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换热器的传热计算

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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。这两种计算均以热量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=Wcp
Δt，若流体有相变，Q=cpr。
热负荷确定后，可由总传热速率方程（Q=KSΔt）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=


d0
hidi


d
d
i
Rs
i
1
bd0
kdm


1
Rso
h0
（1）

在实际计算中，总传热系数通常采用推荐值，这些推荐值是从实践中积累或

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

下几点：

1.设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳程的流体相一致。
2.设计中流体的性质（粘度等）和状态（流速等）应与所选的流体性质和
状态相一致。

3.设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型相一致。
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；若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）图算法对Δt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查相关手册求得。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。
2. 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，这些物性又是温度的函数，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，故h就增大。
而当流体呈滞流时，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，因而各部分的流体密度不同，引起流
体质点的相对位移。设ρ1和ρ2分别代表温度为t1和t2两点的密度，则流体因密度差而产生的升力为（ρ1-ρ2）g。若流体的体积膨胀系数为β，单位为1/℃，并以代表Δt温度差（t2-t1），则可得ρ1=ρ2（1+βΔt），于是每单位体积的流体所产生的升力为：
（ρ1-ρ2）g=[ρ2（1+βΔt）-ρ2]g=ρ2βgΔt或（ρ1-ρ2）/g=βΔt
强制对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、管束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。
目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莱法和伯金汉法（BuckinghamMethod），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l、流体密度ρ、粘度μ、定压质量热容cp、导热系数k及流速u等物理量，可用
h=f（l，ρ、μ、cp、k、u）表示，式中涉及到的基本量纲只有四个。最后可得
强制对流（无相变）传热时的无量纲数群关系式Nu=φ（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=φ（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

（Nusseltnumber）

Nu
hlk
表示对流传热系数的准数雷诺数

（Reynoldsnumber）

Re
lup
表示惯性力与粘性力之比，是表征流动状态

的准数普兰德数

（Prandtlnumber）

Pr
cp
k表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数，反映与传热有关的流体物性
格拉斯霍夫数

（Grashofnu