換熱器的傳熱計(jì)算

1、換熱器的傳熱計(jì)算換熱器的傳熱計(jì)算包括兩類：一類是設(shè)計(jì)型計(jì)算，即根據(jù)工藝提出的條件，確定換熱面積；另一類是校核型計(jì)算，即對(duì)已知換熱面積的換熱器，核算其傳熱量、流體的流量或溫度。這兩種計(jì)算均以熱量衡算和總傳熱速率方程為基礎(chǔ)。換熱器熱負(fù)荷Q值一般由工藝包提供，也可以由所需工藝要求求得。Q=WcpAt,若流體有相變，Q=cpr。(D熱負(fù)荷確定后，可由總傳熱速率方程（Q=KSAt）求得換熱面積，最后根據(jù)化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)系列確定換熱器的選型。其中總傳熱系數(shù)K=金dbdoRsR%gdikdm這些推薦值是從實(shí)踐中積累或在選用這些推薦值時(shí)，應(yīng)注意以在實(shí)際計(jì)算中，總傳熱系數(shù)通常采用推薦值,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定獲得的，可以從有

2、關(guān)手冊(cè)中查得。下幾點(diǎn)：1 .設(shè)計(jì)中管程和殼程的流體應(yīng)與所選的管程和殼程的流體相一致。2 .設(shè)計(jì)中流體的性質(zhì)（粘度等）和狀態(tài)（流速等）應(yīng)與所選的流體性質(zhì)和狀態(tài)相一致。3 .設(shè)計(jì)中換熱器的類型應(yīng)與所選的換熱器的類型相一致。4 .總傳熱系數(shù)的推薦值一般范圍很大，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選取中間的某一數(shù)值。若需降低設(shè)備費(fèi)可選取較大的K值；若需降低操作費(fèi)用可取較小的K值。5 .為保證較好的換熱效果，設(shè)計(jì)中一般流體采用逆流換熱，若采用錯(cuò)流或折流換熱時(shí)，可通過安彳惠伍彳惠（Underwood）和鮑曼（Bowman）圖算法對(duì)At進(jìn)行修正。雖然這些推薦值給設(shè)計(jì)帶來了很大便利，但是某些情況下，所選K值與實(shí)際值出入很大

3、，為避免盲目煩瑣的試差計(jì)算，可根據(jù)式（1）對(duì)K值估算。式（1）可分為三部分，對(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻和管壁導(dǎo)熱熱阻，其中污垢熱阻和管壁導(dǎo)熱熱阻可查相關(guān)手冊(cè)求得。由此，K值估算最關(guān)鍵的部分就是對(duì)流傳熱系數(shù)h的估算。影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素主要有:1. 流體的種類和相變化的情況液體、氣體和蒸氣的對(duì)流傳熱系數(shù)都不相同。牛頓型和非牛頓型流體的也有區(qū)別，這里只討論牛頓型對(duì)流傳熱系數(shù)。流體有無相變化，對(duì)傳熱有不同的影響。2. 流體的性質(zhì)對(duì)h影響較大的流體物性有比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和粘度等。對(duì)同一種流體，這些物性又是溫度的函數(shù)，而其中某些物性還和壓強(qiáng)有關(guān)。3. 流體的流動(dòng)狀態(tài)當(dāng)流體呈湍流時(shí)，隨著Re數(shù)的增加，滯

4、流內(nèi)層的厚度減薄，故h就增大。而當(dāng)流體呈滯流時(shí)，流體在熱流方向上基本沒有混雜流動(dòng)，故h就較湍流時(shí)為小。4. 流體流動(dòng)的原因自然對(duì)流是由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移。設(shè)P1和p2分別代表溫度為tl和t2兩點(diǎn)的密度，則流體因密度差而產(chǎn)生的升力為(P1-P2)g0若流體的體積膨脹系數(shù)為B,單位為1/C,并以代表At溫度差(t2-t1),則可得P1=p2(1+pAt),于是每單位體積的流體所產(chǎn)生的升力為：(P1-p2)g=P2(1+BAt)-P2g=P2BgAt或(p1-p2)/g=BAt強(qiáng)制對(duì)流是由于外力的作用，如泵、攪拌器等迫使流體的流動(dòng)。5. 傳熱面的形

5、狀、位置和大小傳熱管、板、管束等不同的傳熱面的形狀；管子的排列方式，水平或垂直放置；管徑、管長(zhǎng)或板的高度等，都影響h值。目前解決對(duì)流傳熱問題的方法主要有量綱分析法和類比法。常用的量綱分析法有雷萊法和伯金漢法(BuckinghamMethod),前者適合于變量數(shù)目較少的場(chǎng)合，而當(dāng)變量數(shù)目較多時(shí)，后者較為簡(jiǎn)便，由于對(duì)流傳熱過程的影響因素較多，故需采用伯金漢法。強(qiáng)制對(duì)流(無相變)傳熱過程根據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)流傳熱系數(shù)h的影響因素有傳熱設(shè)備的尺寸l、流體密度P、粘度以、定壓質(zhì)量熱容5、導(dǎo)熱系數(shù)k及流速u等物理量，可用h=f(l,p、cccp、k、u)表示，式中涉及到的基本量綱只有四個(gè)。最后可得強(qiáng)

6、制對(duì)流(無相變)傳熱時(shí)的無量綱數(shù)群關(guān)系式Nu=i>(Re,Pr)。自然對(duì)流傳熱過程同樣可得，自然對(duì)流傳熱時(shí)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為Nu=小(Gr,Pr)。各準(zhǔn)數(shù)名稱、名稱和含義列于表1。表1準(zhǔn)數(shù)的名稱、符號(hào)和含義準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式含義努塞爾數(shù)(Nusseltnumber)Nuhlk表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)Relu表示慣性力與粘性力之比，是表征流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭德數(shù)(Prandtlnumber)Prcpk表示速度邊界層和熱邊界層相對(duì)厚度的一個(gè)參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性格拉斯霍夫數(shù)(Grashofnumber)Gr,32lgt2表示由于溫度差引起的浮力與粘性力之比

7、各準(zhǔn)數(shù)中的物理量的意義為：h一對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2C);u流速，m/s；p一流體的密度，kg/m3；l一傳熱面特性尺寸，可以是管徑(內(nèi)徑、外徑或平均直徑)或平板長(zhǎng)度，m；k流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2C)；L流體的粘度，Pas；cp流體的定壓比容，J/(kgC)；At一流體與壁面間的溫度差，C;B流體的體積膨脹系數(shù)，1/或1依；g重力加速度，m/s°上述關(guān)系式僅為Nu與Re、Pr或Gr、Pr的原則關(guān)系式，而各種不同情況下的具體關(guān)系式則需通過實(shí)驗(yàn)確定在使用由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到的關(guān)系式時(shí)，應(yīng)注應(yīng)用范圍關(guān)系式中Re、Pr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等；特性尺寸Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的l應(yīng)如何確定；定性溫度

8、各準(zhǔn)數(shù)中的流體物性應(yīng)按什么溫度查取?？傊瑢?duì)流傳熱系數(shù)是流體主體中的對(duì)流和層流內(nèi)層的熱傳導(dǎo)的復(fù)合現(xiàn)象。任何影響流體流動(dòng)的因素（引起流動(dòng)的原因、流動(dòng)狀態(tài)和有無相變化等）都必然影響對(duì)流傳熱系數(shù)。以下分流體無相變和有相變兩種情況來討論對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)系式，其中前者包括強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流，后者包括蒸汽冷凝和液體沸騰。?流體無相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱1.流體在管內(nèi)做強(qiáng)制對(duì)流1）流體在光滑圓形直管內(nèi)做強(qiáng)制湍流a）低粘度流體可應(yīng)用迪特斯（Dittus）-貝爾特（Boelter）關(guān)聯(lián)式,即:k0.023didiUb0.8ncpk(2)式中n值視熱流方向而定，當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4,當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n=0.3應(yīng)

9、用范圍：Re>10000,0.7<Pr<120,>60（L為管長(zhǎng)）。若上<60,需考didi0.7慮傳熱進(jìn)口段對(duì)h的影響，此時(shí)可將求得的h值乘以1包進(jìn)行校正。L特性尺寸：管內(nèi)徑di。定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。b）高粘度流體可應(yīng)用西彳惠爾（Sieder）-泰特（Tata關(guān)聯(lián)式，即:0.81/30.14w為壁面溫度下流體的粘度。(3)kdiubCph0.027dikw0.14式中一也是考慮熱流方向的校正項(xiàng),w應(yīng)用范圍：Re>10000,0.7<Pr<1700,L>60(L為管長(zhǎng))。di特性尺寸：管內(nèi)徑di。定性溫度：除w取壁溫外，均

10、取流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。一般而言，由于壁溫未知，計(jì)算時(shí)往往要用試差法，很不方便，為此可取近0.140.14似值。液體被加熱時(shí)，取一=1.05,液體被冷卻時(shí)，取一=0.95;對(duì)ww0.14氣體，則不論加熱或冷卻，均取一=1.0。w2）流體在光滑圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流流體在管內(nèi)作強(qiáng)制層流時(shí)，一般流速較低，故應(yīng)考慮自然對(duì)流的影響，此時(shí)由于在熱流方向上同時(shí)存在自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流而使問題變得復(fù)雜化，因此，強(qiáng)制層流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式其誤差要比湍流的大。當(dāng)管徑較小，流體壁面間的溫度差也較小且流體的小值較大時(shí)，可忽略自然對(duì)流對(duì)強(qiáng)制層流傳熱的影響，此時(shí)可應(yīng)用西彳惠爾（Sieder）-泰特（Tate）關(guān)聯(lián)

11、式，即：1/30.14kdi/,、h1.86RePr（4）diLw應(yīng)用范圍：Re<2300,0.7<Pr<6700,RePrd>10（L為管長(zhǎng)）特性尺寸：管內(nèi)徑di。定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。上式適用于管長(zhǎng)較小時(shí)的情況，當(dāng)管子極長(zhǎng)時(shí)則不再適用，因?yàn)榇藭r(shí)求得的h趨于零，與實(shí)際不符。當(dāng)參數(shù)Nu-k1、k2和n已知時(shí)，選用下列關(guān)聯(lián)式結(jié)果較為準(zhǔn)確：NuNuk1(RePrdj/L)1k2(RePrdi/L)n(5)Nu一不同條件下努塞爾數(shù)的平均值或局部值;Nu-熱邊界層在管中心匯合后的努塞爾數(shù)；k1、k2、n一常數(shù)，其值可由2表查得;L一管長(zhǎng)，m；d

12、i管內(nèi)徑，m表2式(5)中的各常數(shù)值壁間情況速度側(cè)形PrNuNu-k1k2n包壁溫拋物線任意平均3.660.06680.042/3包壁溫正在發(fā)展0.7平均3.660.1040.0160.8恒壁熱通量拋物線任意JOS4.360.0230.00121.0恒壁熱通量正在發(fā)展0.7JOS4.360.0360.00111.0各物理量的定性溫度為管子進(jìn)出口流體主體溫度的算術(shù)平均值。除表2所述情況外，一般采用式(4)計(jì)算ho應(yīng)當(dāng)指出，由于強(qiáng)制對(duì)流時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)很低，故在換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免在強(qiáng)制層流條件下進(jìn)行換熱。3)流體在光滑圓形管內(nèi)呈過渡流當(dāng)Re=230010000時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)可先用湍流時(shí)的公式計(jì)算，然后把算得結(jié)果乘以校正系數(shù)小16105Re1.8(5)4)流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流流體在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動(dòng)程度，使