管壳式热交换器的热力计算
管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟
毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟专业年级2007级热能与动力工程专业学号姓名******** 杨郭指导教师刘巍评阅人刘庆君二零一一年六月中国南京任务书课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟课题类型：毕业论文任务书内容:1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。
2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。
其总流阻损失应在满足规定要求。
2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。
3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。
3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。
3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸； 3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等； 3.6.4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图； 3.6.5.毕业设计论文； 3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。
(完整版)换热器热量及面积计算公式.doc
换热器热量及面积计算一、热量计算1、一般式Q=W h（H h,1- H h,2）= W c（H c,2- H c,1）式中：Q 为换热器的热负荷， kj/h 或 kw ；W 为流体的质量流量， kg/h；H 为单位质量流体的焓， kj/kg ；下标 c 和 h 分别表示冷流体和热流体，下标 1 和 2 分别表示换热器的进口和出口。
2、无相变化Q=W h c p,h(T1-T2)=W c c p,c(t2-t1)式中：c p为流体平均定压比热容，kj/(kg.℃)；T为热流体的温度，℃；T为冷流体的温度，℃。
二、面积计算1、总传热系数K管壳式换热器中的K 值如下表：冷流体热流体总传热系数 K，w/(m2. ℃）水水850-1700水气体17-280水有机溶剂280-850 水轻油340-910 水重油60-280有机溶剂有机溶剂115-340 水水蒸气冷凝1420-4250 气体水蒸气冷凝30-300水低沸点烃类冷凝455-1140 水沸腾水蒸气冷凝2000-4250 轻油沸腾水蒸气冷凝455-1020 注：1w=1J/s=3.6kj/h=0.86kcal/h1kcal=4.18kj2、温差（1）逆流热流体温度 T：T1→T2冷流体温度 t ：t2 ←t1温差△ t ：△ t1 →△ t2△t m=（△ t2- △t1 ）/ ㏑（△ t2/ △t1 ）（2）并流热流体温度 T：T1→T2冷流体温度 t ：t1 →t2温差△ t ：△ t2 →△ t1△t m=（△ t2- △t1 ）/ ㏑（△ t2/ △t1 ）3、面积计算S=Q/(K. △t m)三、管壳式换热器面积计算S=3.14ndL其中， S 为传热面积 m2、n 为管束的管数、 d 为管径， m；L 为管长，m。
四、注意事项冷凝段：潜热（根据汽化热计算）冷却段：显热（根据比热容计算）。
管壳式换热器的设计及计算
第一章换热器简介及发展趋势1.1 概述在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。
进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。
换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。
在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。
由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。
在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。
70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。
这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。
所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。
同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。
当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。
当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。
各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。
在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。
总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化传热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。
管壳式换热器热力计算软件开发
这一缺点 ，并能够提高热力计算的准确性 ，另外
软 件具有 友好 的界 面 ，用户 可 以选择 合适 的换 热
№， １ ６ｅ Ｐ ｄｔ ） （） ＝． Ｒ） ｒ ／） ／ ６ ８ ￣ （ （
式中： ｒ ，胁， ｒ 分别 为努 赛尔 ，雷诺 和普 ，尸， 朗特准则数；ｎ为常数 ，流体被加 热时取 ０４ ．， 被冷却时取 ０ ３ ， 分别为管 的内径和管 的长 ． ；ｄ Ｚ 度，ｍ；ｕ，ｕ 分别为流体 的平均动力粘度和管 ， 壁 处的动 力粘度 ，ｋ／ （ ・ ） ｇ ｍ ｓ。 ②壳侧对流传热系数的计算 般情 况下在 壳侧加 折流板 来强化 壳侧 的对
钢 铁厂 的加 热炉是 大型 的耗 能设 备 ，其 出炉 膛 烟气 温度 一般 为 ９０Ｃ左右 ，经加 热 炉尾 部空 ０￣ 气 换热 器换 热后 的烟 气 温度 仍 然有 ４０～５０ｅ。 ５ ０￣ 然后 排 人大 气 … ，很 大 一 部 分 热 量 没 有 得 到 回 收利 用 ，造成 了能源 的浪费 。随着 国家节 能减排
平台 ，可以实现管壳式换热器的热力设计计算和热 力校核计算 。通过 该软件可 以对换热器 进
行优化设 计。 关键 词 加热 炉 管壳式换热器 热力计算
Ｄｅ ｅｏ ｍ ｅ ｆ ｔ ｒ ｏ ｎ ｍ ｉ ａ ｃ ｌ ｔｏ ｓ ｆｗａ ｅ ｖ ｌ ｐ ｎｔｏ ｈｅ ｍ ｄｙ ａ ｃ ｃ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｔ ｒ ｆ ｒ ｓ ｅ ｌａ ｄ ｔ ｂｅ ｈ ａ ｘ ｈａ ｇ ｒ ｏ ｈ ｌ ｎ ｕ ｅ ｔｅ ｃ ｎ ｅ
Ｗａ ｇＫ ｎ Ｙ ｉｇ Ｚ ａＹ ｏ ｎ ｕ ｕＯ ｎｔ ￣ ｈ ｏ ａ （ ｏｔｅｓ ｍ ｎｖｒ ｔ） Ｎ ｒ ａｔ Ｕ ｉ ｓｙ ｈ ｅ ｅｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｔｅ ｍｏ ｙ ａ ｃ ｃ ｌｕ ａｉｎ ｓ ｆ ａ ｅ ｆｒ ｓ ｅｌ ａ ｄ ｔ ｂ ｅ ｔ ｅ ｃ ａ ｇ ｒ ｕ ｅ ｏ ｈ ｓｒ ｃ ｈ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ａｃ ｌ ｔ ｏｔ ｒ ｏ ｈ ｌ ｎ ｕ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ｓ ｄ ｆｒ ｔ ｅ ｏ ｗ ｗ ｓｅ ｈ ａ ｅ ｏ ｅ ｙＷａ ｎｒ ｄ ｃ ｄ ａ ｔ ｅ ｔ ｃ ｖ ｒ ｓ ｉ ｔ ｕ ｅ ．Ｔ ｅ ｓ ｆ ｒ ａ ｅ ｅｏ ｅ ｓｎ ． ａ ｇ ａ ｅ Ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｒ ｏ ｈ ｏｔ ｅ Ｗ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｕ ｉ ｇ ＶＢ ６ ０ ｌｎ ｕ ｇ ． ｈ ｅ ｉｎ ｗａ ｓ ｃ ｃ ｌｔ ｎ ｎ ｅ ｃ ｅ ｋ ｃ ｃ ｌｔ ｎ ｏ ｌ ｅ ｆ ｉ ｅ ｙ ｔ ｅ ｓ ｆ ｒ ．Ｔ ｅ ｓ ｆ ｒ ｏ ｌ ｒｖ ｄ ｌ ａ ｕ ａ ｏ ｓ ａ ｄ ｔ ｈ ｃ ａ ｕａ ｉ ｓ ｃ ｕｄ ｂ ｎ ｓ ｄ ｂ ｏｔ ｅ ｈ ｔ ｅ ｃ ｕｄ ｐ ｏ ｉ ｅ ｉ ｈ ｌ ｏ ｉ ｈ ｈ ｗａ ｏ ｗａ ｆ ｕ ｄ ｔ ｎ ｆ ｒｌｔｒｏ ｔ ｚｎ ｅ ｉｎ． ｏ ｎ ａｉ ｓ ｏ ａｅ ｐ ｍｉｉ ｇ ｄ ｓｇ ｏ ｉ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｈ ａｉ ｇ ｆｒ ａ ｅ ｓ ｅｌａ ｄ ｔ ｂ ｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒ ｔｅ ｍｏ ｙ ａ ｃ ｃ ｃ ｌｔ ｎ ｙ ｒｓ ｅ ｔ ｎ ｃ ｈ ｌ ｎ ｕ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ａ ｕａ ｉ ｎ ｕ ｌ ｏ
水水管壳式换热器热力计算软件
管壳式热交换器的热力计算
3. 壳程流通截面积的确定
a. 纵向隔板，要确定其长度。
采用连续性方程。
标准： 使流体在纵向隔板转弯时的流速与各流程中顺管束流动时速度基本相等。 问题: 怎么确定壳程流速？
b. 弓形折流板，要确定其缺口高度。
标准： 流体在缺口处的流通截面积与流体在两折流板间错流的流通截面积 相接近，以免因流动速度变化引起压降。
b) 回弯阻力
Pi 4
wt2
2
Zt
Pa,
Z t 管程数
c) 进、出口连接管阻力
Pi 1.5
2 wn
2
Pa
2. 壳程阻力计算
a) 无折流板 可直接利用直管中沿程阻力计算公式 4A 当量直径 d 自由流通面积和湿周 U b) 弓形折流板 包括了顺流和叉流的复杂流动，有间隙泄漏、旁路等，所以很难准确地计 算阻力 贝尔-台华法 具体方法见课本
四、管壳式热交换器的合理设计
1．流体在热交换器内流动空间的选择原则：
1）提高传热系数小的一侧的换热系数 2）省材料，降低成本 3）便于清洗检修 4）减少和环境的热量交换 5）减少受热不匀造成的热应力 管内：容积流量小的，不清洁易结垢的，压力高的、有腐蚀性的，加热设备 中的高温流体或低温设备中的低温流体 壳体：容量大尤其是气体，刚性结构换热器中对流传热系数较大的流体，饱 和蒸汽等
山东大学· Βιβλιοθήκη 源与动力工程学院 杜文静第二章 管壳式换热器
一．管壳式热交换器的结构计算
结构计算的目的在于确定设备的主要结构参数和尺寸，包括： (1) 计算管程流通截面积，包括确定管子尺寸、数目、管程数，并选择管 子的排列方式等； (2) 确定壳体直径； (3) 计算壳程流通截面积，包括折流板类型； (4) 计算进出口连接管尺寸。
汽水管壳式换热器热力计算
kcal/h kcal/m2.h. ℃
94800.8 3500
0.6
kcal/h kcal/m2.h. ℃
17078.7 1200
0.55
1.94
2.14
m2
7.40
280.7554059
三.水侧计算
水流量
t/h
12
水进口温度 t1
℃
80
1847008866.xls
(= 928.9 w/m2. ℃) (= 4063.9 w/m2. ℃) (= 1393.3 w/m2. ℃)
用户:
热力计算书 不锈钢管 1、2号机
MPa(a) ℃ ℃
kcal/kg kcal/kg 源自cal/kg kcal/kg ℃ ℃ ℃
t/h
0.003 120
134.000
705.002 663.397 177.687 90.184
80 90 90.000 12
kcal/h
Q=CGt(t2-t1)=
℃
663.397
134.00
1847008866.xls
120000 177.687 90.184 134.00
90
89.32
80 81.42
30
44.68
52.58
10
Δ T1=
Δ T1-Δ T2 Δ Tm过=
30 ℃ Δ T3= 52.58 ℃
Δ T2= 44.68
Δ T2=
10
=
36.85
设计工况
2.5 41.2 50
1847008866.xls
198.1489155
0.891265597 1 40 40 40
已查
25 2 32
管壳式热交换器计算
列管式换热器的设计计算列管式（管壳式）换热器的设计计算1．流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。
(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。
(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。
在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。
2. 流体流速的选择增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。
但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。
所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。
此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。
例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。
管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。
这些也是选择流速时应予考虑的问题。
3. 流体两端温度的确定若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。
若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。
例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。
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2）有相变换热时
a) 冷凝换热
垂直管内的冷凝换热系数
2 l3 L L gg a 0.943 l t L 1/ 4
水平管内的冷凝换热系数
b) 沸腾换热
参照传热书
三. 压降计算，阻力计算
压降和阻力计算包括壳程和管程流体的压降和阻力计算。
1. 管程阻力计算
包括沿程阻力，回弯阻力和进、出口连接管阻力。
Pt Pi Pr PN
Pt Pr 总压降 回弯阻力 Pi PN 沿程阻力 进、出口连接管阻力
a) 沿程阻力计算
L wt2 Pi l i di 2
fi: di L w
i
Pa
莫迪圆管摩擦系数 范宁摩擦因子 圆管内径, m 管长, m 管内流体在平均温度下的密度, kg/m 管内流体流速, m/s 管内流体粘度校正因子 Re >2100， i / w 0.14 Re <2100， i / w 0.25
贝尔 -台华法
jo j h J c J l J b J s J r
针对带弓形折流板的管壳式热交换器中各种泄漏和旁路，引入各项校正因子来纠 正理想传热因子 hid。 jo jh 壳程平均传热因子 理想管束纯横流时的传热因子
计算公式
jh
ao
Gs c p
Pr 2 / 3 (
0.14 ) w
3. 壳程流通截面积的确定
a. 纵向隔板，要确定其长度。
采用连续性方程。
标准： 使流体在纵向隔板转弯时的流速与各流程中顺管束流动时速度基本相等。 问题: 怎么确定壳程流速？
b. 弓形折流板，要确定其缺口高度。
标准： 流体在缺口处的流通截面积与流体在两折流板间错流的流通截面积 相接近，以免因流动速度变化引起压降。
1. 管程流通截面积
基于连续性方程，质量守恒方程
所需管子数
问题: 怎么确定管程的流速？
tube length
换热器的管子长度和壳体直径之比一般在4~25之间，通常是 6~10。 如果管长过长，则应做成多流程的热交换器。
Zt: 管程数
2. 壳体直径的确定
下述公式可用来粗估内径：
将计算数值圆整到标准尺寸根据 GB151-1999 中相关标准进行选择。
Principia and Design of Heat Exchanger Device 热交换器原理与设计
山东大学· 能源与动力工程学院 杜文静
第二章 管壳式换热器
一．管壳式热交换器的结构计算
结构计算的目的在于确定设备的主要结构参数和尺寸，包括： (1) 计算管程流通截面积，包括确定管子尺寸、数目、管程数，并选择管 子的排列方式等； (2) 确定壳体直径； (3) 计算壳程流通截面积，包括折流板类型； (4) 计算进出口连接管尺寸。
b．壳侧对流传热系数
1）无折流板 纵向管外流动 求得当量直径后再按管内流动 4A 自由流动面积和湿周 d U 2）有折流板 a 盘环形折流板:
G d Nu 2.08d e0.6 m 0 f Gm：平均质量流速
0 .6
Pr 1 / 3 (
f 0.14 ) w
管内壁的污垢热阻 管外壁的污垢热阻 管壁厚度 管材的导热系数 管子的内径 管子的外径 管子平均直径 (d0-di)/ln(do/di)
2. 对流换热系数和柯尔本传热因子
复习几个无量纲温度 a: 表面传热系数； l: 特征长度； l: 导热系数 K n: a: u: l: n: 运动粘度； 热扩散率 流体的速度； 特征长度； 运动粘度 St ???
对流换热系数和柯尔本传热因子
Colburn heat transfer factor
Colburn mass transfer factor
1) 管内无相变时
a. 管内对流换热系数
1) 湍流：Re>10000 低黏性流体 高黏性流体
Nu 0.023 Re 0.8 Pr n
n＝0.4 or n＝0.3
0.14
f Nu 0.027 Re 0.8 Pr1/ 3 w
2) 过渡区：Re＝2300～10000
6 10 5 校正因子 1 Re1.8
a aT
3）层流 Re<2300
1/ 3 f Nu 1.86(Re Pr)1/ 3 d / l w 0.14
b 弓形折流板: 对于缺口高度为 25%, Re=2000~1000000
多雷诺法： Nu 0.23 Re 0.6 Pr1/ 3 w
科恩法： Nu 0.36 Re0.55Fra bibliotek0.14
Pr w
1/ 3
0.14
廷克模型
A: 管子和折流板上的 管孔之间存在间隙， 流体泄漏。 B: 叉流 E C: 最外层管子和壳体 之间存在间隙，流体 泄漏。 D D: 折流板和壳体之间 存在间隙，流体泄漏。 E: 分程管板处的旁路。
问题：弓形缺口处的流速如何来计算？
c. 盘环型折流板
标准： 每个位置的速度都应和其他位置接近。
4. 进出口连接管
基于连续性方程
需将计算得到的管径，圆整到最接近的标准管径。
二．管壳式热交换器的热力计算
1．总传热系数
gi internal fouling resistance go external fouling resistance dw thickness of tube lw thermal conductivity d0 tube outside diameter di tube inside diameter dm tube mean diameter
Gs
壳程流体质量流速
Jc 折流板切口核跨距校正因子， 用以表达因壳程折流板缺口效应时对理想传热因子的 修正。缺口处不排管时，它的值是 1.0。 Jl 壳流泄漏效应校正因子，包括壳体对折流板（E 流路）和管子对准拉的泄漏（A 流 路） ，其值一般是 0.7~0.8. Jb 管束 C 流路和 E 流路的旁路校正因子，其值通常为 0.7~0.9。 Js 管束进口区和出口区跨距与中间区不同的校正因子其值通常为 0.85~1.0。 Jr 层流时逆向传热温差校正因子。它只适用于壳程流体雷诺数低于 100，当雷诺数低 于 20 时充分有效。否则，它的值是 1。