1、换热器设计计算夹套式螺旋板式板式交叉流换热器)管壳式(壳管式套管式蓄热式混合式间壁式板翅式管翅式管束式换热器类型换热器类型 按结构分为按结构分为5.1 5.1 换热器类型换热器类型按用途分为：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器按用途分为：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器 蓄热器（蓄能器）蓄热器（蓄能器）（一）间壁式换热器（一）间壁式换热器 一、套管式一、套管式换热器换热器二二 、管壳式换热器、管壳式换热器 列管式列管式换热器换热器固定管板式列管换热器固定管板式列管换热器浮头浮头式列式列管换热器管换热器U管式管式列管换热器列管换热器单程列管式换热器 单程列管式换热器1 外壳 2管束 3
2、、4接管 5封头 6管板 7折流板 双程列管式换热器 双程列管式换热器 1壳体 2管束 3挡板 4隔板三三 、交叉流式、交叉流式换热器换热器蛇管式喷淋式翅片式换热器构造和工作原理 四四 、板式换、板式换热器热器三三 、螺旋板式、螺旋板式换热器换热器三三 、夹套式、夹套式换热器换热器 设计性热计算目的在于设计性热计算目的在于确定换热器的换热面积F，接着要确定换热器的结构尺寸（结构设计）。 校核性热计算校核性热计算 针对针对现成的换热器，其目的在于确定流体的出 口温度5.2 5.2 换热器设计计算基本原理换热器设计计算基本原理5.2.1 换热换热器器热热设计计设计计算基本原理算基本原理换热器设计计
3、算分为：热设计计算、结换热器设计计算分为：热设计计算、结构构设计计算设计计算换热器热设换热器热设计计算分：计计算分：设计型热计算设计型热计算 操作型热计算操作型热计算 因此： 设计型已知任务设备 操作型已知一定设备预测、调节结果 1、设计型计算的命题、设计型计算的命题 给给定生产任务定生产任务：1，T1T2(or 2，t1t2) 选选择工艺条件择工艺条件：t1，t2 计计算目的算目的：换热器传热面积A（管子规格，根数）；2 特特点点：结果的非唯一性。 2、设计计、设计计算公式算公式： 质量衡算质量衡算：1 2 n = ? dn = ? 热热量衡算量衡算： Q = 1Cp1(T1 - T2) =
4、 2Cp2(t2 - t1) 传传热速率式热速率式： Q = KA tm 注意：注意： 计算单位要统一计算单位要统一 热量：由于温差的存在会导致能量的交换。 该交换过程称为热交换或热传递。 热量的国际单位：焦耳（J）或常用单位：卡（cal）。 换算关系：1cal=4.19J 比热：比热容的简称。 国际单位J/(kgK)。常用单位：kJ/(kg) kcal/(kg)等。 传热系数K值：是指在稳定传热条件下，物体两侧温差为1度（K 或）、1秒内通过1平方米面积传递的热量。 单位：瓦/平方米度（W/K），K可用代替）。2121lntttttm平均温差平均温差：式中：式中：（对数平均数）t1进口处冷热
5、物质温差进口处冷热物质温差/ ;t2出口处冷热物质温差出口处冷热物质温差/ 当当t12t2时，对数平均数与算术平均数相差小于时，对数平均数与算术平均数相差小于4，此时为了方此时为了方便，可便，可取取算算数平均数：数平均数：221tttm 3、 tm的的计计算方法：算方法：xTTh Tc T1T2xTThTcT1T2并流逆流 当一侧流体变温，另一侧恒温时，不论并流或逆流，其平均温差相等；当两侧流体均变温时，并流和逆流的平均温差不等，通常是：并流逆流,mmtt 在生产中，换热器多采用逆流操作。只有对热敏性物料加热时，因物料出口温度有限制，才采用并流操作。 在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条
6、件下，采用逆流操作，可以节省传热面积，而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。套套管式换热器的面积，管式换热器的面积，S = d内内L列管列管式换热器的面积，式换热器的面积，S = ndnL蛇管式蛇管式(包括喷淋式包括喷淋式)换换热器的面积，热器的面积，S = dL4、换、换热热器面积计算：器面积计算：5、总、总传热系数传热系数K的计算的计算 K的来源：的来源： （1） 生产实际的经验数据生产实际的经验数据 在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据，下表列出了一些条件下经验K值的大致范围，供设计时参考。 总传热系数总传热
7、系数K是表示换热设备性能好坏的重要参数，也是是表示换热设备性能好坏的重要参数，也是传热计算中重要的依据。传热计算中重要的依据。列管换热器总传热系数K的经验数据流体种类流体种类总传热系数总传热系数K W/(m2K)水水气体气体1260水水水水8001800水水煤油煤油350左右左右水水有机溶剂有机溶剂280850气体气体气体气体1235饱和水蒸气饱和水蒸气水水14004700饱和水蒸气饱和水蒸气气体气体30300饱和水蒸气饱和水蒸气油油60350饱和水蒸气饱和水蒸气沸腾油沸腾油290870 实验测定 通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算K值： 实验测定可以获得较为可靠的K值。由
8、计算方法得到的K值往往与查取的和实测的K值相差较大。这主要是由于计算给热系数h的关联式有一定误差以及污垢热阻不易估计准确等原因所致。因此，使用计算的K值时应慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的K值。mtAQk（3） 分析计算分析计算ooiihRbRhk111式中：hi管内流体对流给热系数W/m2 ；ho管外流体对流给热系数W/m2 ;管材导热系数W/m ; b管壁厚度m; Ri管内污垢热阻(m2 ) /w; R0管外污垢热阻(m2 ) /wnpcdudh)()(023.08.0流体在管内做湍流时h的表达式：式中： 流体导热系数W/m ，d管径m，u流速m/s，密度kg/m3，粘度PaS
9、，Cp比热J/kg ， n值视热流方向而定，当流体被加热 n= 0.4 ，被冷却时 n = 0.3TwtwTt热流体冷流体QQA1A2b流 体 种 类污垢热阻m2/W流体种类污垢热阻m2/W水(u1m/s, t50) 蒸气 海水0.0001 有机蒸汽 0.0002 河水0.0006 水蒸气(不含油)0.0001 井水0.00058 水蒸气废气(含油)0.0002 蒸馏水0.0001 制冷剂蒸汽(含油)0.0004锅炉给水0.00026气体 未处理的凉水塔用水0.00058 空气0.0003 经处理的凉水塔用水0.00026压缩气体0.0004 多泥沙的水0.0006 天然气0.002盐水0.0
10、004 焦炉气0.002污垢热阻的大致数值 板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。 在计算机没有普及时，大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法。 目前，越来越多的采用计算机计算。这样，板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。 以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法。该方法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方法。 5.2.2 板板式换热器的计算方法式换热器的计算方法总传热量(单位:kW). 一次侧、二次侧的进出口温度 一次侧、二次侧的允许压力降 最高工作温度 最大工作压力以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的： 如
11、果已知传热介质的流量、比热容以及进出口的温度差，总传热量即可计算得出。T1 = 热流体侧进口温度 t1 = 冷流体侧进口温度 1、温、温度度 热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系，在换热器保温良好，无热损失的情况下，对于稳态传热过程，其热流量衡算关系为： 在进行热衡算时，对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。对无相变化传热过程：T2 = 热流体侧出口温度 t2 = 冷流体侧出口温度 Q = 1Cp1(T1 - T2) = 2Cp2(t2 - t1)2、热负荷、热负荷（热流体放出的热流量）（热流体放出的热流量）=（冷流体吸收的热流量）（冷流体吸收的热流量）一一、传传热强化热
12、强化的的原原则则目的:在减少或不变传热面积的前提下，增加传热量;有时又可降低高温部件的温度。原则:哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。5.2.3 5.2.3 传热强传热强化化 实实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差度差tm及传热面积及传热面积S成正比，即：成正比，即： Q=KStm= tm /(1/KS) = 推动力推动力 /阻力阻力 传热强传热强化化就就是要：提高传热动力，降低传热阻力是要：提高传热动力，降低传热阻力二二、传热的强化方式传热的强化方式（1 1）增）增大传热系数（降低热阻）大传热系数（降低热阻）提高K值，必须
13、设法提高冷热流体的两个给热系数，降低间壁热阻和污垢热阻，但应分清矛盾的主次，重点放在薄弱环节上。 对于金属壁面，导热一般不构成主要热阻，垢层热阻随使用时间的延长而变大，往往成为控制传热速率的主要因素，防止结垢和除垢是保证换热器正常工作的重要措施。当污垢也不构成影响传热的主要因素时，则间壁两侧的对流传热热阻就构成问题的主要方面，若两个h存在数量级的差别时，传热的薄弱环节处在较小h一方，应设法增加小h的数值，若两个h数值相近，应同时予以提高。ooiiRbRk111（2 2）增）增大热、冷流体间的平均温差大热、冷流体间的平均温差 在生产上常常采用增大温差的方法来强化传热：1）用饱和蒸气作加热介质，通
14、过增加蒸汽压力来提高蒸汽温度；2）在水冷器中降低水温以增大温差；3）冷热两流体进出口温度固定不变，逆流操作增加传热温差。问题：温差越大传热效率越高吗？问题：温差越大传热效率越高吗？但在大多数情况下：1）物料的温度是由工艺条件给定的，不能任意变动；2）加热剂(或冷却剂)的进口温度往往也是不能改动的；3）冷却水的初温决定于环境气候，出口温度虽可通过增大水流量而降低，但流动阻力迅速增加，操作费用升高； 由由热力学第二定律，传热温差越大，有效能损失越热力学第二定律，传热温差越大，有效能损失越大。于大。于是是，非但不能增大温差，有时还要减小温差，以降低有效能损失。，非但不能增大温差，有时还要减小温差，以
15、降低有效能损失。换热面积计算实例【例】已知：水已知：水的导热系数的导热系数水水=0.6W/m，列管管径，列管管径d=0.02m，壁，壁厚厚b=0.0025m，水的流速，水的流速u=0.5m/s，水的密度，水的密度=1000kg/m3，水的粘度水的粘度=1.1110-3PaS，水的比热，水的比热Cp=4.2103J/kg 。氨。氨气对流给热系气对流给热系数数h1=12W/m2，氨，氨冷冷凝成液体时凝成液体时对流给热系对流给热系数数h2=2800W/m2，液氨对流给热系，液氨对流给热系数数h3=500W/m2，钢，钢管导热系数管导热系数钢钢=45W/m，污垢热阻取，污垢热阻取0.0005 m2/W
16、现要求将流现要求将流量为量为20t/h、温度、温度85 、压力、压力1.6MPa的的氨气在氨气在氨冷器中氨冷器中冷凝成冷凝成30 的液的液氨。冷凝操作氨。冷凝操作采用进出口温度分采用进出口温度分别为别为19 和和21冷水为冷却介质和列管式冷凝器（见下冷水为冷却介质和列管式冷凝器（见下图）。确定图）。确定完成上述完成上述冷却任务所需的冷却冷却任务所需的冷却水流量和冷却器水流量和冷却器总面积总面积S。若氨气冷却器列管长度为。若氨气冷却器列管长度为7m，氨液化器列管长，氨液化器列管长为为4m，液氨冷却器列管长，液氨冷却器列管长3m。设计列管根数。设计列管根数。分析: 因氨气在1.6MPa压力下的液化
17、温度为45 ，所以氨气冷凝成液氨，需要经过三个阶段（见下图）。故该冷凝生产任务可设计成三段式冷凝器，及使用三个冷凝器，进行串联冷凝。解: (1)查氨的物性参数： 1.6MPa的氨气饱和温度为45 ，冷凝潜热r=1336.97kJ/kg 氨气比热Cpg=2.112kJ/kg ，液氨比热Cpl=4.708kJ/kg 冰机制冷量等于氨液化的放热量，氨液化放热分三部分：气氨冷却至45 + 气氨在45 下冷凝潜热 + 液氨从45 冷却至30 Q1= WCpg (t1-t2) = 200002.112(85-45) = 1.69106kJ/h Q2= Wr = 200001336.97 = 2.67107
18、kJ/h Q3= WCpl(t2-t3) = 200004.708(45-30) = 1.41106kJ/h Q = Q1+Q2+Q3 = 2.98107kJ/h = 8.3MW(2) 根据热平衡方程：根据热平衡方程： Q放热放热=Q吸热吸热 Q氨放热氨放热=Q水吸热水吸热=W水水Cp水水(T2-T1) 已知水的比热为已知水的比热为4.2kJ/kg，进出口温度分别为，进出口温度分别为19 和和21 2.98107kJ/h=W水水 4.2kJ/kg (21 -19 ) 解得解得W水水=3.548106kg/h=3548t/h（4）求水的冷凝给热系数4 . 038 . 03)6 . 01011.
19、14200()1011. 110005 . 002. 0(02. 06 . 0023. 0=2284 W/m2 npcdudh)()(023.08.0水水（3）计算三段冷却中间的冷却介质水的温度：）计算三段冷却中间的冷却介质水的温度：根据热平衡方程：根据热平衡方程：Q氨放热氨放热=Q水吸热水吸热Q1=W水水Cp水水(T2-T4) 1.69106kJ/h=3.548106kg/h4.2kJ/kg(21-T4)Q3=W水水Cp水水(T3-T1)1.41106kJ/h=3.548106kg/h4.2kJ/kg(T3-19)解得：解得：T4=20.5；T3=19.6 计算各段K值：氨气冷却：28001
20、450025.00005.0228411112钢水2hbRhk121450025.00005.0228411111钢水1hbRhkK1=11.9 W/m2=42.7kJ/hm2氨气冷凝：5001450025.00005.0228411113钢水3hbRhkK2=740W/m2= 2666kJ/hm2液氨冷却：K3=334W/m2=1203kJ/hm22722223757 .2666621067. 2mtKQSm2611119631 .417 .421069. 1mtKQSm求各段换热面积：2636821.1712031041.1333mtKQSm总面积S=S1+S2+S3=963+375+68
21、=1406m2S实际=1.25S=1.251406=1758m2热交换器设计内容及要求 (1)(1)设计方案简介：设计方案简介：选定适宜的流程方案和设备类型，初步选定适宜的流程方案和设备类型，初步确定工艺流程。对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行确定工艺流程。对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述简要的论述。 (2)(2)主要设备的工艺设计计算：主要设备的工艺设计计算：包括工艺参数的选定、物料包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计计（包括列管排列结构或板式换热器有效长宽或螺旋换热器的结构尺寸） ( (3
22、)3)工工艺流程简图艺流程简图：热交换器见图绘热交换器见图绘制制，并标出物，并标出物料流向、物料流向、物料流量料流量、能流量、能流量和进出口温度和进出口温度 四、主要参考文献 1 1柴诚敬，刘国维等化工原理课程设柴诚敬，刘国维等化工原理课程设计天津：天津科学技术出版社，计天津：天津科学技术出版社，19941994 2 2黄潞，王保国化工设计北京：化学黄潞，王保国化工设计北京：化学工业出版社，工业出版社，20012001 3 3匡国柱，史启才化工单元过程及设备匡国柱，史启才化工单元过程及设备课程设计北京：化学工业出版社，课程设计北京：化学工业出版社，20022002 4 4邓建成新产品开发与技术
23、经济分邓建成新产品开发与技术经济分析北京：化学工业出版社，析北京：化学工业出版社，20012001 5 5柴诚敬，张国亮化工流体流动与传柴诚敬，张国亮化工流体流动与传热北京：化学工业出版社，热北京：化学工业出版社，2000 2000 固定管板式浮头式设计题目1 处理量：2000kg/h， 牛奶从2095 采用热水加热，进口温度：120 ；出口温度40 牛奶压力：0.3MPa 水力：0.4MPa要求：确定冷却水的流量和冷却器的有效面积及结构尺寸（列管式：管长4.5m;板式：长宽比为3；螺旋板式：高1.5m）。并绘出冷却器简图，标出进出口介质、介质温度及流量。 列管尺寸252mm； 若为板式、螺旋
24、板式，则板厚1mm。污垢热阻均取0.0005 m2/W。设计题目2 处理量：4000kg/h， 牛奶从2095 采用热水加热，进口温度：125 ；出口温度40 牛奶压力：0.3MPa 水力：0.4MPa要求：确定冷却水的流量和冷却器的有效面积及结构尺寸（列管式：管长6m;板式：长宽比为3；螺旋式：高1.8m）。并绘出冷却器简图，标出进出口介质、介质温度及流量。列管尺寸252mm； 若为板式、螺旋板式，则板厚1mm。污垢热阻均取0.0005 m2/W。设计题目3 处理量：5000kg/h， 牛奶从2595 采用热水加热，进口温度：121 ；出口温度40 牛奶压力：0.3MPa 水力：0.4MPa
25、要求：确定冷却水的流量和冷却器的有效面积及结构尺寸（列管式：管长6m;板式：长宽比为3；螺旋式：高1.8m）。并绘出冷却器简图，标出进出口介质、介质温度及流量。列管尺寸252mm； 若为板式、螺旋板式，则板厚1mm。污垢热阻均取0.0005 m2/W。设计题目3 处理量：6000kg/h， 牛奶从2293 采用热水加热，进口温度：125 ；出口温度50 牛奶压力：0.3MPa 水力：0.4MPa要求：确定冷却水的流量和冷却器的有效面积及结构尺寸（列管式：管长6m;板式：长宽比为3；螺旋式：高1.8m）。并绘出冷却器简图，标出进出口介质、介质温度及流量。列管尺寸252mm； 若为板式、螺旋板式，
26、则板厚1mm。污垢热阻均取0.0005 m2/W。现要求将流现要求将流量为量为20t/h、温度、温度85 、压力、压力1.5MPa的的氨气在氨气在氨冷器中氨冷器中冷冷却却到到45 。冷。冷却却操作操作采用进出口温度分别为采用进出口温度分别为19 和和23冷水为冷却介质。确定冷水为冷却介质。确定完成上述完成上述冷却任务所需的冷却任务所需的冷却冷却水流量和冷却器水流量和冷却器总面积总面积S及结构尺寸（列管式：管长4.5m;板式：长宽比为3；螺旋式：高1.5m）。并绘出冷却器简图，标出进出口介质、介质温度及流量。列管尺寸252mm； 若为板式、螺旋板式，则板厚1mm。污垢热阻均取0.0005 m2/
27、W。设计题目4现要求将流现要求将流量为量为20t/h、温度、温度82 、压力、压力1.5MPa的的氨在氨在氨氨冷器中冷器中冷冷凝到凝到45 。冷凝操作。冷凝操作采用进出口温度分别为采用进出口温度分别为17 和和22冷水为冷却介质。确定冷水为冷却介质。确定完成上述完成上述冷却任务所需的冷冷却任务所需的冷却却水流量和冷却器水流量和冷却器总面积总面积S及结构尺寸（列管式：管长4.5m;板式：长宽比为3；螺旋式：高1.5m）。并绘出冷却器简图，标出进出口介质、介质温度及流量。列管尺寸252mm； 若为板式、螺旋板式，则板厚1mm。污垢热阻均取0.0005 m2/W。设计题目4现要求将流现要求将流量量为
28、为15t/h、温度、温度45 、压力、压力1.5MPa的的氨在氨在氨氨冷器中冷器中冷冷凝到凝到28 。冷凝操作。冷凝操作采用进出口温度分别为采用进出口温度分别为19 和和23冷水为冷却介质。确定冷水为冷却介质。确定完成上述完成上述冷却任务所需的冷冷却任务所需的冷却却水流量和冷却器水流量和冷却器总面积总面积S及结构尺寸（列管式：管长4.5m;板式：长宽比为3；螺旋式：高1.5m）。并绘出冷却器简图，标出进出口介质、介质温度及流量。列管尺寸252mm； 若为板式、螺旋板式，则板厚1mm。污垢热阻均取0.0005 m2/W。设计题目4现要求将流现要求将流量量为为18t/h、温度、温度45 、压力、压
29、力1.5MPa的的氨在氨在氨氨冷器中冷器中冷却到冷却到32 。冷却操作。冷却操作采用进出口温度分别为采用进出口温度分别为19 和和22冷水为冷却介质。确定冷水为冷却介质。确定完成上述完成上述冷却任务所需的冷冷却任务所需的冷却却水流量和冷却器水流量和冷却器总面积总面积S及结构尺寸（列管式：管长4.5m;板式：长宽比为3；螺旋式：高1.5m）。并绘出冷却器简图，标出进出口介质、介质温度及流量。列管尺寸252mm； 若为板式、螺旋板式，则板厚1mm。污垢热阻均取0.0005 m2/W。设计题目5现要求将流现要求将流量量为为15t/h、温度、温度45 、压力、压力1.5MPa的的氨在氨在氨氨冷器中冷器中冷冷却却到到32 。冷。冷却却操作操作采用进出口温度分别为采用进出口温度分别为19 和和22冷水为冷却介质。确定冷水为冷却介质。确定完成上述完成上述冷却任务所需的冷冷却任务所需的冷却却水流量和冷却器水流量和冷却器总面积总面积S及结构尺寸（列管式：管长4.5m;板式：长宽比为3；螺旋式：高1.5m）。并绘出冷却器简图，标出进出口介质、介质温度及流量。列管尺寸252mm； 若为板式、螺旋板式，则板厚1mm。污垢热阻均取0.0005 m2/W。设计题目5
