套管换热器计算
实验五 套管换热器传热实验
实验五 套管换热器传热实验实验学时： 4 实验类型：综合实验要求：必修 一、实验目的通过本实验的学习，使学生了解套管换热器的结构和操作方法，比较简单内管与强化内管的差异。
二、实验内容1、测定空气与水蒸汽经套管换热器间壁传热时的总传热系数。
2、测定空气在圆形光滑管中作湍流流动时的对流传热准数关联式。
3、测定空气在插入螺旋线圈的强化管中作湍流流动时的对流传热准数关联式。
4、通过对本换热器的实验研究，掌握对流传热系数i α的测定方法。
三、实验原理、方法和手段两流体间壁传热时的传热速率方程为 m t KA Q ∆= （1）式中，传热速率Q 可由管内、外任一侧流体热焓值的变化来计算，空气流量由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成的空气流量计来测定。
流量大小按下式计算：10012t t PA C V ρ∆⨯⨯⨯=其中：0C —孔板流量计孔流系数，0.65；0A —孔的面积，2m ；（可由孔径计算，孔径m d 0165.00=） P ∆—孔板两端压差，kPa ；1t ρ—空气入口温度（即流量计处温度）下的密度，3/m kg 。
实验条件下的空气流量V （h m /3）需按下式计算：11273273t t V V t ++⨯=其中：t —换热管内平均温度，℃；1t —传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。
测量空气进出套管换热器的温度t ( ℃ )均由铂电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。
管外壁面平均温度W t ( ℃ )由数字温度计测出，热电偶为铜─康铜。
换热器传热面积由实验装置确定，可由（1）式计算总传热系数。
流体无相变强制湍流经圆形直管与管壁稳定对流传热时，对流传热准数关联式的函数关系为：),,(d l P R f Nu r e =对于空气，在实验范围内，r P 准数基本上为一常数；当管长与管径的比值大于50 时，其值对Nu 准数的影响很小，故Nu 准数仅为e R 准数的函数，因此上述函数关系一般可以处理成：me R B Nu ⋅=式中，B 和 m 为待定常数。
自制简易换热器换热面积的计算——化工原理
简易换热器换热面积的计算问题的提出：工艺流程图逆流套管式换热器冷凝器为柱形，总体积为５升，总长４００ｍｍ，内置直径为１４ｍｍ的细直管。
物料为二甲苯携水蒸汽进管层（１４０－２１０摄氏度），冷却循环水（２５摄氏度）进壳层，最终收得２．７公斤的水，采用１．２公斤的二甲苯参与反应，大概持续时间为９个小时。
设备材质为３０４，无污垢层。
套管冷凝器：内管直径为14mm(最好有壁厚，没有也影响不大)外管直径125mm管长 400mm套管环隙走循环水，水温: 25度管内走二甲苯和水混合蒸汽：140-230度；蒸汽量为：2.7Kg水+1.2公斤二甲苯（6~9个小时）首先我想知道目前这个冷凝器设计的换热面积够不够？新冷凝器如何设计才合适？已知条件：1、二甲苯蒸气流量：1.2Kg/(6*3600)s ；潜热为 360[kj/kg]；水蒸气流量为:2.7 Kg/(6*3600)s;（甲苯水蒸气流经时间为6h ）2、进口温度230℃，出口蒸汽为100℃（假设水蒸汽已经完全冷却为液态水）；3、冷却水进口温度为25℃，水的比热为4.18[KJ/kg ℃]；4、二甲苯水蒸汽冷凝给热系数为10000[w/ m 2℃]；5、冷却水壳层流速为1m/s ，对流传热系数为1000[w/m 2℃]；6、查表得1atm,230℃水蒸气焓值为，2934.05KJ/Kg ，100℃水蒸气焓值为2646KJ/Kg ，100℃水的汽化潜热为2257.6KJ/Kg ；解：求传热面积A剖析冷凝过程：在230℃-140℃，二甲苯为气相，冷凝传热系数50[w/ m 2℃]，此过程传热为两个状态下蒸汽的焓值之差。
潜热为360[kj/kg]，,Q Cm t C ∆1＝其中为二甲苯比热容。
同样水蒸气过程：在230℃-100℃，水为气相，冷凝传热系数100[w/ m 2℃]，此过程传热为两个状态下蒸汽的焓值之差。
潜热为2257.6KJ/Kg 100℃气体-100℃液体此过程传热为汽化潜热，潜热为2257.6KJ/Kg 。
化工原理の传热实验
化工原理の传热实验一、实验目的1、学习传热系数的测定方法；2、学习传热膜系数及其准数联式的测定方法。
二、实验原理本实验有套管换热器4套，列管式换热器4套，首先介绍套管换热器。
套管换热器管间进饱和蒸汽，冷凝放热以加热管内的空气，实验设备如图2-2-5-1（1）所示。
传热方式为：冷凝—传导—对流 1、传热系数可用下式计算： ]/[2k m W t A qK m⋅∆⋅=(1)图2-2-5-1（1） 套管换热器示意图 式中：q ——传热速率[W] A ——传热面积[m 2] △t m —传热平均温差[K] ○1传热速率q 用下式计算： ])[(12W t t C V q p S -=ρ （2） 式中：3600/h S V V =——空气流量[m 3/s]V h ——空气流量[m 3/h]ρ——空气密度[kg/m 3]，以下式计算：]/)[273(4645.031m kg t R p Pa ++=ρ （3）Pa ——大气压[mmHg]Rp ——空气流量计前表压[mmHg] t 1——空气进换热器前的温度[℃]Cp ——空气比热[K kg J ⋅/]，查表或用下式计算：]/[04.01009K kg J t C m p ⋅+= （4） t m =(t 1+t 2)/2——空气进出换热器温度的平均值（℃） t 2——空气出口温度[℃]②传热平均面积A ：][2m L d A m π= （5）式中：d m =传热管平均直径[m]L —传热管有效长度[m ]③传热平均温度差△t m 用逆流对数平均温差计算：T ←——T t 1——→t 2 )(),(2211t T t t T t -=∆-=∆2121ln t t t t t m ∆∆∆-∆=∆ (6) 式中：T ——蒸汽温度[℃]2、传热膜系数（给热系数）及其关联式空气在圆形直管内作强制湍流时的传热膜系数可用下面准数关联式表示：nr m e P R Nu 0α= （7）式中：N u ——努塞尔特准数R e ——雷诺准数 P r ——普兰特准数αo ——系数，经验值为0.023 m ——指数，经验值为0.8n ——指数，经验值为：流体被加热时n=0.4，流体被冷却n=0.3 为了测定传热膜系数，现对式（7）作进一步的分析：λαdNu =（8） α——空气与管壁间的传热膜系数[W/m 2·k] 本实验可近似取α=K[传热系数]，也可用下式计算：)(m W i t t A q -=α （9）A i ——传热管内表面积[m 2] t W ——管壁温[℃]t m ——空气进、出口平均温度[℃] d ——管内径[m]λ——空气的导热系数[W/m ·k]，查表或用下式计算：λ=0.0244+7.8×10-5t m （10） μρdu =Re （11）u ——空气在加热管内的流速[m/s]μ——空气定性温度（t m ）下的粘度[pa ·s]，查表或用下式计算：μ=1.72×10-5+4.8×10-8t m （12）d ，ρ——意义同上。
套管式地埋管换热器温度分布及换热性能计算
管间均存在热短路现象，但外进内出流动方式的热短路现象更加明显。增大内管壁热导率，使两种
流动方式的热短路现象明显增强。增大外管壁热导率，有利于改善两种流动方式的热短路情况。
其他参数不变的情况下，换热器进出口循环水温差、能效、换热流量均随钻孔深度的增大而增大。
其他参数不变的情况下，换热器进出口循环水温差随循环水质量流量的增大而逐渐降低; 能效随循
1 概述
地热能开发前景十分广阔，是 21 世纪能源发展 中不可忽视的可再生能源之一［1 － 2］。目前，浅层地 热能的利用以地埋管地源热泵技术为主，将储存在 浅层地层中的低品位热能转化为高品位热能，通过 风机盘管、地面辐射等末端装置，满足学校、医院、体 育馆、写 字 楼、住 宅、别 墅 等 建 筑 的 供 暖 和 供 冷 需 求［3 － 4］。地埋管换热器一般采用 U 形地埋管换热
·K)
λp1 ———外管壁的热导率，W / ( m·K) r1o ———外管的外半径，m λb———回填材料的热导率，W / ( m·K) r b ———钻孔半径，m Ｒ2 ———内管循环水与外管循环水间的单位长
度热阻，m·K / W
r2i ———内管的内半径，m h2i ———内管内壁面表面传热系数，W / ( m2 ·
摘 要: 在设定钻孔壁温度均匀且不随时间改变的前提下，建立两种循环水流动方式下( 外
进内出: 循环水由外管流进，内管流出; 内进外出: 循环水由内管流进，外管流出) 的套管式地埋管
换热器( 以下简称换热器) 稳态换热模型，采用解析法计算环形流道、内管循环水沿程温度。将换
热器能效、换热流量作为评价指标，分析换热器换热能力的影响因素。在供冷工况下，得到以下结
图 1 套管式换热器结构( 外进内出)
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
换热器计算
第九章 传热过程分析和换热器计算在这一章里讨论几种典型的传热过程，如通过平壁、圆筒壁和肋壁的传热过程通过分析得出它们的计算公式。
由于换热器是工程上常用的热交换设备，其中的热交换过程都是一些典型的传热过程。
因此，在这里我们对一些简单的换热器进行热平衡分析，介绍它们的热计算方法，以此作为应用传热学知识的一个较为完整的实例。
9－1传热过程分析在实际的工业过程和日常生活中存在着的大量的热量传递过程常常不是以单一的热量传递方式出现，而多是以复合的或综合的方式出现。
在这些同时存在多种热量传递方式的热传递过程中，我们常常把传热过程和复合换热过程作为研究和讨论的重点。
对于前者，传热过程是定义为热流体通过固体壁面把热量传给冷流体的综合热量传递过程，在第一章中我们对通过大平壁的传热过程进行了简单的分析，并给出了计算传热量的公式 t kF Q ∆=， 9－1式中，Q 为冷热流体之间的传热热流量，W ；F 为传热面积，m 2；t ∆为热流体与冷流体间的某个平均温差，oC ；k 为传热系数，W/(⋅2m o C)。
在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差t ∆=1 o C 、传热面积A =1 m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。
在这一章中我们除对通过平壁的传热过程进行较为详细的讨论之外，还要讨论通过圆筒壁的传热过程，通过肋壁的传热过程，以及在此基础上对一些简单的包含传热过程的换热器进行相应的热分析和热计算。
对于后者，复合换热是定义为在同一个换热表面上同时存在着两种以上的热量传递方式，如气体和固体壁面之间的热传递过程，就同时存在着固体壁面和气体之间的对流换热以及因气体为透明介质而发生的固体壁面和包围该固体壁面的物体之间的辐射换热，如果气体为有辐射性能的气体，那么还存在固体壁面和气体之间的辐射换热。
这样，固体壁面和它所处的环境之间就存在着一个复合换热过程。
下面我们来讨论一个典型的复合换热过程，即一个热表面在环境中的冷却过程，如图9－1所示。
知识点：紊流状态的对流换热计算(综合训练)讲解
L 400 33.3 ＞10，不需要进行管长修正 d1 12
0.8 f 13 f
0.11
801.5 10 0.027 35776.4 5.42 314.9 10 6 对流换热系数
知识点：紊流状态的对流换热计算
0.618 Nu f 20.71 1066.57 W/m2.℃ d1 0.012
知识点：紊流状态的对流换热计算
综合训练
1.套管换热器，内管外径d1=12mm，外管内径d2=16mm， 管长400mm，内外管之间的环形流道内水流速为2.4m/s，平 均温度为tf=30℃，内管壁温tw=90℃。试求内管外表面的换 热系数。 已知：d1=12mm，L=400mm，w=2.4m/s，tf=30℃，tw=90℃ 求：α 解：（1）定性温度和水的物性参数 定性温度tf=30℃，按tf查知识点紊流状态的对流换热计 算中饱和水的热物理性质表（附表6），得水的物性参数 λ =0.618W/m.℃，ν =0.805×10-6m2/s， Prf=5.42 μ f=801.5×10-6N.s/m2，μ w=314.9×10-6N.s/m2
知识点：紊流状态的对流换热计算
（2）求雷诺数，确定流态 wd 2.4 0.012 4为旺盛紊流 ＞ 10 Re f 35776 . 4 0.805 10 6 （3）选择管内受迫流动旺盛紊流的Nuf的计算公式
f Nu f 0.027 Re Pr w
套管换热器计算
天然气集输P195～P201一，计算热负荷天然气质量流量ms0.171kg/s天然气定压比热Cp 2.558kj/kg·k 天然气入口温度t1'8℃天然气入口温度t1''28℃热负荷Q=ms·Cp(t1''-t1')8.74836kw二，计算逆流平均温差热水入口温度tw’80℃热水出口温度tw''76℃平均温差Δt59.1912831℃三，计算管内传热系数管内流体流速u 1.097m/s管内流体密度ρ45.58kg/m3管内径d0.066m流体动力粘度μ0.00001255Pa·s雷诺数Re=udρ/μ2.63E+05＞10000为湍流状态计算普朗特数管内流体导热系数λ0.03763w/m·k 普朗特数Pr=Cpμ/λ8.53E-01计算奴塞尔数温度校正系数εt1入口效应校正系数εL1弯管修正系数εR1被加热奴塞尔数Nu=0.023Re0.8Pr0.4εtεLεR4.68E+02管内传热系数h=Nuλ/d266.7024863w/m2·k 四，计算环形空间传热系数套管内径d20.15m内管外径d10.076m环形空间当量直径de0.220052632m环形空间液体流速ul0.03m/s环形空间液体密度ρl1000kg/m3环形空间液体动力粘度μl 3.15E-04Pa·s雷诺数Re=uldeρl/μl20957.39348＞10000为湍流状态计算普朗特数环形空间流体导热系数λl0.6698w/m·k 环形空间流体定压比热Cpl 4.356kj/kg·k 普朗特数Pr=Cplμl/λl2.05E+00计算奴塞尔数温度校正系数εt1入口效应校正系数εL1弯管修正系数εR1被冷却奴塞尔数Nu=0.023Re0.8Pr0.4εtεLεR8.17E+01环形空间传热系数h1=Nuλl/de248.6865006w/m2·k五，计算总传热系数K污垢热阻R1，R20.000260.0005m2·k/w 管壁导热系数λb45w/m·k总传热系数K=1/（d1/d·h+d1/2λb*ln(d1/d)+1/hl+R1+R2）108.4850274w/m2·k六，所需内管传热面积计算传热面积F=Q/K/Δt1.362382602m2七，所需内管长度计算内管长度L=F/PI/d15.70605067m 取长度为8m。
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19A o m 28.71520
ν1m 3/kg 1.012E-0321
υl m 2/s 4.58E-0722
λ1kW/m ℃ 6.64E-0423
Pr 1/ 2.83124
ωn1m/s 1.72425
d e mm 2026
Re 1/7.526E+0427
α1kW/m ℃9.228
ν2m 3/kg 1.107E-0329υ2
m 2/s 1.77E-07 序号
符号单位数值27λ2kW/m ℃ 6.87E-0428Pr 2/ 1.00529ωn2m/s 2.40930
d nn mm 5131
Re 2/ 6.948E+0532
α2kW/m ℃14.63233
λkW/m ℃0.0461534
k o kW/m ℃ 2.04135
Φ2kW 1581.736
e
%0.9037合格热介质导热系数查表VI 热介质物理性质准数查表VII k o A o △t m Q*ν1/[3600*π/4*(d wn 2-d nw 2)]d wn -d nw 名 称计 算 公 式 或 数 据 来 源编 号共 页 第 页查表V 查表VII D*ν2/(3600*π/4*d nn 2)0.023*λ/de*Re^0.8*Pr^0.4热介质雷诺数热介质直径小于2%,计算成立热介质运动粘度校核查表V 查表VI 总传热系数传热量冷介质物理性质准数冷介质导热系数换热面积冷介质雷诺数冷介质对流放热系数平均温度下运动粘度误差ABS （(Φ2-Φ1)/Φ2*100）0.023*λ/d nn *Re^0.8*Pr^0.3ωn2*d nn /υ2结构尺寸查表XXIV 金属导热系数热介质比容热介质对流放热系数热介质流速冷介质比容查钢材手册（20G）1/[1/α2*d nw /d nn +1/α1+d nw /λωn1*d e /υl 查表XXIV 冷介质流速冷介质当量直径πd nw l。