换热器的传热和阻力计算
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换热器的传热及阻力计算换热器是一种用于传递热量的设备,广泛应用于各个领域,如工业生产、能源系统和空调系统等。
在设计换热器时,需要对其进行传热及阻力计算,以确保其正常工作和高效性能。
本文将详细介绍换热器的传热计算方法和阻力计算方法。
换热器的传热计算方法可以通过换热系数和传热面积两个方面来进行。
换热系数是一个反映传热效率的参数,可以通过实验测定或理论计算得到。
传热面积是指换热器内热量传递的表面积,可以通过换热器的几何形状和尺寸进行计算。
换热系数的计算方法主要有理论计算和实验测定两种。
理论计算方法是根据换热过程涉及的热力学和流体力学原理,利用换热器材料的导热性能、流体的物性参数和流体速度等来计算换热系数。
而实验测定方法则是通过实验室或现场实测来确定换热系数。
常见的实验测定方法有柱式法、风洞法、加热线法和表面平均温度法等。
传热面积的计算方法则根据具体的换热器结构形式来进行。
换热面积的计算需要考虑换热器的传热面的几何形状、尺寸和布置等因素。
根据实际情况和设计要求,可以选择适当的换热器结构,如管壳式、板式、管翅片式、环型或螺旋板式等,并根据具体结构进行面积计算。
阻力计算是指换热器在工作过程中对流体流动产生的阻力进行估算。
对流体流动的阻力计算需要考虑流体的运动状态、流量和流速等因素。
阻力计算可以通过实验测定或理论计算来进行。
实验测定方法包括风洞法、压差容器法和管道试验法等,其中风洞法是常用的方法之一、理论计算方法则根据流体流动的基本原理和方程来进行,如伯努利方程、连续性方程和动量方程等。
在进行换热器的阻力计算时,需要考虑流体的性质、流动状态和流道的几何形状等因素。
一般来说,流体的阻力与其粘度、密度、流速和流体的流动形式等有关。
流体的流动形式可以分为层流和紊流两种,其阻力特性也有所不同。
通常情况下,层流和紊流的阻力可以通过一系列经验公式或实验数据进行计算和估算。
除了传热计算和阻力计算,还需要对换热器进行性能评估和优化设计。
第2章工艺计算2.1设计原始数据表2—1名称设计压力设计温度介质流量容器类别设计规范单位Mpa ℃/ Kg/h / /壳侧7.22 420/295 蒸汽、水III GB150 管侧28 310/330 水60000 GB1502.2管壳式换热器传热设计基本步骤(1)了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能(2)由热平衡计算的传热量的大小,并确定第二种换热流体的用量。
(3)确定流体进入的空间(4)计算流体的定性温度,确定流体的物性数据(5)计算有效平均温度差,一般先按逆流计算,然后再校核(6)选取管径和管内流速(7)计算传热系数,包括管程和壳程的对流传热系数,由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关,因此,一般先假定一个壳程传热系数,以计算K,然后再校核(8)初估传热面积,考虑安全因素和初估性质,常采用实际传热面积为计算传热面积值的1.15~1.25倍l(9)选取管长(10)计算管数NT(11)校核管内流速,确定管程数(12)画出排管图,确定壳径D和壳程挡板形式及数量等i(13)校核壳程对流传热系数(14)校核平均温度差(15)校核传热面积(16)计算流体流动阻力。
若阻力超过允许值,则需调整设计。
第2章工艺计算2.3 确定物性数据2.3.1定性温度由《饱和水蒸气表》可知,蒸汽和水在p=7.22MPa、t>295℃情况下为蒸汽,所以在不考虑开工温度、压力不稳定的情况下,壳程物料应为蒸汽,故壳程不存在相变。
对于壳程不存在相变,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
其壳程混合气体的平均温度为:t=420295357.52+=℃(2-1)管程流体的定性温度:T=3103303202+=℃根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
2.3.2 物性参数管程水在320℃下的有关物性数据如下:【参考物性数据无机表1.10.1】表2—2密度ρi-=709.7 ㎏/m3定压比热容cpi=5.495 kJ/㎏.K热导率λi=0.5507 W/m.℃粘度μi=85.49μPa.s普朗特数Pr=0.853壳程蒸气在357.5下的物性数据[1]:【锅炉手册饱和水蒸气表】表2—3密度 ρo =28.8 ㎏/m 3定压比热容 c po =3.033 kJ/㎏.K 热导率 λo =0.0606 W/m.℃ 粘度 μo =22.45 μPa.s 普朗特数Pr=1.1222.4估算传热面积 2.4.1热流量根据公式(2-1)计算:p Q Wc t =∆ 【化原 4-31a 】 (2-2)将已知数据代入 (2-1)得:111p Q WC t =∆=60000×5.495×310 (330-310)/3600=1831666.67W式中: 1W ——工艺流体的流量,kg/h ;1p C ——工艺流体的定压比热容,kJ/㎏.K ;1t ∆——工艺流体的温差,℃;Q ——热流量,W 。
管壳式换热器传热设计说明书设计一列管试换热器,主要完成冷却水——过冷水的热量交换设计压力为管程1.5MPa (表压),壳程压力为0.75MPa(表压),壳程冷却水进,出口温度分别为20℃和50℃,管程过冷水进,出口温度分别为90℃和65℃管程冷水的流量为80t/h。
2、设计计算过程:(1)热力计算1)原始数据:过冷却水进口温度t1′=145℃;过冷却水出口温度t1〞=45℃;过冷却水工作压力P1=0.75Mp a(表压)冷水流量G1=80000kg/h;冷却水进口温度t2′=20℃;冷却水出口温度t2〞=50℃;冷却水工作压力P2=0.3 Mp a(表压)。
改为冷却水工作压力P2=2.5 Mp2)定性温度及物性参数:冷却水的定性温度t2=( t1′+ t1〞)/2=(20+50)/2=35℃;冷却水的密度查物性表得ρ2=992.9 kg/m3;冷却水的比热查物性表得C p2=4.174 kJ/kg.℃冷却水的导热系数查物性表得λ2=62.4 W/m.℃冷却水的粘度μ2=727.5×10-6 Pa·s;冷却水的普朗特数查物性表得P r2=4.865;过冷水的定性温度℃;过冷水的密度查物性表得ρ1=976 kg/m3;过冷水的比热查物性表得C p1=4.192kJ/kg.℃;过冷水的导热系数查物性表得λ1=0.672w/m.℃;过冷水的普朗特数查物性表得P r2;过冷水的粘度μ1=0.3704×10-6 Pa·s。
过冷水的工作压力P1=1.5 Mp a(表压)3)传热量与水热流量取定换热器热效率为η=0.98;设计传热量:过冷却水流量:;4)有效平均温差逆流平均温差:根据式(3-20)计算参数p、R:参数P:参数R:换热器按单壳程2管程设计,查图3—8得温差校正系数Ψ=0.83;有效平均温差:5)管程换热系数计算:附录10,初定传热系数K0=400 W/m.℃;初选传热面积:m2;选用φ25×2.5无缝钢管作换热管;管子外径d0=0.025 m;管子径d i=0.025-2×0.0025=0.02 m;管子长度取为l=3 m;管子总数:取720根管程流通截面积:m2管程流速:m/s管程雷诺数:湍流管程传热系数:(式3-33c)6)结构初步设计:布管方式见图所示:管间距s=0.032m(按GB151,取1.25d0);管束中心排管的管数按4.3.1.1所给的公式确定:取20根;壳体径:m 取Di=0.7m;长径比:布管示意图l/D i=3/0.9=3.3 ,合理选定弓形折流板弓形折流板弓高:折流板间距:m折流板数量:折流板上管孔直径由GB151-2014可确定为 0.0254mm折流板直径由GB151-2014可确定为 0.6955m 7)壳程换热系数计算壳程流通面积:根据式(3-61)中流体横过管束时流道截面积046.0032.0025.016.0233.01o i c1=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=s d BD A m 2壳程流速:m/s ;壳程质量流速:kg m 2/s ;壳程当量直径:m ;壳程雷诺数:; 切去弓形面积所占比例按 h/D i =0.2查图4-32得为0.145壳程传热因子查 图3-24得为j s =20 管外壁温度假定值 t w1′=45℃ 壁温过冷水粘度 Pa.s粘度修正系数:根据式(3-62)计算壳程换热系数:8)传热系数计算:水侧污垢热阻:r 2=0.000344m 2.℃/w 管壁热阻r 忽略 总传热系数:传热系数比值,合理9)管壁温度计算:管外壁热流密度:W/m2.℃根据式(3-94a)计算管外壁温度:℃误差较核:℃,误差不大;10)管程压降计算:根据式(3-94b)计算管壁温度:℃;壁温下水的粘度:Pa·s;粘度修正系数:;查图3-30得管程摩擦系数:管程数:;管沿程压降计算依据式(3-112):Pa (W=w.ρ)回弯压降:Pa;取进出口管处质量流速:W N2=1750 ㎏/㎡·s; (依据ρw2<3300取 w=1.822m/s) 进出口管处压降(依据 3-113):;管程结垢校正系数:;管程压降:11)壳程压降计算:壳程当量直径:m;雷诺数:;查得壳程摩擦系数:λ1=0.08;(图 3-34)管束压降(公式3-129):Pa;取进出口质量流速: kg/m2·s;( ρw2<2200 取W N2=1000 ㎏/㎡·s) 进出口管压降:Pa;取导流板阻力系数:;导流板压降:Pa壳程结垢修正系数:;(表3-12)壳程压降:Pa;管程允许压降:[△P2]=35000 Pa;(见表3-10)壳程允许压降:[△P1]=35000 Pa;△P2<[△P2]△P1<[△P1]即压降符合要求。
介质不同,传热系数各不相同我们公司的经验是:1、汽水换热:过热部分为800~1000W/m2.℃饱和部分是按照公式K=2093+786V(V是管内流速)含污垢系数0.0003。
水水换热为: K=767(1+V1+V2)(V1 是管内流速, V2 水壳程流速)含污垢系数 0.0003实际运行还少有保守。
有余量约10%冷流体热流体总传热系数 K , W/(m 2.℃)水水850~1700水气体17~280水有机溶剂280~850水轻油340~910水重油60~280有机溶剂有机溶剂115~340水水蒸气冷凝1420~4250气体水蒸气冷凝30~300水低沸点烃类冷凝455~1140水沸腾水蒸气冷凝2000~4250轻油沸腾水蒸气冷凝455~1020不同的流速、粘度和成垢物质会有不同的传热系数。
K 值通常在800~2200W/m2·℃范围内。
列管换热器的传热系数不宜选太高,一般在800-1000 W/m2·℃。
螺旋板式换热器的总传热系数(水—水)通常在 1000~2000W/m2·℃范围内。
板式换热器的总传热系数(水(汽)—水)通常在3000~5000W/m2·℃范围内。
1.流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程,哪一种流体流经壳程,下列各点可供选择时参考 (以固定管板式换热器为例 )(1)不洁净和易结垢的流体宜走管内,以便于清洗管子。
(2)腐蚀性的流体宜走管内,以免壳体和管子同时受腐蚀,而且管子也便于清洗和检修。
(3)压强高的流体宜走管内,以免壳体受压。
(4)饱和蒸气宜走管间,以便于及时排除冷凝液,且蒸气较洁净,冷凝传热系数与流速关系不大。
(5)被冷却的流体宜走管间,可利用外壳向外的散热作用,以增强冷却效果。
(6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内,因管程流通面积常小于壳程,且可采用多管程以增大流速。
(7)粘度大的液体或流量较小的流体,宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程流动时,由于流速和流向的不断改变,在低 Re(Re>100)下即可达到湍流,以提高对流传热系数。
板式换热器选型计算的方法及公式(1)求热负荷QQ=G.ρ.CP.Δt(2)求冷热流体进出口温度t2=t1+ Q /G .ρ .CP(3)冷热流体流量G= Q / ρ .CP .(t2-t1(4)求平均温度差ΔtmΔtm=(T1-t2)-(T2-t1)/In(T1-t2)/(T2-t1)或Δtm=(T1-t2)+(T2-t1)/2(5)选择板型若所有的板型选择完,则进行结果分析。
(6)由K值范围,计算板片数范围Nmin,NmaxNmin = Q/ Kmax .Δtm .F P .βNmax = Q/ Kmin .Δtm .F P .β(7)取板片数N(Nmin≤N≤Nmax )若N已达Nmax,做(5)。
(8)取N的流程组合形式,若组合形式取完则做(7)。
(9)求Re,NuRe = W .de / νNu =a1.Re a2.Pr a3(10)求a,K传热面积Fa = Nu .λ / deK= 1 / 1/a h+1/a c+γc+γc+δ/λ0F= Q /K .Δtm .β(11)由传热面积F求所需板片数NNNN= F/ Fp+ 2(12)若N<NN,做(8)。
(13)求压降ΔpEu = a4.Re a5Δp = Eu .ρ.W2 .ф(14) 若Δp>Δ允,做(8);若Δp≤Δ允,记录结果,做(8)。
注: 1.(1)、(2)、(3)根据已知条件的情况进行计算。
2.当T1-t2=T2-t1时采用Δtm = (T1-t2)+(T2-t1)/2 3.修正系数β一般0.7~0.9。
板式换热器的优化选型1 平均温差△tm从公式Q=K△tmA,△tm=1/A∫A(t1-t2)dA中可知,平均温差△tm是传热的驱动力,对于各种流动形式,如能求出平均温差,即板面两侧流体间温差对面积的平均值,就能计算出换热器的传热量。
平均温差是一个较为直观的概念,也是评价板式换热器性能的一项重要指标。
1.1 对数平均温差的计算当换热器传热量为dQ,温度上升为dt时,则C=dQ/dt,将C定义为热容量,它表示单位时间通过单位面积交换的热量,即dQ=K(th-tc)dA=K△tdA,两种流体产生的温度变化分别为dth=-dQ/Ch,dtc=-dQ/Cc,d△t=d(th -tc)=dQ(1/Cc-1/Ch),则dA=[1/k(1/Cc-1/Ch)]·(d△t/△t),当从A=0积分至A=A0时,A0=[1/k(1/Cc-1/Ch)]·㏑[(tho-tci)/(thi-tco)],由于两种流体间交换的热量相等,即Q=Ch(thi-tho)=Cc (tco-tci),经简化后可知,Q=KA0{[(tho-tci)-(thi-tco)]/㏑[(tho -tci)/(thi-tco)]},若△t1=thi-tco,△t2=tho-tci,则Q=KA0[(△t1-△t2)/㏑(△t1/△t2)]=KA0△tm,式中的△tm=(△t1-△t2)/㏑(△t1/△t2)。
介质不同,传热系数各不相同我们公司的经验是:1、汽水换热:过热部分为800~1000W/m2.℃饱和部分是按照公式K=2093+786V(V是管内流速)含污垢系数0.0003。
水水换热为:K=767(1+V1+V2)(V1是管内流速,V2水壳程流速)含污垢系数0.0003实际运行还少有保守。
有余量约10%冷流体热流体总传热系数K,W/(m2.℃)水水 850~1700水气体 17~280水有机溶剂 280~850水轻油 340~910水重油60~280有机溶剂有机溶剂115~340水水蒸气冷凝1420~4250气体水蒸气冷凝30~300水低沸点烃类冷凝 455~1140水沸腾水蒸气冷凝2000~4250轻油沸腾水蒸气冷凝455~1020不同的流速、粘度和成垢物质会有不同的传热系数。
K值通常在800~2200W/m2·℃范围内。
列管换热器的传热系数不宜选太高,一般在800-1000 W/m2·℃。
螺旋板式换热器的总传热系数(水—水)通常在1000~2000W/m2·℃范围内。
板式换热器的总传热系数(水(汽)—水)通常在3000~5000W/m2·℃范围内。
1.流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程,哪一种流体流经壳程,下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内,以便于清洗管子。
(2) 腐蚀性的流体宜走管内,以免壳体和管子同时受腐蚀,而且管子也便于清洗和检修。
(3) 压强高的流体宜走管内,以免壳体受压。
(4) 饱和蒸气宜走管间,以便于及时排除冷凝液,且蒸气较洁净,冷凝传热系数与流速关系不大。
(5) 被冷却的流体宜走管间,可利用外壳向外的散热作用,以增强冷却效果。
(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内,因管程流通面积常小于壳程,且可采用多管程以增大流速。
(7) 粘度大的液体或流量较小的流体,宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程流动时,由于流速和流向的不断改变,在低Re(Re>100)下即可达到湍流,以提高对流传热系数。
板式换热器的计算方法板式换热器的计算是一个比较复杂的过程,目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。
在计算机没有普及的时候,各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速总传热系数曲线估算方法。
目前,越来越多的厂家采用计算机计算,这样,板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。
以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法,该方法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方法。
以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的:•总传热量(单位:kW).•一次侧、二次侧的进出口温度•一次侧、二次侧的允许压力降•最高工作温度•最大工作压力如果已知传热介质的流量,比热容以及进出口的温度差,总传热量即可计算得出。
温度T1=热侧进口温度T2=热侧出口温度t1=冷侧进口温度t2=冷侧出口温度热负荷热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系,在换热器保温良好,无热损失的情况下,对于稳态传热过程,其热流量衡算关系为:(热流体放出的热流量)=(冷流体吸收的热流量)在进行热衡算时,对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。
(1)无相变化传热过程Q=?A(^1—爲)=料亡氏(S—‘1)式中Q----冷流体吸收或热流体放出的热流量,W;m h,m c——热、冷流体的质量流量,kg/s;CpmCpc—热、冷流体的比定压热容,kJ/(kg・K);T1,t1……热、冷流体的进口温度,K;T2,t2——热、冷流体的出口温度,Ko(2)有相变化传热过程两物流在换热过程中,其中一侧物流发生相变化,如蒸汽冷凝或液体沸腾,其热流量衡算式为:一侧有相变化Q=蚀匚円込一爲)=Dr两侧物流均发生相变化,如一侧冷凝另一侧沸腾的传热过程Q=A r i=D込式中r,r1,r2物流相变热,J/kg;D,D1)D2相变物流量,kg/s。
对于过冷或过热物流发生相变时的热流量衡算,则应按以上方法分段进行加和计算。
对数平均温差(LMTD)对数平均温差是换热器传热的动力,对数平均温差的大小直接关系到换热器传热难易程度•在某些特殊情况下无法计算对数平均温差,此时用算术平均温差代替对数平均温差,介质在逆流情况和在并流情况下的对数平均温差的计算方式是不同的。
板式换热器选型计算的方法及公式(1)求热负荷QQ=G.ρ.CP.Δt(2)求冷热流体进出口温度t2=t1+ Q /G .ρ .CP(3)冷热流体流量G= Q / ρ .CP .(t2-t1(4)求平均温度差ΔtmΔtm=(T1-t2)-(T2-t1)/In(T1-t2)/(T2-t1)或Δtm=(T1-t2)+(T2-t1)/2(5)选择板型若所有的板型选择完,则进行结果分析。
(6)由K值范围,计算板片数范围Nmin,NmaxNmin = Q / Kmax .Δtm .F P .βNmax = Q / Kmin .Δtm .F P .β(7)取板片数N(Nmin≤N≤Nmax )若N已达Nmax,做(5)。
(8)取N的流程组合形式,若组合形式取完则做(7)。
(9)求Re,NuRe = W .de / νNu =a1.Re a2.Pr a3(10)求a ,K传热面积Fa = Nu .λ/ deK =1 / 1/a h+1/a c+γc+γc+δ/λ0F = Q /K .Δtm .β(11)由传热面积F求所需板片数NN NN= F/ Fp + 2(12)若N <NN ,做(8)。
(13)求压降Δp Eu = a 4.Re a5Δp = Eu .ρ.W 2.ф(14) 若Δp >Δ允 ,做(8); 若Δp ≤Δ允 ,记录结果 ,做(8)。
注: 1.(1)、(2)、(3)根据已知条件的情况进行计算。
2.当T 1-t 2=T 2-t 1时采用Δtm = (T 1-t2)+(T2-t1)/23.修正系数β一般~。
板式换热器的优化选型1 平均温差△tm从公式Q=K△tmA,△tm=1/A∫A(t1-t2)dA中可知,平均温差△tm是传热的驱动力,对于各种流动形式,如能求出平均温差,即板面两侧流体间温差对面积的平均值,就能计算出换热器的传热量。
平均温差是一个较为直观的概念,也是评价板式换热器性能的一项重要指标。