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　　换热器计算_能源/化工_工程科技_专业资料。换热器计算 生产部 湖北宜化集团有限责任 2008-12 目录 节：概述 第二节：换热器分类 第三节：传热过程的分析及热计算 第四节：传热的强化 节 概述 一 、基本概念 ?

　　换热器计算 生产部 湖北宜化集团有限责任 2008-12 目录 节：概述 第二节：换热器分类 第三节：传热过程的分析及热计算 第四节：传热的强化 节 概述 一 、基本概念 ? 热量：由于温差的存在会导致能量的转换，转化的能量 称为热量。而该转化过程称为热交换或热传递。热量的 单位为焦耳。 ? 比热：是比热容的简称。单位质量的某种物质，温度降 低1℃或升高1℃所吸收或放出的热量，叫做这种物质的 比热容。国际单位J/(kg·K)。常用单位：kJ/(kg·℃) 、cal/(kg·℃)、kcal/(kg·℃)等。换算关系： 1cal=4.19J ? 传热系数K值：是指在稳定传热条件下，物体两侧温差为 1度（K，℃），1秒内通过1平方米面积传递的热量，单 位是瓦/平方米·度（W/㎡·K，此处K可用℃代替）。 节 概述 一 、基本概念 ? 相变：物质从一种相转变为另一种相的过程。相即固 、液、气三态，相变常伴有吸热或放热以及体积突变 。单位质量物质在等温等压条件下，从一相转变为另 一相时吸收或放出的热量称为相变潜热。 ? 沸点：液体发生沸腾时的温度；即物质由液态转变为 气态的温度。沸点随外界压力变化而改变，压力低， 沸点也低。 节 概述 二、传热过程在化工生产中的应用 ? 传热：是不同温度的两个物体之间或同一物体 的两个不同温度部位之间所进行的热的转移。 ? 传热在化工生产中的应用： ① 加热或冷却，使物料达到指定的温度； ② 换热，以回收利用热量； ③ 保温，以减少热损失. ? 化工生产中对传热的要求： 强化传热(加热或冷却物料) 削弱传热(设备和管道的保温) 三、传热的基本方式 一个物系或一个设备只要存在温度差就会发 生热量传递，当没有外功加入时，热量就总 是会自动地从高温物体传递到低温物体。根 据传热的机理不同，热传递有三种基本方式： ?热传导 ?热对流 ?热辐射 (一) 热传导(导热) 问题：冬天，为什么触摸铁比木头更冷些？ 一些常见物质的导热系数 物质 导热系数 λ[W/m·℃] 碳钢 45~52 不锈钢 铝合金 铜 10~30 203 银 钛 石墨 129 401 429 17.6 物质 导热系数 λ[W/m·℃] 木头 水 冰 2.22 空气 0.024 水蒸汽 氨气 玻璃 0.04~0.1 0.54 0.025 0.022 0.8~1 保温实例 (二)热对流 (三)热辐射 第二节 换热器分类 ?间壁式换热 ?混合式换热 ?蓄热式换热 间壁式换热 ? 列管式 、板式换热器 混合式换热 蓄热式换热 间壁式换热分类 ? ? ?蛇管式 ? ? ? ?套管式 ?管式换热器? ? ?管壳式 ? ?缠绕管式 ? ? ? ? 间壁式换热器? ? ?螺旋板式 ? ? ? ?板式 ? ? 板面式换热器?板翅式 ? ?板壳式 ? ? ? ?伞板式 ? ? ? ? 列管式换热器 优点：结构简单、紧 凑、能承受较高的压 力，造价低，管程清 洗方便，管子损坏时 易于堵管或更换。 缺点：不易清洗壳程， 壳体和管束中可能产 生较大的热应力。 适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗 以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。 例：氨冷器（卧冷），变换冷却器 浮头式换热器 优点：管内和管 间清洗方便，不 会产生热应力。 缺点：结构复杂， 设备笨重，造价 高，浮头端小盖 在 操作中无法检查。 适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。 例如：813低甲冷 U型管式换热器 优点：结构简单， 价格便宜，承受能 力强，不会产生热 应力。 缺点：布板少，管 板利用率低，管子 坏时不易更换。 适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高 压、腐蚀性大的物料。例如：合成的中置、后置锅炉 套管式换热器 优点：构造简单；能 耐高压；传热面积可 根据需要增减；适当 地选择管内、 外径， 可使流体的流速加大； 且双方的流体作严格 的逆流，有利于传热。 缺点：管间接头较多， 易发生泄露。单位长 度传热面积较小。 适用场合：传热面积不太大而又要求压强较高，或传热效果较好时。 例如：压缩的CO2机，813H2、N2高压段 蛇管式换热器 优点：结构简单， 价格低廉，便于防 腐蚀，能承受高压。 缺点：由于容器的 体积较蛇管的体积 大得多，所以管外 流体的传热系数较 小 ,因而总传热系 数的值也较小。 若在容器内增设搅 拌器或减小管外空 间，则可提高传热 系数。 适用场合：用作液体的预热器或蒸发器 ，或有腐蚀性的流体 喷淋式换热器 优点：与沉浸式 蛇管换热器相比， 便于检修和清洗、 传热效果好。 缺点：喷淋不易 均匀。 适用场合：放在室外空气流通处，冷却水在空气中蒸发时，可带 走部分热量，以提高冷却效果。 例如：压缩的CO2机，813H2、N2高压段 夹套式换热器 优点:结构简单。 缺点:传热面受容器 壁面限制，传热系 数小。 为提高传热系数且 使釜内液体受热均 匀，可在釜内安装 搅拌器。也可在釜 内安装蛇管。 适用场合：反应过程的加热或冷却。 例如：季醇的结晶罐 板式换热器 优点:结构紧凑， 单位体积设备所提 供的传热面积大； 总传热系数高，可 通过增减板数调节 传热面积；检修、 清洗方便。 缺点:处理量不大， 操作压强较低，操 作温度不能太高。 例如：季醇 板翅式换热器 优点:效能高,用 于气-气换热时效 果；紧凑； 重量轻；坚固； 缺点:耐腐蚀性差、 承压低。 当两种流体的对流传热系数之比为3:1或更大时，宜采用翅片式换 热器 螺旋板式换热器 优点:总传热效 率高；不易堵塞； 能有效利用低温 热源和精密控制 温度仪表；结构 紧凑。 缺点:操作压强 和温度不能太高； 结构复杂，不易 检修 第三节：传热过程的分析及热计算 ? 传热过程中的基本问题可以归结为： ① 载热体用量计算 ② 传热面积计算 ③ 换热器的结构设计 ④ 提高换热器生产能力的途径。 解决这些问题，主要依靠两个基本关系： (1) 热量衡算式 根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量 损失，则Q热=Q冷， 称为热量衡算式。由这个关 系式可以算得载热体的用量。 对于热物质：Q热= W热Cp热 (T1-T2)+W热r热 对于冷物质：Q冷= W冷Cp冷 (t2-t1)+ W冷r冷 式中：Q─放(吸)热速率/W；Cp ─比热/(J/Kg· ℃)； W ─流量/(Kg/s) ; t─进出口温度/℃； r─相变焓/(J/Kg) 包括气化潜热、溶解热等； 热量计算实例 例1：85 ℃ 、1.6MPa的氨气在氨冷器中冷凝成30 ℃ 的液氨，流量为20t/h。水的进出口温度分别为19 ℃ 和21℃ 。求：(1)冰机的制冷量;(2)水的流量 解: (1)查氨的物性参数： 1.6MPa的氨气饱和温度为45 ℃，冷凝潜热r=1336.97kJ/kg 氨气比热Cpg=2.112kJ/kg·℃，液氨比热Cpl=4.708kJ/kg·℃ 冰机制冷量等于氨液化的放热量，氨液化放热分三部分： 气氨冷却至45℃+气氨在45 ℃下冷凝潜热+液氨从45 ℃冷却至30 ℃ Q1=WCpg (t1-t2)= 20000×2.112×(85-45)=1.69×106kJ/h Q2=Wr= 20000×1336.97=2.67×107kJ/h Q3=WCpl(t2-t3)=20000×4.708×(45-30)=1.41×106kJ/h Q=Q1+Q2+Q3=2.98×107kJ/h=8.3MW (2) 根据热平衡方程： Q放热=Q吸热 Q氨放热=Q水吸热=W水Cp水(T2-T1) 已知水的比热为4.2kJ/kg· ℃，进出口温度分别为19 ℃和21 ℃ 2.98×107kJ/h=W水× 4.2kJ/kg· ×(21℃ -19 ℃) ℃ 解得W水=3.548×106kg/h=3548t/h ⑵ 传热速率方程式 ? 单位时间内通过传热面的热量称为传热速率，用Q 表示，其单位［W］。Q= Q热=Q冷 ? 实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间 的温度差△tm及传热面积S成正比，即： Q=KS△tm= △tm /(1/KS) = 推动力 /阻力 式 中： Q─传热速率，W； S─传热面积，m2 ； △tm─传热面两侧温度差，℃； K─总传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受 换热器的结构性能、流体流动情况、流体的物牲等 因素的影响，W/m2· ； ℃ 几个相关公式： 换热面积：以列管式换热器为例，S=nπdL, 式中： d-换热管直径，一般取内、外径的平均值/m；L-管长/m；n-管子 数量 平均温差： Δt ? Δt ? Δt 对数平均数 ln Δt Δt 式中： Δt1—进口处冷热物质温差/ ℃ ;Δt2—出口处冷热物质温差/ ℃ 1 2 m 1 2 当Δt1≤2Δt2时，对数平均数与算术平均数相差小于4％，此时为了方 便计算取可算数平均数： Δt ＋Δt Δt ? m 1 2 2 问题：并流时平均温差大还是逆流时平均温差大？ 当一侧流体变温，另一侧恒温时，不论并流或逆流， 其平均温差相等；当两侧流体均变温时，并流和逆流的平 均温差不等，通常是： ?t ? ?t m ,逆流 m ,并流 在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件 下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以节 省加热介质或冷却介质的用量。管式换热器 在生产中的换热器多采用逆流操作，只是对热敏 性物料加热时，物料的出口温度有限制时才采用并流 操作。  ?T1 Tc x ?T2 x 并流 逆流 平均温差计算实例 例2，氨冷器为逆流操作，试分别求氨冷凝段，液氨冷却段水的出 口温度及每一段的平均温差 解：逆流操作温度变化图如下： t1=85℃ 气氨冷却 氨： 水： T2=21 ℃ T4 ？ T3？ T1=19 ℃ t2=45℃ 气氨冷凝成液氨 t2=45℃ 液氨冷却 t3=30℃ 根据热平衡方程：Q氨放热=Q水吸热 Q1=W水Cp水(T2-T4) 1.69×106kJ/h=3.548×106kg/h×4.2kJ/kg· ℃×(21-T4) Q3=W水Cp水(T3-T1) 1.41×106kJ/h=3.548×106kg/h×4.2kJ/kg· ℃×(T3-19) 解得：T4=20.5℃；T3=19.6 ℃ t1=85℃ 气氨冷却 氨： 水： T2=21 ℃ △t1=85-21 =64 ℃ t2=45℃ 气氨冷凝成液氨 t2=45℃ 液氨冷却 T4=20.5 ℃ △t2=45-20.5 =24.5℃ T3=19.6℃ △t3=45-19.6 =25.4 ℃ t3=30℃ T1=19 ℃ △t4=30-19 =11℃ ?t ? m 1 ?t ? ?t 64 ? 24.5 ? ? 41.1?C ?t 64 ln ln ?t 24.5 1 2 1 2 2 3 ?t ? m 2 ?t ? ?t 24.5 ? 25.4 ? ? 24.95?C ?t 24.5 ln ln ?t 25.4 2 3 ?t ? m 3 ?t ? ?t 25.4 ? 11 ? ? 17.21?C ?t 25.4 ln ln ?t 11 3 4 3 4 总传热系数K的计算 ? 总传热系数K是表示换热设备性能好坏的重要参数 ，管式换热器也是传热计算中重要的依据。 ? K的来源： （1） 生产实际的经验数据 在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验 数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较 为成熟的经验K值作为设计依据，下表列出了一些 条件下经验K值的大致范围，供设计时参考。 列管换热器总传热系数K的经验数据 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 总传热系数K [W/(m2· K)] 12~60 800~1800 350左右 280~850 12~35 1~4700 30~300 60~350 290~870 ⑵ 实验测定 通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传 热基本方程计算K值： Q k? S?t m 实验测定可以获得较为可靠的K值。由计算方法得到的K值 往往与查取的和实测的K值相差较大，这主要是由于计算给 热系数α的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确等原 因所致，因此，使用计算的K值时应慎重，与另外两种 方法作对照，以确定合理的K值。 （3） 分析计算 b 1 1 b 1 ? ?R ? ?R ? k ? ? ? i o i T 热流体 冷流体 Q o 式中： αi—管内流体对流给热系数[W/m2· ℃ ]； αo—管外流体对流给热系数 [W/m2· ] ;λ—管材导热系数 ℃ [W/m· ] ;b—管壁厚度[m];Ri—管内污 ℃ 垢热阻[(m2 ℃) /w];R0—管外污垢热阻 [(m2 ℃) /w] Tw Q tw t A1 A2 0.8 p n ? du? c ? 流体在管内做湍流时α的表达式： ? ? 0.023 ( ) ( ) d ? ? 式中： λ—流体导热系数[W/m· ] ，d—管径[m]，u—流速[m/s]，ρ—密度 ℃ [kg/m3]，μ—粘度[Pa· S]，Cp—比热[J/kg · ]， n值视热流方向而定，当流体 ℃ 被加热 n= 0.4 ，被冷却时 n = 0.3 污垢热阻的大致数值 流体种类 水(u1m/s, t50℃) 海水 河水 井水 蒸馏水 0.0001 0.0006 0.00058 0.0001 污垢热阻 m2· ℃/W 蒸气 有机蒸汽 水蒸气(不含油) 水蒸气废气(含油) 制冷剂蒸汽(含油) 0.0002 0.0001 0.0002 0.0004 流体种类 污垢热阻 m2· ℃/W 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 0.00026 0.00058 0.00026 0.0006 0.0004 气体 空气 压缩气体 天然气 焦炉气 0.0003 0.0004 0.002 0.002 换热面积计算实例 例3，计算水对管壁的对流给热系数α，并计算换热器的 总面积S。 水的导热系数λ水=0.6W/m· ℃，列管管径d=0.02m，壁厚 b=0.0025m，水的流速u=0.5m/s，水的密度ρ=1000kg/m3，水 的粘度μ=1.11×10-3Pa· S，水的比热Cp=4.2×103J/kg · ℃。氨气 对流给热系数α1=12W/m2· ℃，氨冷凝时对流给热系数 α2=2800W/m2· ℃，液氨对流给热系数α3=500W/m2· ℃，钢管导 热系数λ钢=45W/m· ℃，污垢热阻取0.0005 m2· ℃/W 解： ? du? c ? ? ? 0.023 ( ) ( ) d ? ? 水 0.8 p 水 ?3 n 0.6 0.02 ? 0.5 ? 1000 4200 ? 1.11? 10 ? 0.023 ? ( ) ?( ) 0.02 1.11? 10 0.6 ?3 0.8 0.4 =2284 W/m2· ℃ 计算各段K值： 1 1 b 1 1 0.0025 1 ? ?R? ? ? ? 0.0005 ? ? 氨气冷却： k ? ? ? 2284 45 12 1 水 钢 1 K1=11.9 W/m2· ℃=42.7kJ/h· 2· m ℃ 1 1 b 1 1 0.0025 1 ? ?R? ? ? ? 0.0005 ? ? 氨气冷凝：k ? ? ? 2284 45 2800 2 水 钢 2 K2=740W/m2· 2666kJ/h· 2· ℃= m ℃ 1 1 b 1 1 0.0025 1 ? 0.0005 ? ? 液氨冷却： ? ? R ? ? ? k ? ? ? 2284 45 500 3 水 钢 3 K3=334W/m2· ℃=1203kJ/h· 2· m ℃ 求各段换热面积： Q 1.69 ? 10 S ? ? ? 963m K ?t 42.7 ? 41.1 6 1 1 1 m1 2 Q 2.67 ? 10 S ? ? ? 375m K ?t 2666 ? 26.7 7 2 2 2 m2 2 Q 1.41? 10 S ? ? ? 68m K ?t 1203 ? 17.21 6 1 1 1 m1 2 总面积S=S1+S2+S3=963+375+68=1406m2 S实际=1.25S=1.25×1406=1758m2 第四节 传热的强化 一、传热的强化原则 ?目的:在减少或不变传热面积的前提下，增加传热量; 有时又可降低高温部件的温度。 ?原则:哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措 施。 传热强化 Q ? KA?t m 第四节 传热的强化 二、传热的强化方式 增大传热系数（降低热阻） 1 1 b 1 ? ?R ? ?R ? k ? ? ? i o i o ?提高K值，必须设法提高冷热流体的两个给热系数，降低间壁热阻和污 垢热阻，但应分清矛盾的主次，重点放在薄弱环节上。 对于金属壁面，导热一般不构成主要热阻，垢层热阻随使用时间的延长 而变大，往往成为控制传热速率的主要因素，防止结垢和除垢是保证换 热器正常工作的重要措施。 ?当污垢也不构成影响传热的主要因素时，则间壁两侧的对流传热热阻 就构成问题的主要方面，若两个α存在数量级的差别时，传热的薄弱环节 处在较小α一方，应设法增加小α的数值，若两个α数值相近，应同时予 以提高。 第四节 传热的强化 增大热、冷流体间的平均温差 ?在生产上常常采用增大温差的方法来强化传热： 用饱和蒸气作加热介质，通过增加蒸汽压力来提高蒸汽温度； 在水冷器中降低水温以增大温差； 冷热两流体进出口温度固定不变，逆流操作增加传热温差。 ?但在大多数情况下： 物料的温度是由工艺条件给定的，不能任意变动； 加热剂(或冷却剂)的进口温度往往也是不能改动的； 冷却水的初温决定于环境气候，出口温度虽可通过增大水流量而降低， 但流动阻力迅速增加，操作费用升高； 由热力学第二定律，传热温差越大，有效能损失越大，于是，非但 不能增大温差，有时还要减小温差，以降低有效能损失。 问题：温差越大传热效率越高吗？ 第四节 传热的强化 对流传热时，热量以导热方式通过滞流底层，对流热阻主要集中在这里 ，因此，强化传热的方法是：减薄滞流底层的厚度，增强边界层的湍动 程度。采取的手段是： 提高流体速度 管程流速可以通过增加管程数来提高，壳程流速可以通过增加折流挡板 数来提高。由于α ∝u0.8，随着流速的增加，传热系数增大，但由于 ⊿p∝u2，流动阻力增加更快，强化具有局限性。 改变流动状态 通过特殊设计的传热壁面不断改变流体的流动速度和方向，增强边界层 的扰动，如：将换热面加工成粗糙表面；在管内表面上加工螺纹槽，制 成螺纹管或螺旋槽管，在管内安装插入物强化管内的传热，常用插入物 是麻花纽带，制作和装卸都方便。 第四节 传热的强化 引入机械振动 使传热表面振动或流体振动，目的是加强滞流底层的湍动。 增大传热面积 用螺纹管或螺旋槽管代替光管，在园管外表面上加螺旋翅片， 或在管壁上加工轴向肋片，称之为扩展表面，都能有效提高 传热速率。但是，扩展表面的温度低于基管的温度，传热量 的增加率低于传热面积的增加率。加肋还可提高传热系数， 凡能导致千安培增加的换热表面称为“强化传热面”。 换热器实例分析 蒸发温度达不到指标的原因（尿素工区）？ ? 进蒸发系统的尿液量过多或尿液浓度太低； ? 真空度是否提得太快； ? 蒸发加热器的蒸汽压力太低； ? 是否加热室积存的惰性气太多或加热器列管结垢严重； ? 是否是加热器内积液，使有效传热表面积减少； ? 温度指示是否有误。 Q ? KA?t m 换热器的设计和选用 一、选用和设计中应考虑的问题（以列管式为例） 1.流体流经的路径选择 选择的原则 ⑴ 不清洁易结垢的物料流过易于清洗的管内； ⑵ 需要通过增大流速以提高给热系数的流体应选管程； ⑶ 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀； ⑷ 压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压； ⑸ 蒸汽走壳程，冷凝液易于排出； ⑹ 被冷却的流体一般走壳程，便于散热； ⑺ 粘度大流量小流体选壳程。 抓住主要矛盾进行选择，例如，首先从流体的压力、腐蚀性及 清洗等方面的要求来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求。 2.换热管规格及排列 系列标准规定采用φ25×2.5mm,φ19×2mm两种规格的管子。 钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6 米四种规格，其中以3米和6米为普遍。换热管的排列方式有 等边三角形和正方形两种，等边三角形排列比正方形排列更为 紧凑, 但正方形排列的管束清洗方便。 3.壳体直径的选择：根据管径、管子数、管中心距及管子排列 方式计算。 4. 管内、管外对流传热系数（αi 、αo）的估算：经验公式 5.流体压降的计算：包括管程压降和壳程压降 管程压降：用流体流动阻力计算公式； 壳程压降：用经验公式。 2 设 计 计 算 步 骤 根据传热设计任务书：计算传热量Q 确定进、出口温度，管式换热器计算定性温度，确定定性温度下的物性 计算传热平均温差△tm，确定壳程数；并根据两 流体温差，确定换热器的类型 确定两流体的走向；根据经验选择总传热系数K，初算S及系 列规格：包括管程数、折流板间距，确定流速 计算管、壳程阻力降 未满足压降要求 满足要求 计算K，校核S 未满足要求 S选用=(1.1~1.25)S计算 满足要求 计算结束
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