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换热器的传热计算
换热器的传热计算包括两类:一类是设计型计算,即根据工艺提出的条件,
确定换热面积;另一类是校核型计算,即对已知换热面积的换热器,核算其传热
量、流体的流量或温度。这两种计算均以热暈衡算和总传热速率方程为基础。
换热器热负荷Q值一般由工艺包提供,也可以由所需工艺要求求得。Q=W
△t,若流体有相変,Q=cr。
热负荷确定后,可由总传热速率方程(Q=KS△t)求得换热面积,最后根据
化工设备标准系列》确定换热器的选型。
其中总传热系数K
+Rs
在实际讣算中,总传热系数通常采用推荐值,这些推荐值是从实践屮积累或
通过实验测定获得的,可以从有关手册中查得。在选用这些推荐值时,应注意以
下儿点:
1.设计中管程和売程的流体应与所选的管程和壳稈的流体相一致
2.设计屮流体的性质(粘度等)和状态(流速等)应与所选的流体性质和
状态相致。
设计中换热器的类型应与所选的換热器的类型相一致。
4.总传热系数的推荐值一般范围很大,设计时可根据实际情况选取中间的
某一数值。若需降低设备费可选取较大的K值:岩需降低操作费用可取
较小的K值。
5.为保证较好的换热效果,设计中一般流体采用逆流换热,若采用错流或
折流换热时,可通过安德伍德( Underwood)和鲍曼( Bowman)图算法
时△t进行修正。
虽然这些推荐值给设计带来了很大便利,但是某些情况下,所选K值与实
际值出入很大,为避免盲目烦琐的试差计算,可根据式(1)对K值估算。
式(1)可分为三部分,对流传热热阻、污垢热阻和管壁导热热阻,其中污
垢热阻和管壁导热热阻可査相关手册求得。由此,K值估算最关键的部分就是对
流传热系数h的估算
影响对流传热系数的因素主要有:
1.流体的种类和相变化的情况
液体、气体和蒸气的对流传热系数都不相同。牛顿型和非牛顿型流体的也有
区别,这里只讨论牛顿型对流传热系数。
流体有无相变化,对传热有不同的影响。
流体的性质
对h影响较大的流体物性有比热、导热系数、密度和粘度等。对同一种流体
这些物性乂足温度的函数,而其中某些物性还和压强有关。
3.流体的流动状态
当流体呈湍流时,随着Re数的增加,滞流内层的厚度减薄,枚h就增大。
而当流体呈滯流时,流体在热流方向上.基本没有混杂流动,故h就较湍流时为小
4.流体流动的原因
自然对流是由于流体内部存在温度差,?而各部分的流体密度不同,引起流
体质点的相对位移。设p1和p2分别代表温度为t和t2两点的密度,则流体因密
度差而产生的升力为(p1-p2)g。若流体的体积膨胀系数为β,单位为1/C
并以代表t温度差(t-t),则可得p1=p2(1+B△t),于是每单位体积的流体
所产生的升力为
p1-92)g=Lp2(1+β△t)-p2]g=p2Bg△t或(p1P2)/g=B△
强制対流是由于外力的作用,如泵、搅拌器等迫使流体的流动
5.传热面的形状、位置和大小
传热管、板、管朿等不同的传热面的形状;管子的排列方式,水平或垂直放
置;管径、管长或板的高度等,都影响h值.
日前解决对流传热问题的方法主要有量纲分析法和类比法。常用的量纲分析
法有雷菜法和伯金汉法( Buckingham Method),前者适合于变量数目较少的场
合,而当变量数目较多时,后者较为简便,由于对流传热过程的影响因素较多,
故需采用伯金汉法。
◇强制对流(无相变)传热过程
根据理论分析及实验研究,对流传热系数h的影响因素有传热设备的尺寸1
流体密度p、粘度μ、定压质量热容cp、导热系数k及流速等物理量,可用
h-f(1,p、、cp、k、u)表示,式中涉及到的基本量纲只有四个。最后可得
強制对流(无相变)传热时的无量纲数群关系式Nu=巾(Re,Pr)。
◇自然对流传热过程
同样可得,自然对流传热时准数关系式为Nu=(Gr,Pr)
各准数名称、名称和含义列于表1
表1准数的名称、符号和含义
准数名称
符号「准数式
含义
努塞尔数
Nu
表示对流传热系数的准数
(Nussclt numbcr
雷诺数
表示惯性力与粘性力之比,是表征流动状态
R
Rcynolds numbcr
的准数
普兰德数
表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个
(Prandtl number
k
参数,反映与传热有关的流体物性
格拉斯崔夫数
1pgbar
丁r
表示由于温度差引起的浮力与粘性力之比
Grashof number
各准数中的物理量的意义为:
h一对流传热系数,W(m2℃)
流速
p一流体的密度,kg/m;
传热闻特性尺寸,可以是管径(内径、外径或平均直径)或平板长度,
y m:
k流体的导热系数,W/(m2C)
μ一流体的粘度,Pas
Cp-流体的定压比容,J(kg℃);
△一流体与壁面间的温度差,℃
B一流体的体积膨胀系数,1℃/或1K:
g一重力加速度,m/s2
上述关系式仅为Nu与Re、Pr或Gr、Pr的原则关系式,而各种不同情况下