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 11

t ()2

t 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

()2

w 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 ρ

λ

v

a

Pr

10 999.7 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 70 997.7 0.668 0.000000415 0.000583 2.55 80 971.8 0.674 0.000000365 0.00064 2.21 90 965.3 0.68 0.000000326 0.000696 1.95 100

958.4

0.683

0.000000295

0.00075

1.75

油

t ρ

λ

v

a Pr

10 898.8 0.1441 0.000564

6591 20 892.7 0.1432 0.00028 0.00069

3335 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-05 203 100

846.2

0.1361

1.15E-05

160

1.3 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

/m

s ，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 。

实际换热量Q

0Q Q *1.1/0.9=

0.9为换热器效率，1.1为换热余量。

逆流平均温差计算

逆流平均温差ΔTn ℃，

max min

max

ln

min

n t t T t t ∆-∆∆=

∆∆ 其中max t ∆和min t ∆分别为'1t t -和"1t t -中较大的差值和较小的差值

换热系数的初选

在计算中要对换热系数K 进行迭代，因此现初选换热系数K ’。

则初选传热面积F ’

'*'n Q

F T K =

∆

总管数为t N ，'

**t o F N d L

π=

管程换热系数2h 计算

从传热学角度，管程内部属于强制对流换热。

管程流通面积2**224

i t d N a π= 管程流速22*3600*24

G

w a =

管程雷诺数2

Re i

d w ν

=（ν的数值是按照1.2中油水混合物定性温度对应查得的

数值）

根据Re 的大小判断管内油水混合物的流动状态为层流还是湍流 一般Re>104

，即为湍流，Re<104

则为层流。

(1) 管内油水混合物换热状态为湍流换热

0.80.023Re Pr n Nu =

加热流体时n=0.4，冷却流体时n=0.3

(2) 管内油水混合物换热状态为层流换热

1

3

RePr 1.86()/i

Nu L d =

管程内换热系数2i

h Nu d λ

=

壳程换热系数1h 计算

壳程的换热为自然对流换热

3

2

ga tL Gr ν

∆=

相关物性参数见1.2查表计算所得，g 为9.8.

(Pr)n Nu C Gr =

常数C 和n 的选取见表2