平流式换热器计算

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。

平流式换热器计算

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:

  1. 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;
  2. 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} );
  3. 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);
  4. 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

  1. 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。

  2. 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。

    平流式换热器计算

  3. 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。
  4. 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。

  5. 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)。

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):

平流式换热器计算

参数壳程(水)管程(油)
质量流量 ( m ) (kg/h)1000500
进口温度 ( T_i ) (℃)8030
出口温度 ( T_o ) (℃)6050
比热容 ( c_p ) (kJ/kg·K)181
密度 ( rho ) (kg/m³)1000800
粘度 ( mu ) (mPa·s)00105
导热系数 ( lambda ) (W/m·K)615

计算过程:

  1. 热负荷 ( Q )
    [
    Q = 1000 times 4.18 times (80-60) = 83600 , text{W}
    ]
  2. 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{℃}
    ]
  3. 总传热系数 ( K )(假设计算得 ( K = 500 , text{W/(m²·K)} ));
  4. 传热面积 ( A )
    [
    A = frac{83600}{500 times 20.8} approx 8.05 , text{m²}
    ]
  5. 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

  1. 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。

  2. 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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