换热器的传热计算Word下载.docx
《换热器的传热计算Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《换热器的传热计算Word下载.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
（Nusseltnumber）
Nu
表示对流传热系数的准数
雷诺数
（Reynoldsnumber）
Re
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
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
（Grashofnumber）
Gr
表示由于温度差引起的浮力与粘性力之比
各准数中的物理量的意义为：
h—对流传热系数，W/（m2℃）；
u—流速，m/s；
ρ—流体的密度，kg/m3；
l—传热面特性尺寸，可以是管径（内径、外径或平均直径）或平板长度，m；
k—流体的导热系数，W/（m2℃）；
μ—流体的粘度，Pas；
cp—流体的定压比容，J/（kg℃）；
Δt—流体与壁面间的温度差，℃；
β—流体的体积膨胀系数，1℃/或1/K；
g—重力加速度，m/s2。
上述关系式仅为Nu与Re、Pr或Gr、Pr的原则关系式，而各种不同情况下的具体关系式则需通过实验确定。
在使用由实验数据整理得到的关系式时，应注意：
①应用范围关系式中Re、Pr等准数的数值范围等；
②特性尺寸Nu、Re等准数中的l应如何确定；
③定性温度各准数中的流体物性应按什么温度查取。
总之，对流传热系数是流体主体中的对流和层流内层的热传导的复合现象。
任何影响流体流动的因素（引起流动的原因、流动状态和有无相变化等）都必然影响对流传热系数。
以下分流体无相变和有相变两种情况来讨论对流传热系数的关系式，其中前者包括强制对流和自然对流，后者包括蒸汽冷凝和液体沸腾。
Ø
流体无相变时的强制对流传热
1.流体在管内做强制对流
1）流体在光滑圆形直管内做强制湍流
a）低粘度流体
可应用迪特斯（Dittus）-贝尔特（Boelter）关联式，即：
（2）
式中n值视热流方向而定，当流体被加热时，n=0.4，当流体被冷却时，n=0.3。
应用范围：
Re>
10000，0.7<
Pr<
120，
>
60（L为管长）。
若
<
60，需考虑传热进口段对h的影响，此时可将求得的h值乘以
进行校正。
特性尺寸：
管内径di。
定性温度：
流体进出口温度的算术平均值。
b）高粘度流体
可应用西德尔（Sieder）-泰特（Tate）关联式，即：
（3）
式中
也是考虑热流方向的校正项，
为壁面温度下流体的粘度。
10000，0.7<
1700，
除
取壁温外，均取流体进出口温度的算术平均值。
一般而言，由于壁温未知，计算时往往要用试差法，很不方便，为此可取近似值。
液体被加热时，取
≈1.05，液体被冷却时，取
≈0.95；
对气体，则不论加热或冷却，均取
≈1.0。
2）流体在光滑圆形直管内作强制层流
流体在管内作强制层流时，一般流速较低，故应考虑自然对流的影响，此时由于在热流方向上同时存在自然对流和强制对流而使问题变得复杂化，因此，强制层流时的对流传热系数关联式其误差要比湍流的大。
当管径较小，流体壁面间的温度差也较小且流体的μ值较大时，可忽略自然对流对强制层流传热的影响，此时可应用西德尔（Sieder）-泰特（Tate）关联式，即：
（4）
Re<
2300，0.7<
6700，RePrdi>
10（L为管长）
除
上式适用于管长较小时的情况，当管子极长时则不再适用，因为此时求得的h趋于零，与实际不符。
当参数Nu∞、k1、k2和n已知时，选用下列关联式结果较为准确：
（5）
Nu—不同条件下努塞尔数的平均值或局部值；
Nu∞—热边界层在管中心汇合后的努塞尔数；
k1、k2、n—常数，其值可由2表查得；
L—管长，m；
di—管内径，m。
表2式（5）中的各常数值
壁面情况
速度侧形
Nu∞
k1
k2
n
恒壁温
抛物线
任意
平均
3.66
0.0668
0.04
2/3
正在发展
0.7
0.104
0.016
0.8
恒壁热通量
局部
4.36
0.023
0.0012
1.0
0.036
0.0011
各物理量的定性温度为管子进出口流体主体温度的算术平均值。
除表2所述情况外，一般采用式（4）计算h。
应当指出，由于强制对流时对流传热系数很低，故在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行换热。
3）流体在光滑圆形管内呈过渡流
当Re=2300~10000时，对流传热系数可先用湍流时的公式计算，然后把算得结果乘以校正系数φ
4）流体在弯管内作强制对流
流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管的大，此时可用下式计算对流传热系数，即：
（6）
—弯管中的对流传热系数，W/（m2℃）；
—直管中的对流传热系数，W/（m2℃）；
—管内径，m；
R—管子的弯曲半径，m。
5）流体在非圆形管内作强制对流
此时，只要将管内径改为当量直径de，则仍可采用上述各关联式。
但有些资料中规定某些关联式采用传热当量直径。
例如，在套管换热器环形截面内传热当量直径为：
（7）
d1—套管换热器的外管内径，m；
d2—套管换热器的内管外径，m。
传热计算中，究竟采用哪个当量直径，由具体的关联式决定。
但无论采用哪个当量直径均为一种近似的算法，而最好采用专用的关联式，例如在套管环隙中用水和空气进行对流传热实验，可得h的关联式：
（8）
Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17。
当量直径de。
此式亦可用于计算其他流体在套管环隙中作强制湍流时的传热系数。
2.流体在管外作强制对流
1）流体在管束外作强制垂直流动
通常管子的排列有正三角形、转角正三角形、正方形及转角正方形四种。
如图1所示：
流体在管束外流过时，平均对流传热系数可分别用式（9）、（10）计算：
对于a、d
（9）
对于b、c
（10）
3000。
管外径do。
流速：
取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度。
管束排数应为10，否则应乘以表3的系数。
表3式（9）和式（10）的校正系数
排数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
15
18
25
35
75
a、d
0.68
0.75
0.83
0.89
0.92
0.95
0.97
0.98
0.99
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
1.06
c、d
0.64
0.80
0.90
0.94
0.96
1.00
2）流体在换热器的管间流动
对于常用的列管式换热器，由于壳体是圆筒，管束中各列的管子数目并不相同，而且大都装有折流板，使得流体的流向和流速不断地变化，因而在Re>
100时即可达到湍流。
此时对流传热系数的计算，要视具体结构选用相应的计算公式。
列管式换热器折流挡板的形式较多，其中以弓形挡板最为常见。
当换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积约为25%的壳体内截面积）时，壳方流体的对流传热系数关联式如下：
a）多诺呼（Donohue）法
（11）
Re=2~3×
104。
取换热器中心附近管排中最狭窄通道处的速度。
b）凯恩（Kern）法
（12）
Re=2×
103~1×
106。
传热当量直径
。
根据管子排列情况分别用不同的公式进行计算。
管子为正方形排列时：
（13）
管子为正三角形排列
（14）
t—相邻两管的中心距，m；
do—管外径，m。
式（12）中的流速可根据流体流过管间最大截面积A计算，即：
（15）
z—两挡板间的距离，m；
D—换热器的外壳内径，m。
当液体被加热时，
=1.05；
当液体被冷却时，
=0.95；
对气体，则无论被加热还是冷却，
=1.0。
这些假设值与实际情况相当接近，一般可不再校核。
此外，若换热器的管间无挡板，则管外流体将沿管束平行流动，此时可采用管内强制对流的公式计算，但需将式中的管内径改为管间的当量直径。
流体有相变时的对流传热系数
1.蒸汽冷凝传热
蒸汽冷凝主要有膜状冷凝和珠状冷凝两种方式：
若凝液润湿表面，则会形成一层平滑的液膜，此种冷凝称为膜状冷凝；
若凝液不润湿表面，则会在表面上杂乱无章地形成小液珠并沿壁面落下，此种冷凝称为珠状冷凝。
虽然珠状冷凝的传热系数比膜状冷凝的高十倍左右，但要保持珠状冷凝非常困难，所以进行冷凝计算时，通常总是将冷凝视为膜状冷凝。
1）垂直壁面上膜状冷凝时的对流传热系数
凝液膜的流型可采用液膜雷诺数Ref判断：
de—当量直径，m；
ub—凝液的平均流速，m/s。
以A表示凝液的流通面积，P表示润湿周边长，w表示凝液的质量流率，则有
（16）
当Ref<
1800时，液膜为层流状态，但事实上，当Ref=30~40时，液膜已出现波动，由于此种现象非常普遍，麦克亚当斯（McAdams）建议采用关联式：
（17）
λ—蒸汽在饱和温度下的汽化热，J/kg；
L—垂直管或板的高度；
ts—蒸汽饱和温度；
tw—壁面温度；
ρ—冷凝液的密度，kg/m3；
k—冷凝液的导热系数，W/（m2℃）。
当Ref>
1800时，液膜呈现湍流流动，此时可应用柯克柏瑞德（Kirkbride）经验式来计算h：
（18）
2）水平管外膜状冷凝时的对流传热系数
对于水平管束，若水平管束在垂直列上的管数为n，可采用关联式：
（19）
在列管冷凝器中，若管束由互相平行的z列管子所组成，一般各列管子在垂直方向上的排数不相等，设分别为n1，n2，……nz，则平均的管排数可按下式计算：
（20）
3）倾斜表面膜状冷凝时的对流传热系数
如果平板或圆柱与水平面的倾斜角为φ，则对层流流动，仍可采用上述公式，但需将代表重力项的g用平行于换热面方向上的分量g’来代替，即：
2.液体沸腾传热
工业计算中常用的计算式有以下两个：
1）罗森奥（Rohsennow）公式
（21）
q—沸腾传热速率，W；
S—沸腾传热面积，m2；
cL—饱和液体的定压质量热容，J/（kg℃）
Δt—壁面温度与液体饱和温度之差，℃，Δt=tw-ts；
λ—汽化热，J/kg；
Pr—饱和液体的普兰德数；
μL—饱和液体的粘度，Pas；
σ—气-液界面的表面张力，N/m，可查阅有关手册；
g—重力加速度，9.81m/s2；
ρL—饱和液体的密度，kg/m3；
ρV—饱和蒸汽的密度，kg/m3；
n—常数，对于水，n=1.0，对于其他液体，n=1.7；
Csf—由实验数据确定的组合常数，其值可由表4查得。
表4不同液体-加热壁面的组合常数Csf
液体-加热壁面
Csf
水-铜
0.013
水-研磨和抛光的不锈钢
0.0080
水-黄铜
0.006
水-化学处理的不锈钢
0.0133
水-金刚砂抛光的铜
0.0128
水-机械磨制的不锈钢
0.0132
35%K2CO3-铜
0.0054
苯-铬
0.010
50%K2CO3-铜
0.0030
正戊烷-铬
0.015
异丙醇-铜
0.00225
乙醇-铬
0.027
正丁醇-铜
0.00305
水-镍
四氯化碳-铜
水-铂
由式（21）求得q/S后，可由式（22）求得h。
（22）
ts—壁面温度，℃
tb—沸腾温度，℃。
2）莫斯听斯基（Mostinski）公式
（23）
pc—临界压力，Pa；
—对比压力；
p—操作压力，Pa。
应用条件：
pc>
3000Pa，R=0.01~0.9，q/S<
（q/S）c（临界热通量）。
临界热通量（q/S）c可按式（24）估算，即：
（24）
Di—管束的直径，m；
So—管外壁总传热面积，m2。
附表1壁面污垢热阻
1.冷却水
加热液体温度/℃
115以下
115~205
水的温度/℃
25以下
25以上
水的速度/（m/s）
1以下
1以上
热阻/（m2℃/W）
海水
0.8598×
10-4
1.7197×
自来水、井水、潮水、软化锅炉水
3.4394×
蒸馏水
硬水
5.1590×
8.5980×
河水
6.8788×
2.工业用气体
气体名称
有机化合物
溶剂蒸汽
水蒸气
天然气
空气
焦炉气
3.工业用液体
液体名称
熔盐
盐水
植物油
4.石油馏分物
馏出物名称
原油
10-4~12.098×
柴油
10-4~5.1590×
汽油
重油
8.598×
石脑油
沥青油
17.197×
煤油
附表2某些固体材料的导热系数
1.常用金属的导热系数
温度
热导率
100
200
300
400
铝
227.95
227.95
铜
383.79
379.14
372.16
367.51
362.86
铁
73.27
67.45
61.64
54.66
48.85
铅
35.12
33.38
31.40
29.77
-
镁
172.12
167.47
162.82
158.17
镍
93.04
82.57
63.97
59.31
银
414.03
409.38
373.32
361.69
359.37
锌
112.81
109.90
105.83
101.18
碳钢
52.34
44.19
41.87
34.89
不锈钢
16.28
17.45
18.49
2.常用非金属材料
材料
温度/℃
热导率/[W/（m℃）]
软木
30
0.04303
玻璃棉
0.03489~0.06978
保温灰
0.06978
锯屑
20
0.04652~0.05815
棉花
厚纸
0.1369~0.3489
玻璃
1.0932
-20
0.7560
搪瓷
0.8723~1.163
韵母
50
0.4303
泥土
2.326
软橡胶
0.1291~0.1593
硬橡胶
0.1500
聚四氟乙烯
0.2419
泡沫玻璃
-15
0.004885
-80
0.003489
泡沫塑料
0.04652
木材（横向）
0.1396~0.1745
木材（纵向）
0.3838
耐火砖
230
0.8723
1200
1.6398
混凝土
1.2793
绒毛毡
0.0465
85%氧化镁粉
0~100
聚氯乙烯
0.1163~0.1745
酚醛加玻璃纤维
0.2593
酚醛加石棉纤维
0.2942
聚酯加玻璃纤维
0.2594
聚碳酸酯
0.1907
聚苯乙烯泡沫
0.04187
-150
0.001745
聚乙烯
0.3291
石墨
139.56
有机液体的粘度、比热、密度及导热系数等性质可由Hysys软件查得。
升级会员 