第3章 傳熱計算

第三章傳熱計算內(nèi)容1.列管換熱器的設計2.列管換熱器的操作模擬3.換熱器系統(tǒng)的模擬4.傳熱物體內(nèi)的溫度分布Companyname夾套式換熱器夾套式換熱器：主要用于反應器的加熱或冷卻優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單加工方便缺點：傳熱面積小，傳熱效率低Companyname優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓；缺點：傳熱面積不大，管外流體給熱系數(shù)小，為強化傳熱，可在容器內(nèi)安裝攪拌器。沉浸式蛇管換熱器Companyname優(yōu)點：缺點：結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜，能耐高壓，便于檢修、清洗，水質(zhì)要求低冷卻水噴淋不易均勻而影響傳熱效果，只能安裝在室外噴淋式蛇管換熱器Companyname優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，能承受較高壓力，應用靈活；缺點：耗材多，占地面積大，難以構(gòu)成很大的傳熱面積，故一般適合于流體流量不大、傳熱負荷較小的場合。套管式換熱器Companyname列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是工業(yè)上使用最廣泛的一種換熱設備。優(yōu)點：具有結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，單位體積的傳熱面積、處理能力和操作彈性大，適應能力強，尤其在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。根據(jù)熱補償方式不同，分為三類：固定管板式U形管式浮頭式列管式換熱器Companyname列管式換熱器結(jié)構(gòu)：殼體、管束、管板、封頭等。冷、熱流體兩種流體在列管式換熱器內(nèi)進行換熱時，一種流體通過管內(nèi)，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。換熱器內(nèi)通過管內(nèi)的流體每通過一次管束稱為一個管程；管程數(shù)多有利于提高管程流體的流速和對流傳熱系數(shù)，但能量損失增加，傳熱溫度差小，程數(shù)以2、4、6程多見。管外流體每通過一次殼體成為一個殼程。在管外裝有折流板（或擋板）可以提高殼程流體的流速，以保持較高的傳熱系數(shù)，折流板形式常用的有弓形和盤環(huán)形兩種。折流板同時起中間支架作用。Companyname固定管板式列管換熱器折流板作用：不僅可以防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大大增加。Companyname帶補償圈的列管式換熱器特點：在外殼上焊上一個補償圈。當外殼和管子熱脹冷縮時，補償圈發(fā)生彈性形變，達到補償?shù)哪康摹ompanynameU形管式列管換熱器特點：將管子兩端都固定在同一管板上，每根管子可以自由伸縮，與其他管子和外殼無關(guān)。結(jié)構(gòu)簡單，適合高溫高壓場合。缺點是清洗困難，管子需要一定彎曲半徑，管板的利用率較差。Companyname浮頭式列管換熱器特點：換熱器兩端管板之一不固定在外殼上（此端稱為浮頭），當管子受熱或受冷時，連同浮頭一起自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。Companyname板式換熱器Companyname螺旋板式換熱器Companyname冷流體熱流體3.1列管換熱器的設計（1）（2）定性溫度設計計算的數(shù)學模型假定冷流體走管程，熱流體走殼程，管程殼程均采用單程，殼程有折流擋板，換熱器中冷熱流體均無相變，逆流操作，定態(tài)過程，忽略熱損失。

(1)

熱量衡算方程（3）（4）Companyname設計計算的數(shù)學模型（5）（6）其中

(2)

傳熱速率方程（以外表面為計算基準）（7）（8）圖表可查取（9）Companyname設計計算的數(shù)學模型（10）（11）管程

(3)

對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式（12-13）（14-15）其中殼程Companyname設計計算的數(shù)學模型（16-19）（20-23）管程殼程(4)

物性方程（24）殼徑流動截面積：管程

殼程(5)設備參數(shù)（25）（26）Companyname設計計算的數(shù)學模型（28）(6)壁溫殼程當量直徑：管子為正方形排列

管子為正三角形排列（27a）（27b）Companyname設計計算的數(shù)學模型系統(tǒng)變量：1物性變量（10）2設備變量（11）3操作變量（19）過程自由度=變量數(shù)-方程數(shù)=40–28=12。Companyname列管換熱器設計步驟設計步驟（1）已知條件：熱流體qm2、T1、T2；冷流體進口溫度t1，再優(yōu)化確定t2；管材內(nèi)徑d1、外徑d2、管長L，管間距l(xiāng)和擋板間距B；冷熱流體污垢熱阻Rd1和Rd2。（2）選擇流體流通的通道和方向、管程數(shù)和殼程數(shù)。（3）計算冷流體流量qm1和熱負荷Q。冷流體熱流體（1）（2）Companyname列管換熱器設計步驟設計步驟（4）計算逆流和φ，再計算實際。（7）（8）Companyname列管換熱器設計步驟設計步驟（5）計算定性溫度tm和Tm，選定流體物性方程，計算定性溫度下的物性參數(shù)：定性溫度（3）（4）（16-18）（20-22）管程殼程（13、15）Companyname列管換熱器設計步驟設計步驟（6）設定K的初值。（7）由傳熱速率式計算A。（8）由已知管材參數(shù)計算n，D。（9）計算S1、S2和Re1、Re2。（5）（6）其中（24）殼徑流動截面積：管程

殼程（25）（26）(見化工原理)Companyname列管換熱器設計步驟設計步驟（10）設定壁溫tw，計算（11）計算（12）計算tWc，比較tW與tWc，如不符要求，重復步驟

(10)-(12)。（10）（11）管程殼程（28）Companyname列管換熱器設計步驟設計步驟（13）計算Kc和Ac，比較A與Ac，考慮一定的安全系數(shù)，A>115%Ac,最終設計以A為換熱器的傳熱面積。如不符要求，重復步驟(6)-(13)。（9）（5）Companyname列管換熱器設計步驟程序編制模塊：把通用部分編制成獨立子程序模塊。物性數(shù)據(jù)庫，包含傳熱計算所需的冷熱流體物性，如由于對流給熱系數(shù)α的關(guān)聯(lián)式很多，可以建立計算α的專用模塊。設備的尺寸模塊，系列化尺寸，對計算得到的設備尺寸按標準系列進行圓整，如已知列管數(shù)和管間距計算各種排列的管殼內(nèi)徑，并圓整列管數(shù)。計算過程中的試差部分需要有相應的迭代計算子程序。輸入輸出模塊，輸入界面和輸出換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸圖形。CompanynameCompanyname3.2列管式換熱器的操作模擬

在實際工作中,經(jīng)常碰到換熱器的操作型計算的問題。例如,判斷一個現(xiàn)有換熱器對指定的生產(chǎn)任務是否適用,或者預測某些參數(shù)的變化對換熱器換熱能力的影響等都屬于操作型問題。Companyname3.2列管式換熱器的操作模擬

常見的操作型問題有以下兩類命題。

(1)第一類命題

給定條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物性，冷、熱流體的流量qm1、qm2和進口溫度t1、T1以及流體的流動方式。

計算目的：冷熱流體的出口溫度t2、T2。

(2)第二類命題

給定條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物性，熱流體的流量qm2和進出口溫度T1

、T2，冷流體的進口溫度t1以及流動方式。

計算目的：所需冷流體的流量qm1及出口溫度t2

。Companyname傳熱單元數(shù)和換熱器效率

可以直接由換熱器設計用的數(shù)學模型,確定自由度中的有關(guān)參數(shù),通過解方程組(數(shù)學模型),得到冷熱流體的出口溫度或所需的流量；也可以用傳熱單元數(shù)的方法求解,使用傳熱單元數(shù)方法求解換熱器模擬計算比較簡單。有關(guān)傳熱單元數(shù)和換熱器熱效率的計算公式如下。（29）（30）（31）Companyname傳熱單元數(shù)和換熱器效率

對于單程并流（32）（33）（34）（35）對于單程逆流對于單殼程多管程對于雙殼程偶數(shù)管程式中ε1

—單殼程多管程換熱器的傳熱效率;

εn

—n殼程多管程換熱器的傳熱效率。

Companyname傳熱單元數(shù)和換熱器效率

根據(jù)ε-NTU法,即可計算流體的出口溫度,避免了用對數(shù)平均溫度差求解所需的反復試算。若熱流體為比熱容流量較小的流體,其傳熱效率：（36）（37）（38）若冷流體為比熱容流量較小的流體,其傳熱效率：（39）已知冷、熱流體的入口溫度和傳熱效率即可以求出出口溫度。Companyname傳熱單元數(shù)和換熱器效率假設換熱器熱損失可以忽略,換熱器中兩流體無相變化,單位時間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量,即

（40）Companyname第一類命題換熱器模擬計算的步驟

給定條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物性，冷、熱流體的流量qm1、qm2和進口溫度t1、T1以及流體的流動方式。

計算目的：冷熱流體的出口溫度t2、T2。假定比熱容流量較小流體的出口溫度，例如冷流體的出口溫度t2；由熱量衡算式計算熱流體的出口溫度T2；由冷熱流體進出口溫度計算冷熱流體的定性溫度tm,Tm；Companyname第一類命題換熱器模擬計算的步驟

根據(jù)定性溫度計算有關(guān)物性;由冷熱流體的流量qm1、qm2和換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸（管材內(nèi)徑d1、外徑d2、管長L，管間距l(xiāng)和擋板間距B）計算管程和殼程的流速;計算冷熱流體的給熱系數(shù)α1、α2;管程殼程Companyname第一類命題換熱器模擬計算的步驟

計算傳熱系數(shù)K；計算傳熱單元數(shù)NTU和換熱器效率ε；對于單程并流對于單程逆流Companyname第一類命題換熱器模擬計算的步驟

由換熱器效率計算冷流體的出口溫度：t2c=t1+ε(T1-t1)；比較t2與t2c，采用某種迭代方法修正t2,重復步驟(1)～(9),直至收斂。Companyname已知：t1、T1、qm1、qm2設定：t2Q、T2α1、α2輸出u1、u2、Re1、Re2KNTU、εt2c=t1+ε(T-t1)修正t2NoYes計算示意流程圖第二類命題換熱器模擬計算的步驟

給定條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物性，熱流體的流量qm2和進出口溫度T1

、T2，冷流體的進口溫度t1以及流動方式。

計算目的：所需冷流體的流量qm1及出口溫度t2

。已知熱流體的流量和進、出口溫度,冷流體的進口溫度;假定冷流體的出口溫度為t2;由熱量衡算式計算冷流體的流量qm2;Companyname第二類命題換熱器模擬計算的步驟

由冷熱流體進出口溫度計算冷熱流體的定性溫度tm,Tm;根據(jù)定性溫度計算有關(guān)物性;由冷熱流體的流量和換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸計算管程和殼程的流速;計算冷熱流體的給熱系數(shù)α1、α2;計算傳熱系數(shù)K;計算傳熱單元數(shù)NTU和換熱器效率ε;由換熱器效率計算冷流體的出口溫度：t2c=t1+ε(T1-t1)；比較t2與t2c，采用某種迭代方法修正t2,重復步驟(1)～(10),直至收斂。Companyname冷凝器的操作模擬冷凝器在操作時，一般是熱流體一側(cè)有相變，冷流體一側(cè)無相變。熱流體通?？梢约俣柡驼羝M入，飽和液體流出，即進出口溫度不變。計算時暫不考慮不凝性氣體的影響。（41）冷凝器種類流型ReMbm垂直安裝層流<20001.88-1/3湍流>20000.00770.4水平安裝層流<20001.57-1/3湍流>20000.00770.4Companyname冷凝器的操作模擬其中按冷凝液膜流動定義的雷諾數(shù)為冷凝器垂直放置：管束排列方式ac管束排列方式ac正方形1.2880.480轉(zhuǎn)向三角形2.0800.495轉(zhuǎn)向正方形1.3700.518正三角形1.0220.519冷凝器水平放置：∏

—冷凝潤濕周長，m；Ne

—冷凝器有效管數(shù)，根。Companyname冷凝器的操作模擬具體計算步驟：

已知條件：蒸汽的飽和溫度、冷凝器結(jié)構(gòu)尺寸、冷凝器放置方向、管束排列方式、冷流體流量、進口溫度、污垢熱阻等；

假定：冷流體出口溫度，管壁溫度。Companyname已知：t1、T、qm1、∏修正tw設定：t2、twQ、qm2α1、α2輸出YesNotWcα1、α2NTU、εt2c=t1+ε(T-t1)修正t2NoYes3.3換熱器系統(tǒng)的模擬根據(jù)工藝過程和節(jié)能的需求，在設計大型化工裝置時，經(jīng)常通過物流把這些換熱設備聯(lián)結(jié)起來，以便有效地利用裝置的熱能，這就構(gòu)成換熱器系統(tǒng)或網(wǎng)絡。按流程結(jié)構(gòu)分類：序貫換熱器系統(tǒng)、帶分支換熱器系統(tǒng)和復雜換熱器網(wǎng)絡系統(tǒng)。CompanynameCompanyname序貫換熱器系統(tǒng)模擬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)t4簡單序貫換熱器：指一個冷流體依次通過換熱器，與多個熱流體換熱。先期工作：編制若干模塊。（1）單個換熱器的模擬計算模塊；（2）由于系統(tǒng)涉及多種物流，必須具備能夠滿足調(diào)用各種物性的數(shù)據(jù)子程序。Companyname序貫換熱器系統(tǒng)模擬帶環(huán)路序貫換熱器：指一個冷（熱）流體同多個熱（冷）流體換熱，為了充分合理地利用能量，同一個熱（冷）流體可與冷（熱）流體多次匹配換熱。t0,qm11T1(1)qm2(1)T2(1)t12T2(2)t23T1(3)qm2(3)T2(3)t34T1(4)qm2(4)t4T1(2)T2(4)Companyname序貫換熱器系統(tǒng)模擬帶兩個環(huán)路的換熱器系統(tǒng)模擬計算t0,qm11T2(1)t12T2(2)t23T1(3)qm2(3)t34T1(4)qm2(4)t4T1(2)T2(4)T2(3)T1(1)Companyname帶分支的換熱器系統(tǒng)特點：其中一個冷（熱）流體的質(zhì)量流量比與之換熱的流體的質(zhì)量流量大很多，此時將該流體進行分支，使其同多個熱