/(m.℃),因此
Q=46.92×0.555×(238－184.8)=1.385KW. 2.空气阻力计算 根据换热器肋片管排列及数据,由横掠错列肋片管阻力公式: Δhhx=ζhx·ρ·w2/2, Pa;式中ζhx=ζj·z2 为横向冲刷管束阻力系数; 而ζj=Cz·Cs·Ref 为每排管子阻力系数. 其中,Cz 为管排数修正系数;当 Cz≥6 时, Cz=1; Ref=wk·B/νf 为错列肋片管束空气雷诺数;又 B=n·{d2(Sf－δ)+[D·δ+(D2－d2)/2] ·[π(D2－d2)/4]1/2}/(L1·d·δ) 为圆形肋片管定型尺寸,m.其中, L1=n·δ=96×0.0012=0.1152m 为肋片占管子部分长,m; β=H2/(πd·L)=0.555/(0.032×1×π)=5.52 为肋片系数(总表面积与光管表面积之 比).则 B=96×{0.0322×(0.01－0.0012)+[0.062×0.0012+(0.0622－0.0322)/2] ·
Pry=12.87;
根据图给定条件:肋片外径 D=0.062m,肋片厚δ=0.0012m,肋片管长 L=1m,每 1m
长管肋片数 n=96;肋片与管壁胀接时的传热系数λ=45 W/(m.℃).
由传热公式,每 1m 长管传热量:Q=K2H2(t1-t2),kW, 式中 H2=H2”+H2’为每 1m 长管总外表面积,㎡; H2”=2nπ[(rj2-r2)+rj·δ]为肋片表面积,㎡; H2’=nπd(Sf－δ)为每 1m 长管肋间管表面积㎡; 其中,rj=r+hj 为假想环肋外半径,m; 而 hj=h+δ/2=0.015+0.0012/2=0.0156m 为肋片假想高度,m.则 rj=0.032/2+0.0156=0.0316m; H2”=2×96×π[(0.03162-0.0162)+0.0316×0.0012]=0.47 ㎡; H2’=96×π×0.032×(0.01－0.0012)=0.085 ㎡; H2=0.47+0.085=0.555 ㎡. H1=dn·Lπ=0.026×1×π=0.08168 ㎡为每 1m 长管内表面积,㎡. 又η=( H2’+ H2”·η1)/H2 为肋片总效率; 而η1 为肋片效率, η1 的数值由 [α2/(λ·δ)]1/2·hj=[78.18/(45×0.0012)]1/2×0.0156=0.5936 与 rj/r=0.0316/0.016=1.975 查图求出: η1=0.765;那么 η=( 0.085+ 0.47×0.765)/0.555=0.8;
油－空气换热器设计计算
1.热力计算 1.1 给定条件
换热功率 N=45KW,风机风量 V=5.556m3/s;全压 H=1350Pa;出口风温 t1=190℃;进 口风温 t2=179.6℃;按给定条件选用 45KW 油加热器时,导热油循环量为 18m3/h,则设 定入口油温 t1’=240℃;出口油温 t2’=236℃;平均油温 ty=238℃,据此初定错列肋片 管结构如图.
[10×0.01/(32.76×10-6)]0.65/0.01=78.18 W/(m.℃)
1
1.3 计算油对管内壁的换热系数α1 由液体对管内壁换热系数公式:
α1=Nuy·λy /d------------ W/(m.℃) 式中: Nuy=0.023Rey0.8·Pry0.4 为管内导热油受迫紊放热的努谢尔特准数; Rey=wy·dn/νy 为导热油雷诺言数; wy =0.94m/s 为导热油流速(结构给定); νy , wy ,Pry 分别为定性温度下导热油的运动粘度㎡/s,导热系数 W/(m.℃),普朗特 准数.
[π(0.0622－0.0322)/4]1/2}/(0.1152×0.032×5.52)=0.372m, Ref=10×0.372/(32.76×10-6)=113.6×103 Cs=5.4(B/ddl)0.3 为当 Ref=(2.2～180)×103 时的修正系数; 而 ddl=4A/U=2[Sf·(S1－d)-2δ·h]/(2h+Sf)为管束收缩横截面的当量直径,m, 即 ddl=2×[0.01×(0.1124－0.032)-2×0.0012×0.015]/(2×0.015+0.01)=0.0384m. Cs=5.4×(0.372/0.0384)0.3=10.67; ζj=1×10.67×(113.6×103)-0.25=0.581; ζhx=0.581×10=5.81,因此 Δhhx=5.81×0.772×102/2=224.3Pa. 3.结论
无缝钢管
δ 肋片
肋片管结构图
W 肋片管排列图
1.2 计算空气与肋片管束的换热系数α2 按热风换热器推荐风速 WK=10m/s,则横向管距 S1=0.1124m,纵向管距 S2=0.045m,
纵向管排数 Z2=10,管外径 d=0.032m,管内径 dn=0.026m,壁温 tb=190℃. 根据流体横掠错列圆形肋片管管束对流换热系数计算公式 α2=0.23CZψ0.2λk·(d/Sf)-0.54·(h/Sf)-0.14·(wk·Sf/νk)0.65/Sf 式中:单位 W/(㎡.℃), CZ 为管排数修正系数,当 CZ≥10 时取 CZ=1; ψ=(σ1－1)/ (σ2’－1)为节距修正系数; σ1=S1/d 为横向相对节距; σ2’=S2’/d 为斜向相对节距; 由图可知,S2’=(S12+S22)1/2 为管束斜向节距,m; 即 S2’=(0.11242+0.0452)1/2=0.121m; σ2’=0.121/0.032=3.784; σ1=0.1124/0.032=3.513; ψ=(3.513－1)/ (3.784－1)=0.903; λk , νk 分别为平均温度下空气的导热系数 W/(m.℃)和运动粘度㎡/s. 当空气平均温度为 tk=(t1+t2)/2=(190+179.6)/2=184.8℃时,查表得: λk =0.03738W/(m.℃)和νk=32.76×10-6 ㎡/s; 空气密度ρk=0.772 ㎏/m3.肋片高 h=(D-d)/2=0.015m,肋片间距 Sf=0.01m,那么 α2=0.23×1×0.9030.2×0.03738×(0.032/0.01)-0.54×(0.015/0.01)-0.14×
当给定平均温度 238℃,查燕山石化公司 YD-325 导热油物性值:
νy =0.54×10-6 ㎡/s; wy= 0.106W/(m.℃); 此时 Rey=0.94×0.026/(0.54×10-6)=45260 因 Rey＞10000,属紊流放热,那么 Nuy=0.023×452600.8·12.870.4=339 所以α1=339×0.106/0.026=1382 W/(m.℃) 1.4 热力计算