第3章 传热计算

1、LOGO第三章第三章 传热计算传热计算Company 内容内容1. 列管换热器的设计列管换热器的设计2. 列管换热器的操作模拟列管换热器的操作模拟3. 换热器系统的模拟换热器系统的模拟4. 传热物体内的温度分布传热物体内的温度分布Company 夹套式换热器夹套式换热器夹套式换热器夹套式换热器：主要用于反应器的加热或冷却：主要用于反应器的加热或冷却优点：优点：结构简单加工方便结构简单加工方便缺点：缺点：传热面积小，传热效率低传热面积小，传热效率低Company 优点：结构简单，能承受高压；优点：结构简单，能承受高压；缺点：传热面积不大，管外流体给热系数小，为强化传热，可在容器内缺点：传热面积不

2、大，管外流体给热系数小，为强化传热，可在容器内安装搅拌器。安装搅拌器。沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器Company 优点：优点：缺点：缺点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，水质要求低结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，水质要求低冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外喷淋式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器Company 优点：结构简单，能承受较高压力，应用灵活；优点：结构简单，能承受较高压力，应用灵活；缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一般适合于流缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一

3、般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。体流量不大、传热负荷较小的场合。套管式换热器套管式换热器Company 列管式换热器又称管壳式换热器，是列管式换热器又称管壳式换热器，是工业上使用最广泛的一工业上使用最广泛的一种换热设备种换热设备。优点：优点：具有结构简单，造价低廉，具有结构简单，造价低廉，单位体积的传热面积、处单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。型装置中采用更为普遍。根据热补偿方式不同，分为三类：根据热补偿方式不同，分为三类：固定管板式固定管板式U形管式形管式浮头式浮头式列

4、管式换热器列管式换热器Company 列管式换热器列管式换热器v 结构：壳体、管束、管板、封头等。结构：壳体、管束、管板、封头等。v 冷、热流体两种流体在列管式换热器内进行换热时，一种冷、热流体两种流体在列管式换热器内进行换热时，一种流体通过管内，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，流体通过管内，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。其行程称为壳程。v 换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程；换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程；管程数多有利于提高管程流体的流速和对流传热系数，但管程数多有利于提高管程流体的流速和对流传热系数，但能量损失增加，传热温度差小

5、，程数以能量损失增加，传热温度差小，程数以2、4、6程多见。程多见。v 管外流体每通过一次壳体成为一个壳程。在管外装有折流管外流体每通过一次壳体成为一个壳程。在管外装有折流板（或挡板）可以提高壳程流体的流速，以保持较高的传板（或挡板）可以提高壳程流体的流速，以保持较高的传热系数，折流板形式常用的有弓形和盘环形两种。折流板热系数，折流板形式常用的有弓形和盘环形两种。折流板同时起中间支架作用。同时起中间支架作用。Company 固定管板式列管换热器固定管板式列管换热器折流板作用：不仅可以防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定折流板作用：不仅可以防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径

6、多次错流通过管束，使湍动程度大大增加。路径多次错流通过管束，使湍动程度大大增加。Company 带补偿圈的列管式换热器带补偿圈的列管式换热器特点：在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发生弹性形特点：在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发生弹性形变，达到补偿的目的。变，达到补偿的目的。Company U形管式列管换热器形管式列管换热器特点：将管子两端都固定在同一管板上，每根管子可以自由伸缩，与其他管子和特点：将管子两端都固定在同一管板上，每根管子可以自由伸缩，与其他管子和外壳无关。结构简单，适合高温高压场合。缺点是清洗困难，管子需要一定弯曲外壳无关。结构简单，

7、适合高温高压场合。缺点是清洗困难，管子需要一定弯曲半径，管板的利用率较差。半径，管板的利用率较差。Company 浮头式列管换热器浮头式列管换热器特点：换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为浮头），当管子受热或特点：换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为浮头），当管子受热或受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。Company 板式换热器板式换热器Company 螺旋板式换热器螺旋板式换热器Company 11212212()()mPmPQq cttQqcTT冷流体冷流体热流体热流体3.1 列管换热器的设计列管换热器的设计（1

8、）（2）12121()21()2mmtttTTT定性温度定性温度v 设计计算的数学模型设计计算的数学模型v 假定冷流体走管程，热流体走壳程，管程壳程均采用单程，假定冷流体走管程，热流体走壳程，管程壳程均采用单程，壳程有折流挡板，换热器中冷热流体均无相变，逆流操作，壳程有折流挡板，换热器中冷热流体均无相变，逆流操作，定态过程，忽略热损失。定态过程，忽略热损失。 (1) 热量衡算方程热量衡算方程（3）（4）Company 2 mQKA tAdL n 设计计算的数学模型设计计算的数学模型（5）（6）1221122112212111()()ln,mTtTttTtTtTTttfttTt 其中其中 (2)

9、 传热速率方程（以外表面为计算基准）传热速率方程（以外表面为计算基准）2212111211ddddRRKdd（7）（8）图表可查取图表可查取（9） Company 0.140.80.33111111110.140.550.3322222220.027RePr (Re 10000)0.36RePr (Re 10000)wewdd 设计计算的数学模型设计计算的数学模型（10）（11）11212112211221212Re RePr PrmmePPq dqdSScc管程管程 (3) 对流传热系数的经验关联式对流传热系数的经验关联式（12-13）（14-15）其中其中壳程壳程Company 11112

10、222() () () ()() () () ()PmmmWWPmmmWWcf tf tf tf tcf Tf Tf Tf t 设计计算的数学模型设计计算的数学模型（16-19）（20-23）( , )Df n l 管程管程壳程壳程(4) 物性方程物性方程（24）壳径壳径流动截面积：管程流动截面积：管程 壳程壳程(5) 设备参数设备参数21122141Sd ndSB Dl （25）（26）Company 设计计算的数学模型设计计算的数学模型11221122mmWd td Ttdd （28）(6) 壁温壁温壳程当量直径：壳程当量直径： 管子为正方形排列管子为正方形排列 管子为正三角形排列管子为正

11、三角形排列22222222443424eeldddlddd （27a）（27b）Company 设计计算的数学模型设计计算的数学模型v 系统变量：系统变量：1物性变量（物性变量（10）2设备变量设备变量（11）3操作变量操作变量（19）1111222212PrPrPPWWcc、 、2112111212222ReRemWmmdmmdQKttqTTTRqtttR 、 、 、 、 、 、1212ddDLnBASSdel、 、 、 、 、 、v 过程自由度过程自由度 = 变量数变量数 - 方程数方程数 = 40 28 = 12。 Company 列管换热器设计步骤列管换热器设计步骤v设计步骤设计步骤（

12、1）已知条件：热流体）已知条件：热流体qm2、T1、T2； 冷流体进口温度冷流体进口温度t1，再优化确定再优化确定t2； 管材内径管材内径d1、外径、外径d2、管长、管长L，管间距，管间距l和挡板间距和挡板间距B； 冷热流体污垢热阻冷热流体污垢热阻Rd1和和Rd2。（2）选择流体流通的通道和方向、管程数和壳程数。）选择流体流通的通道和方向、管程数和壳程数。（3）计算冷流体流量）计算冷流体流量qm1和热负荷和热负荷Q。11212212()()mPmPQq cttQqcTT冷流体冷流体热流体热流体（1）（2）Company 列管换热器设计步骤列管换热器设计步骤v设计步骤设计步骤（4）计算逆流）计算

13、逆流 和和，再计算实际，再计算实际 。mt mt 1221122112212111()()ln,mTtTttTtTtTTttfttTt （7）（8）( ,)tmf R P Company 列管换热器设计步骤列管换热器设计步骤v设计步骤设计步骤（5）计算定性温度）计算定性温度tm和和Tm，选定流体物性方程，计算定性，选定流体物性方程，计算定性 温度下的物性参数：温度下的物性参数：1111122222PrPrPPcc 、 、 、 、 、 、 、12121()21()2mmtttTTT定性温度定性温度（3）（4）111222() () () () () ()PmmmPmmmcf tf tf tcf

14、Tf Tf T （16-18）（20-22）管程管程壳程壳程11221212Pr PrPPcc（13、15）Company 列管换热器设计步骤列管换热器设计步骤v设计步骤设计步骤（6）设定）设定K的初值。的初值。（7）由传热速率式计算）由传热速率式计算A。（8）由已知管材参数计算）由已知管材参数计算n，D。（9）计算）计算S1、S2和和Re1、Re2。2 mQKA tAdL n （5）（6）其中其中( , )Df n l （24）壳径壳径流动截面积：管程流动截面积：管程 壳程壳程21122141Sd ndSB Dl （25）（26）(见化工原理见化工原理)Company 列管换热器设计步骤列管

15、换热器设计步骤v设计步骤设计步骤（10）设定壁温）设定壁温tw，计算，计算（11）计算）计算（12）计算）计算tWc，比较，比较tW与与tWc ，如不符要求，重复步骤，如不符要求，重复步骤 (10)-(12)。0.140.141212 ww12 0.140.80.33111111110.140.550.3322222220.027RePr (Re 10000)0.36RePr (Re 10000)wewdd （10）（11）管程管程壳程壳程11221122mmWcd td Ttdd （28）Company 列管换热器设计步骤列管换热器设计步骤v设计步骤设计步骤（13）计算）计算Kc和和Ac ，

16、比较，比较A与与Ac，考虑一定的安全系数，考虑一定的安全系数， A115% Ac,最终设计以最终设计以A为换热器的传热面积。如不为换热器的传热面积。如不符要求，重复步骤符要求，重复步骤(6)-(13)。2212111211ddcddRRKdd（9） ccmQK At （5）Company 列管换热器设计步骤列管换热器设计步骤v程序编制模块：把通用部分编制成独立子程序模块。程序编制模块：把通用部分编制成独立子程序模块。1.物性数据库，包含传热计算所需的冷热流体物性，如物性数据库，包含传热计算所需的冷热流体物性，如2.由于对流给热系数由于对流给热系数的关联式很多，可以建立计算的关联式很多，可以建立

17、计算的专的专用模块。用模块。3.设备的尺寸模块，系列化尺寸，对计算得到的设备尺寸设备的尺寸模块，系列化尺寸，对计算得到的设备尺寸按标准系列进行圆整，如已知列管数和管间距计算各种按标准系列进行圆整，如已知列管数和管间距计算各种排列的管壳内径，并圆整列管数。排列的管壳内径，并圆整列管数。4.计算过程中的试差部分需要有相应的迭代计算子程序。计算过程中的试差部分需要有相应的迭代计算子程序。5.输入输出模块，输入界面和输出换热器的结构尺寸图形。输入输出模块，输入界面和输出换热器的结构尺寸图形。1111122222PrPrPPcc、 、 、Company Company 3.2 列管式换热器的操作模拟列管

18、式换热器的操作模拟 v 在实际工作中在实际工作中, ,经常碰到换热器的操作型计算的问题。例经常碰到换热器的操作型计算的问题。例如如, ,判断一个现有换热器对指定的生产任务是否适用判断一个现有换热器对指定的生产任务是否适用, ,或者或者预测某些参数的变化对换热器换热能力的影响等都属于操预测某些参数的变化对换热器换热能力的影响等都属于操作型问题。作型问题。Company 3.2 列管式换热器的操作模拟列管式换热器的操作模拟 v 常见的操作型问题有以下两类命题。常见的操作型问题有以下两类命题。(1) 第一类命题第一类命题给定条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流体给定条件：换热器的传热面积以及

19、有关尺寸，冷、热流体的物性，冷、热流体的流量的物性，冷、热流体的流量qm1、 qm2和进口温度和进口温度t1、 T1以以及流体的流动方式。及流体的流动方式。计算目的：冷热流体的出口温度计算目的：冷热流体的出口温度t2、 T2。(2) 第二类命题第二类命题给定条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流体给定条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流体的物性，热流体的流量的物性，热流体的流量qm2和进出口温度和进出口温度T1 、 T2，冷流体，冷流体的进口温度的进口温度t1以及流动方式。以及流动方式。计算目的：所需冷流体的流量计算目的：所需冷流体的流量qm1及出口温度及出口温度t2 。Comp

20、any 传热单元数和换热器效率传热单元数和换热器效率 v 可以直接由换热器设计用的数学模型可以直接由换热器设计用的数学模型, ,确定自由度中的有确定自由度中的有关参数关参数, ,通过解方程组通过解方程组( (数学模型数学模型),),得到冷热流体的出口温得到冷热流体的出口温度或所需的流量；度或所需的流量；v 也可以用传热单元数的方法求解也可以用传热单元数的方法求解, ,使用传热单元数方法求使用传热单元数方法求解换热器模拟计算比较简单。解换热器模拟计算比较简单。v 有关传热单元数和换热器热效率的计算公式如下。有关传热单元数和换热器热效率的计算公式如下。minmaxmin(,)()()()mPmPm

21、Pf NTU Rq cRq cKANTUq c （29）（30）（31）Company 传热单元数和换热器效率传热单元数和换热器效率 v 对于单程并流对于单程并流222122111121exp(1)111exp(1)11111nNTURRRNTURRRR （32）（33）（34）1exp(1)(1)1exp(1)1exp(1)NTURRNTURRNTUR （35）v 对于单程逆流对于单程逆流v 对于单壳程多管程对于单壳程多管程v 对于双壳程偶数管程对于双壳程偶数管程式中式中1 单壳程多管程换热器的传热效率单壳程多管程换热器的传热效率; n n壳程多管程换热器的传热效率。壳程多管程换热器的传热效

22、率。 Company 传热单元数和换热器效率传热单元数和换热器效率 v 根据根据-NTU法法, ,即可计算流体的出口温度即可计算流体的出口温度, ,避免了用对数避免了用对数平均温度差求解所需的反复试算。若热流体为比热容流平均温度差求解所需的反复试算。若热流体为比热容流量较小的流体量较小的流体, ,其传热效率：其传热效率：12112111()TTTtTTTt （36）（37）（38）v 若冷流体为比热容流量较小的流体若冷流体为比热容流量较小的流体, ,其传热效率：其传热效率：21112111()ttTtttTt （39）已知冷、热流体的入口温度和传热效率即可以求出出口温度。已知冷、热流体的入口温

23、度和传热效率即可以求出出口温度。Company 传热单元数和换热器效率传热单元数和换热器效率v 假设换热器热损失可以忽略假设换热器热损失可以忽略, ,换热器中两流体无相变化换热器中两流体无相变化, ,单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量, ,即即22121121()()mPmPQqcTTq ctt（40）Company 第一类命题换热器模拟计算的步骤第一类命题换热器模拟计算的步骤 v 给定条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流体给定条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流体的物性，冷、热流体的流量的物性，冷、热流体的流量qm1、

24、 qm2和进口温度和进口温度t1、 T1以以及流体的流动方式。及流体的流动方式。计算目的：冷热流体的出口温度计算目的：冷热流体的出口温度t2、 T2。1. 假定比热容流量较小流体的出口温度，例如冷流体的出口假定比热容流量较小流体的出口温度，例如冷流体的出口温度温度t2；2. 由热量衡算式计算热流体的出口温度由热量衡算式计算热流体的出口温度T2；3. 由冷热流体进出口温度计算冷热流体的定性温度由冷热流体进出口温度计算冷热流体的定性温度tm, Tm；22121121()()mPmPQqcTTq ctt121211() ()22mmtttTTTCompany 第一类命题换热器模拟计算的步骤第一类命题

25、换热器模拟计算的步骤 4. 根据定性温度计算有关物性根据定性温度计算有关物性; 5. 由冷热流体的流量由冷热流体的流量qm1、 qm2和换热器的结构尺寸（管材和换热器的结构尺寸（管材内径内径d1、外径、外径d2、管长、管长L，管间距，管间距l和挡板间距和挡板间距B）计算管）计算管程和壳程的流速程和壳程的流速; 6. 计算冷热流体的给热系数计算冷热流体的给热系数1、2; 0.140.80.33111111110.140.550.3322222220.027RePr (Re 10000)0.36RePr (Re 10000)wewdd 管程管程壳程壳程Company 第一类命题换热器模拟计算的步骤

26、第一类命题换热器模拟计算的步骤 7.计算传热系数计算传热系数K；8.计算传热单元数计算传热单元数NTU和换热器效率和换热器效率；2212111211ddcddRRKddmin1min1max2()()= ()()()()mPmPmPmPmPmPq cq cKAKANTURq cq cq cq c对于单程并流对于单程并流1exp(1)(1)1exp(1)1exp(1)NTURRNTURRNTUR 对于单程逆流对于单程逆流Company 第一类命题换热器模拟计算的步骤第一类命题换热器模拟计算的步骤 9.由换热器效率计算冷流体的出口温度：由换热器效率计算冷流体的出口温度：t2c=t1+(T1-t1)

27、 ；10. 比较比较t2与与t2c，采用某种迭代方法修正，采用某种迭代方法修正t2,重复步骤重复步骤(1)(9),直至收敛。直至收敛。 21211111 ()ccttttTtTt 已知：已知：t1、T1、 qm1、qm2设定：设定： t2Q、T21、2输出输出PrPc 、121211() ()22mmtttTTT u1、u2、Re1、Re2KNTU、t2c=t1+ (T-t1)22epsctt 修正修正t2NoYesv 计算示意流程图计算示意流程图Company 第二类命题换热器模拟计算的步骤第二类命题换热器模拟计算的步骤 v 给定条件：换热器的传热面积以及有关尺寸，冷、热流给定条件：换热器的

28、传热面积以及有关尺寸，冷、热流体的物性，热流体的流量体的物性，热流体的流量qm2和进出口温度和进出口温度T1 、 T2，冷，冷流体的进口温度流体的进口温度t1以及流动方式。以及流动方式。计算目的：所需冷流体的流量计算目的：所需冷流体的流量qm1及出口温度及出口温度t2 。1. 已知热流体的流量和进、出口温度已知热流体的流量和进、出口温度,冷流体的进口温度冷流体的进口温度;2. 假定冷流体的出口温度为假定冷流体的出口温度为t2; 3. 由热量衡算式计算冷流体的流量由热量衡算式计算冷流体的流量qm2;22121121()()mPmPQqcTTq cttCompany 第二类命题换热器模拟计算的步骤

29、第二类命题换热器模拟计算的步骤 4. 由冷热流体进出口温度计算冷热流体的定性温度由冷热流体进出口温度计算冷热流体的定性温度tm, Tm;5. 根据定性温度计算有关物性根据定性温度计算有关物性; 6. 由冷热流体的流量和换热器的结构尺寸计算管程和壳程由冷热流体的流量和换热器的结构尺寸计算管程和壳程的流速的流速; 7. 计算冷热流体的给热系数计算冷热流体的给热系数1、2; 8. 计算传热系数计算传热系数K; 9. 计算传热单元数计算传热单元数NTU和换热器效率和换热器效率; 10. 由换热器效率计算冷流体的出口温度：由换热器效率计算冷流体的出口温度：t2c=t1+(T1-t1) ； 11. 比较比

30、较t2与与t2c，采用某种迭代方法修正，采用某种迭代方法修正t2,重复步骤重复步骤(1)(10),直至收敛。直至收敛。Company 冷凝器的操作模拟冷凝器的操作模拟v 冷凝器在操作时，一般是热流体一侧有相变，冷流体一侧冷凝器在操作时，一般是热流体一侧有相变，冷流体一侧无相变。热流体通常可以假定饱和蒸汽进入，饱和液体流无相变。热流体通常可以假定饱和蒸汽进入，饱和液体流出，即进出口温度不变。计算时暂不考虑不凝性气体的影出，即进出口温度不变。计算时暂不考虑不凝性气体的影响。响。1/3232RemMgb （41）冷凝器种类冷凝器种类流型流型ReMbm垂直安装垂直安装层流层流20000.00770.4

31、水平安装水平安装层流层流20000.00770.4Company 冷凝器的操作模拟冷凝器的操作模拟v 其中按冷凝液膜流动定义的雷诺数为其中按冷凝液膜流动定义的雷诺数为M4RemMW 冷凝器垂直放置：冷凝器垂直放置： ceeLNNaN 3.1416Nd 管束排列方式管束排列方式ac管束排列方式管束排列方式ac正方形正方形1.2880.480转向三角形转向三角形2.0800.495转向正方形转向正方形1.3700.518正三角形正三角形1.0220.519冷凝器水平放置：冷凝器水平放置： 冷凝润湿周长，冷凝润湿周长，m； Ne 冷凝器有效管数，根。冷凝器有效管数，根。Company 冷凝器的操作模

32、拟冷凝器的操作模拟v 具体计算步骤：具体计算步骤： 已知条件：已知条件：蒸汽的饱和温度、冷凝器结构尺寸、冷凝器放蒸汽的饱和温度、冷凝器结构尺寸、冷凝器放置方向、管束排列方式、冷流体流量、进口温度、污垢热置方向、管束排列方式、冷流体流量、进口温度、污垢热阻等；阻等； 假定：假定：冷流体出口温度，管壁温度。冷流体出口温度，管壁温度。epsWWctt 已知：已知：t1、T、 qm1、修正修正tw设定：设定： t2、 twQ、qm21、2输出输出YesNoPrRePc 、1211() ()22mmWtttTtT tWc1、2NTU、t2c=t1+ (T-t1)22epsctt 修正修正t2NoYes1

33、1221122mmWcd td Ttdd Company 3.3 换热器系统的模拟换热器系统的模拟v 根据工艺过程和节能的需求，在设计大型化工装置时，经根据工艺过程和节能的需求，在设计大型化工装置时，经常通过物流把这些换热设备联结起来，以便有效地利用装常通过物流把这些换热设备联结起来，以便有效地利用装置的热能，这就构成换热器系统或网络。置的热能，这就构成换热器系统或网络。v 按流程结构分类：序贯换热器系统、带分支换热器系统和按流程结构分类：序贯换热器系统、带分支换热器系统和复杂换热器网络系统。复杂换热器网络系统。Company Company 序贯换热器系统模拟序贯换热器系统模拟t0,qm11T1(1)qm2(1)T2(1)t12T1(2)qm2(2)T2(2)t23T1(3)qm2(3)T2(3)t34T1(4)qm2(4)T2(4)t4v 简单序贯换热器：指一个冷流体依次通过换热器，与多个简单序贯换热器：指一个冷流体依次通过换热器，与多个热流体换热。热流体换热。v 先期工作：编制若干模块。先期工作：编制若干模块。（1）单个换热器的模拟计算模块；）单个换热器的模拟计算模块；（2）由于系统涉及多种物流，必须具备能够满足调用各）由于系统涉及多种物流，必须具备能够满足调用各种物性的数据子程序。种物性的数据子程序。Comp