平流式换热器计算
平流式换热器是一种壳程流体与管程流体呈平行流动(同向或反向)的换热设备,结构相对简单,适用于高温、高压或腐蚀性介质的换热场景,广泛应用于石油化工、电力、制冷等行业,其计算需遵循传热基本规律,结合具体工况参数,通过系统化步骤完成设计或校核。

计算基础与核心参数
平流式换热器的计算核心是传热基本方程 ( Q = K cdot A cdot Delta T_m ),
- ( Q ) 为热负荷(W);
- ( K ) 为总传热系数(W/(m²·K));
- ( A ) 为传热面积(m²);
- ( Delta T_m ) 为对数平均温差(K)。
关键参数包括:
- 流体物性参数:密度 ( rho )、比热容 ( c_p )、导热系数 ( lambda )、粘度 ( mu ) 等,需根据介质温度查取;
- 流量与进出口温度:壳程与管程流体的质量流量 ( m ) 及进出口温度 ( T{i} )、( T{o} );
- 压力损失:管程与壳程的流动阻力,需控制在允许范围内(如≤0.1MPa);
- 污垢热阻:由介质结垢形成的热阻 ( R_f ),需经验取值或实测。
主要计算步骤
确定热负荷 ( Q )
根据热平衡原理,热负荷等于冷流体吸收的热量或热流体放出的热量:
[
Q = m1 c{p1} (T{1i} – T{1o}) = m2 c{p2} (T{2o} – T{2i})
]
其中下标1、2分别代表壳程与管程流体。计算对数平均温差 ( Delta T_m )
平流(并流)的对数平均温差公式为:
[
Delta T_m = frac{Delta T_1 – Delta T_2}{ln(Delta T_1 / Delta T_2)}
]
( Delta T1 = T{1i} – T_{2i} )(进口温差),( Delta T2 = T{1o} – T_{2o} )(出口温差),需确保 ( Delta T_1 > Delta T_2 ) 以保证计算有效性。
确定总传热系数 ( K )
总传热系数由管程、壳程对流换热系数、污垢热阻及管壁导热热阻组成:
[
frac{1}{K} = frac{1}{h_o} + R_f + frac{1}{h_i} + frac{delta}{lambda} + frac{1}{h_c}
]- 管程对流换热系数 ( h_i ):通过Dittus-Boelter方程(强制对流)或Kern方程(自然对流)计算;
- 壳程对流换热系数 ( h_o ):需考虑壳程当量直径、流速及折流板结构;
- 污垢热阻 ( R_f ):参考GB/T 151-2014标准,如水垢热阻取0.0001~0.0002 m²·K/W;
- 管壁热阻 ( delta/lambda ):管壁厚度 ( delta ) 与导热系数 ( lambda ) 决定,通常较小可忽略。
计算传热面积 ( A )
根据传热基本方程:
[
A = frac{Q}{K cdot Delta T_m}
]
计算所得面积需结合换热器型号规格(如管程数、管径、管长)进行匹配,若实际面积与计算值偏差较大,需调整管程数或管径。流动阻力计算
- 管程阻力:( sum Delta P_{text{管}} = f cdot (L/D) cdot (rho u^2 / 2) + sum text{局部阻力} )
( f ) 为摩擦系数,( L ) 为管长,( D ) 为管内径,( u ) 为流速; - 壳程阻力:( sum Delta P_{text{壳}} = f cdot (L/D) cdot (rho u^2 / 2) + sum text{局部阻力} )
需确保总阻力不超过设计允许值(如≤0.1MPa)。
- 管程阻力:( sum Delta P_{text{管}} = f cdot (L/D) cdot (rho u^2 / 2) + sum text{局部阻力} )
设计实例(假设案例)
以某平流式换热器为例,计算如下(数据为假设值):

| 参数 | 壳程(水) | 管程(油) |
|---|---|---|
| 质量流量 ( m ) (kg/h) | 1000 | 500 |
| 进口温度 ( T_i ) (℃) | 80 | 30 |
| 出口温度 ( T_o ) (℃) | 60 | 50 |
| 比热容 ( c_p ) (kJ/kg·K) | 18 | 1 |
| 密度 ( rho ) (kg/m³) | 1000 | 800 |
| 粘度 ( mu ) (mPa·s) | 001 | 05 |
| 导热系数 ( lambda ) (W/m·K) | 6 | 15 |
计算过程:
- 热负荷 ( Q ):
[
Q = 1000 times 4.18 times (80-60) = 83600 , text{W}
] - 对数平均温差 ( Delta T_m ):
[
Delta T_1 = 80-30 = 50 , text{℃}, quad Delta T_2 = 60-50 = 10 , text{℃}
]
[
Delta T_m = frac{50-10}{ln(50/10)} = frac{40}{ln5} approx 20.8 , text{℃}
] - 总传热系数 ( K )(假设计算得 ( K = 500 , text{W/(m²·K)} ));
- 传热面积 ( A ):
[
A = frac{83600}{500 times 20.8} approx 8.05 , text{m²}
] - 流动阻力计算(略,需根据流速计算,此处假设符合要求)。
注意事项
- 物性参数准确性:温度对物性影响显著,需采用对应温度下的值;
- 污垢热阻取值:长期运行需考虑污垢积累,初始设计可取保守值;
- 流动方向选择:平流结构简单,但传热效率低于逆流,需根据工艺需求权衡;
- 材料选择:高温或腐蚀性介质需选用耐材,避免结垢或腐蚀。
相关问答FAQs
问:平流式换热器与逆流换热器相比,传热效率有何差异?
答: 平流(并流)换热器的对数平均温差低于逆流,导致传热效率略低,但平流结构更简单,安装维护方便,适用于壳程与管程温差较小或需避免流体混合的工况,逆流则传热效率更高,但结构复杂,需根据工艺需求选择。问:如何确定污垢热阻?
答: 污垢热阻需参考国家标准(如GB/T 151-2014)中的经验值,结合介质性质(如水垢、油垢)、运行时间、清洁程度调整,清水污垢热阻取0.0001~0.0002 m²·K/W,而油污则可能更高,若缺乏实测数据,可参考同类设备的运行经验值进行修正。
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