化工原理传热计算

F: 管子排列形式对压降的校正系数
f0: 壳程流体摩擦系数
∆Ps > ∆p(核定） 可增大挡板间距
Ⅵ.计算传热系数 校核传热面积
根据流体的性质选择适当的 垢层热阻 R
1 = 1 +R+ 1
K αi
α0
A计
=
Q Kϕ∆tm
A = NTπd0l A A计 = 1.15 ~ 1.25
否则重新估计 K估 ，重复以上计算
总传热系数K W/(m2·K) 12~60
800~1800 350左右 280~850 12~35 1400~4700 30~300 60~350 290~870
2015-12-7
Ⅳ.计算冷、热流体与管壁的 α
①确定冷、热流体走管程或壳程
②确定管内流速
ui
=
qv
0.785d
2 i
n NP
n 管子数 N P 管程数
T1
T2
t2
二.设计步骤
1.求出换热器的热流量Q
2.作出适当的选择并计算Δtm 3.根据经验估计传热系数K估 ，计算传热面积A，初定 换热器 4.计算冷、热流体与管壁的α 5.压降校核 6.计算传热系数，校核传热面积 7. 选用一台合适的离心泵
Ⅰ.求出换热器的热流量
根据已知条件 T1 、T2 、Cp1 、Cp2、qm1 ， 求Q
T2 − t1 qm1c p1
T1 − T2
( ) ( ) qm1cp1 T1 − T2 = qm2cp2 t2 − t1
t1 − t2 = qm1c p1 T1 − T2 qm2c p2
逆流
ln
T1 T2
− −
t2 t1
=
KA qm1cp1
1 −
qm1cp1 qm 2cp 2
( ) ( ) qm1cp1 T1 − T2 = qm2cp2 t2 − t1
ln
T1 T2
− −
t2 t1
−
t1
)
ln
T1 T2
− −
t2 t1
=
KA qm1cp1
1 −
qm1cp1 qm 2cp 2
ln
T1 − t'2 T'2 −t1
=
K' A 2qm1c p1
1 −
2qm1c p1 qm2c p2
解：原工况 qm1C p1(T1 − T2 ) = qm2C p2(t2 − t1 )
气体
5~30 3~15
不同粘度液体的流速
液体粘度μ×103 (N·S/m2) 最大流速m/s
>1500
0.6
1500~500
0.75
500~100
1.1
100~35
1.5
35~1
1.8
<1
2.4
④折流挡板
安装折流挡板的目的
是为了提高管外 α
管板
圆缺折流
装有圆缺折流板的列板 管换热器
对圆缺形挡板，弓形缺口的常见高度
全可靠。
④流速选择
从 1 = 1 + 1 入手
K αi α0
α ↑⇒ K ↑⇒ A ↓ u↑
若α0》αi，则K≈αi，
hf ↑↑⇒ 能耗 ↑
优化，尽量避免层流。 兼顾传热系数与压降
化工原理课程设计
管壳式换热器的选型
1
学号个位数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
t1/℃ 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
流体
Q = wr w为蒸汽冷凝量
r为汽化热
Q = KA(T − t)
K与A(d)一一对应 以内表面为基准（d1）
Q = K1 A1(T − t ) A1 = πd1l
K1 =
1
+
wk.baidu.com1 δd1 +
1
d1
α1 λdm α 2 d2
以外表面为基准（d2）
一般以K2为基准
（工程上习惯）
Q
=
K2
A2 (T
−
t)
( ) ( ) ( ) ( ) qm1cp1 T1 − T2 = qm2cp2 t2 − t1 2qm1c p1 T1 − T'2 = qm2c p2 t'2 −t1
Q
=
( qm1cp1 T1
− T2
)
=
KA
(T1
− t2 ) − (T2
ln
T1 T2
− −
t2 t1
−
t1
)
=
KA
(T1
− T2 ) − (t2
③为延长换热器的使用寿命，即使T1和t2不 要集中在一端。
(3) 当一侧有相变或恒温传热时， ∆tm逆 = ∆tm并
(4) 错流、拆流是为了节省空间，使设备紧凑。 ∆tm = ϕ∆tm逆，0.8 < ϕ < 1
②t2或qm2选择
t1确定后，t2或qm2只须选一个，
受热量衡算限制。（T1，T2已知）
( ) ( ) qm1c p1 T1 − T2 = qm2c p2 t2 − t1 = Q
qm2C p2 = 110 − 80 = 2 qm1C p1 45 − 30 ln T1 − t2 = KA (qm2C p2 − 1)
T2 − t1 qm 2C p2 qm1C p1 ln 110 − 45 = KA (2 − 1)
80 − 30 qm2C p2 KA = 0.26 qm2C p2 新工况 q’m1=2qm1
)
=
110
−
(55.1
−
30)
T2’=84.9℃
2015-12-7
例2 原为单管程167kPa(表) T=130℃, t1=80℃,t2=100℃, 管内流动为湍流,为提高t2 ①改为双管程,t2’=?
②不改双管程，要达到同样t2’,提高T至多少？
解：①改双管程，流速加倍
α蒸汽>>α有机液 K≈α有机液∝u0.8
学号十位数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
流量/kg/s 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
2015-12-7
一.设计任务书
1. 已知热流体热量 qm1，温度 T1、T2 ， 冷却介质 温度 t1
2. 确定换热面积及选定换热器
3. 选用一台合适的离心泵
t1
qm1
qm1
∆Pt > ∆p(核定）必须调整管程数目重新计算
② 壳程阻力损失
∆Ps
=
(
Ff0NTC NB
+ 1)+
N
B
3.5
−
2B D
fs
ρu02 2
NB: 折流板数目 NTC: 横过管束中心线的管子数 B: 折流板间距 D: 壳体内径
u0: 按壳程流动面积 A0 = B(D − ) NTCd0 计算所得的壳程流速
t2
↓⇒
qm2c p2 qm1c p1
↑⇒
qm2
↑, ∆tm
↑⇒
A↓
t2
↑⇒
qm 2c p2 qm1c p1
↑⇒
qm2
↓, ∆tm
↓⇒
A↑
应权衡操作费用和设备费用，选择适宜的冷却介质
出口的温度，一般： ∆tm ≥ 10℃，且工业循环冷却水 t2 ≤ 45℃
③冷流体入口t1选择 夏季与冬季水温t不同，应该按夏天计算为安
取壳体内径的20%和25% 国标挡板间距：
固定管板式：100、150、200、300、450、600、700mm
浮头式：100、150、200、250、300、350、450
（或480）、600mm
⑤管程给热系数 αi
Re > 1000 物系数在定性温度下求得
αi
=
0.023 λ di
diui ρ µ
K ' ≈ α ' = (u')0.8 = 20.8 = 1.74
Kα u
qm2C
p2(t2
−
t1
)
=
KA
(T
− t1 ) − (T ln T − t1
−
t2
)
T − t2
qm2C p2
ln T T
0.8
C pµ λ
0.3~ 0.4
（
µ
µw
)0.14
ui
=
qv
0.785d
2 i
⋅
NP n
αi
∝
N
0.8 P
若αi<K估 ，则改变管程数重新计算或重新估计K
3
⑥壳程给热系数α
Re > 2000
α0
=
0.36 λ de
Re0.55
Pr1/ 3
µ µw
0.14
Re = 10 ~ 2000 当量直径de
核定管壳式换热器内常用流速范围
③根据所选换热管确定管子的排列
目前我国国标采用 φ 25mm × 2.5mm 和 φ19mm × 2mm
管长 l 有1.5、2、3、4.5、6、9m
列管式换热器内常用的流速范围
流体种类 流速m/s 管程 壳程
一般流体 0.5~3 0.2~1.5
易结垢流体 >1 >0.5
三. 设计结果
• 换热器的型号 • 离心泵的型号 • 流程安排 课程设计提交时间：12月17日或者21日
6.6.4 换热器的操作与调节
一、操作命题和计算方法 1、第一类命题
已知：A , K , qm1 , qm2 ,T1 , t1， 求T2 , t2 特点：操作线斜率已知，非线性à线性，有唯一解。
计算方法：
要试差才能解
原因：计算式的非线性
逆流： qm1C
p1 (T1
−
T2
)
=
KA
(T1
− t2 ) − (T2 ln T1 − t2
−
t1
)
T2 − t1
求出t2后
qm 2
=
qm1C p1(T1 − T2 ) C p2(t2 − t1 )
例1 一逆流套管换热器,热空气走管内, 冷水走环隙， 热空气一侧传热阻力控制, 冷、热流体进出口温度 为t1=30℃, t2=45℃, T1=110℃, T2=80℃。 求：当热空气流量qm1加倍时，T’2、t’2=?
(1)消元法（以逆流为例）
Q
=
( qm1cp1 T1
−
T2
)
=
KA
(T1
− t2 ) − (T2
ln
T1 T2
− −
t2 t1
−
t1 )
=
KA
(T1
− T2 ) − (t2
ln
T1 T2
− −
t2 t1
−
t1 )
( ) ( ) ( ) Q = qm1cp1 T1 − T2
= qm2cp2 t2 − t1
( ) Q = qm1C p1 T1 − T2
Ⅱ.作出适当的选择并计算 ∆tm
①流向的选择 一般逆流优于并流
②确定冷却介质出口温度t2，求对数平均推动力
∆tm逆
=
(T1
− t1 ) − (T2
ln T1 − t1
−
t2
)
T2 − t2
③对 ∆tm逆 进行 修正
R = T1 − T2 t1 − t2
P = t2 − t1 T2 − t1
α0
=
0.5
λ de
Re0.507
Pr1/ 3
µ µw
0.14
若α0太小，则可减少挡板间距
2015-12-7
Ⅴ.压降校核
① 管程阻力校核
∆Pt
=
λ
l d
+
3
ft NP
⋅
ρui 2
N P : 管程数
ft :
管程结垢校正系数，对三角形排列取1.5， 正方形排列取1.4
∆Pt ∝ N p
改变管程数，应兼顾传热与流体压降两方面 的损失
⇒
t2
−
t1
=
qm1cp1 qm 2cp 2
T1 − T2
4
以逆流，无相变为例
qm1c p1 (T1
− T2 )
=
KA
(T1
− t2 ) − (T2 ln T1 − t2
−
t1 )
T2 − t1
=
KA
(T1
− T2 ) − (t2 ln T1 − t2
−
t1 )
T2 − t1
移项处理
ln T1 − t2 = KA [1 − t2 − t1 ]
2015-12-7
复习 Q的计算
T2
t1
传热速率
T Tw tw
Q
=
KA∆tm
=
KA
∆t1 − ∆t2 ln ∆t1 ∆t2
两种 流体
t
∆t1 = T2 − t1
∆t2 = T1 − t2
T1
t2
热量衡算 无相变时：
有相变时：
( ) Q = qm1c p1 T1 − T2 同种
( ) = qm2c p2 t2 − t1
查图得到 ψ
∆tm = ψ∆tm逆
Ⅲ.根据经验估计传热系数 K估， 计算传热面积 A ( ) qm1Cp1 T1 − T2 = K估 A估ψ∆tm逆
根据 A估 初选换热器
2
◆总传热系数K的经验值范围（列管）
流体种类 水—气体 水—水 水—煤油 水—有机溶剂 气体—气体 饱和水蒸气—水 饱和水蒸气—气体 饱和水蒸气—油 饱和水蒸气—沸腾油
2015-12-7
并流
ln
T1 T2
− −
t1 t2
=
KA qm1cp1
1 +
qm1cp1 qm 2cp2
( ) ( ) qm1cp1 T1 − T2 = qm2cp2 t2 − t1
有相变
ln T T
− t1 − t2
=
KA qm2c p2
Q = qm2c p2 (t2 − t1 ) = wr
第二类：已知：KA,T1,T2,qm1,t1 求：t2,qm2
qm2C p2 = qm2C p2 = 2 = 1 q'm1 C p1 2qm1C p1 2
5
K≈α1∝qm10.8
K ' = (q'm1 )0.8 = 20.8 = 1.74 K qm1
K' A = 1.74 KA = 1.74× 0.26 = 0.46
qm2C p2
qm2c p2
因 操作线斜率=1， ∴Δtm=T1-t2’=T2’ -t1
=
K 2πd2l(T
−
t) 若忽略内外表面
K2
=
1
d2 +
1 δd2
+
1
α1 d1 λdm α 2
K=
1
1 +δ +
1
α1 λ α2
三、设计计算中参数的选择 ①、流向的选择
(1)一般逆流优于并流
①热敏性物料加热 (控制出口温度 t2 < T2 )
(2) 并流用于 ②高粘性物料加热 (迅速升温ൠ↓⇒ α ↑)
Q' = qm2c p2 ( t'2 −t1 ) = K' A∆tm = K' A( T1 − t'2 )
t'2 −t1
=
K'A qm 2C p2
(T1
−
t'2
)
t'2 −30 = 0.46× (110 − t'2 ) t2’=55.1℃
T
'2
=
T1
−
qm2C p2 q'm1 C p1
(t'2
−t1