換熱器的傳熱計算

　　換熱器的傳熱計算包括兩類：一類是設(shè)計型計算，即根據(jù)工藝提出的條件，確定換熱面積；另一類是校核型計算，即對已知換熱面積的換熱器，核算其傳熱量、流體的流量或溫度。這兩種計算均以熱量衡算和總傳熱速率方程為基礎(chǔ)。

　　換熱器熱負荷Q值一般由工藝包提供，也可以由所需工藝要求求得。Q=W cpΔt，若流體有相變，Q=cp r。

　　熱負荷確定后，可由總傳熱速率方程（Q=K SΔt）求得換熱面積，*后根據(jù)《化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)系列》確定換熱器的選型。

　　其中總傳熱系數(shù)K= （1）

　　在實際計算中，總傳熱系數(shù)通常采用推薦值，這些推薦值是從實踐中積累或通過實驗測定獲得的，可以從有關(guān)手冊中查得。在選用這些推薦值時，應(yīng)注意以下幾點：

　　設(shè)計中管程和殼程的流體應(yīng)與所選的管程和殼程的流體相一致。

　　設(shè)計中流體的性質(zhì)（粘度等）和狀態(tài)（流速等）應(yīng)與所選的流體性質(zhì)和狀態(tài)相一致。

　　設(shè)計中換熱器的類型應(yīng)與所選的換熱器的類型相一致。

　　總傳熱系數(shù)的推薦值一般范圍很大，設(shè)計時可根據(jù)實際情況選取中間的某一數(shù)值。若需降低設(shè)備費可選取較大的K值；若需降低操作費用可取較小的K值。

　　為保證較好的換熱效果，設(shè)計中一般流體采用逆流換熱，若采用錯流或折流換熱時，可通過安德伍德（Underwood）和鮑曼（Bowman）圖算法對Δt進行修正。

　　雖然這些推薦值給設(shè)計帶來了很大便利，但是某些情況下，所選K值與實際值出入很大，為避免盲目煩瑣的試差計算，可根據(jù)式（1）對K值估算。

　　式（1）可分為三部分，對流傳熱熱阻、污垢熱阻和管壁導(dǎo)熱熱阻，其中污垢熱阻和管壁導(dǎo)熱熱阻可查相關(guān)手冊求得。由此，K值估算*關(guān)鍵的部分就是對流傳熱系數(shù)h的估算。

　　影響對流傳熱系數(shù)的因素主要有：

　　流體的種類和相變化的情況

　　液體、氣體和蒸氣的對流傳熱系數(shù)都不相同。牛頓型和非牛頓型流體的也有區(qū)別，這里只討論牛頓型對流傳熱系數(shù)。

　　流體有無相變化，對傳熱有不同的影響。

　　流體的性質(zhì)

　　對h影響較大的流體物性有比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和粘度等。對同一種流體，這些物性又是溫度的函數(shù)，而其中某些物性還和壓強有關(guān)。

　　流體的流動狀態(tài)

　　當(dāng)流體呈湍流時，隨著Re數(shù)的增加，滯流內(nèi)層的厚度減薄，故h就增大。而當(dāng)流體呈滯流時，流體在熱流方向上基本沒有混雜流動，故h就較湍流時為小。

　　流體流動的原因

　　自然對流是由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點的相對位移。設(shè)ρ1和ρ2分別代表溫度為t1和t2兩點的密度，則流體因密度差而產(chǎn)生的升力為（ρ1-ρ2）g。若流體的體積膨脹系數(shù)為β，單位為1/℃，并以代表Δt溫度差（t2- t1），則可得ρ1=ρ2（1+βΔt），于是每單位體積的流體所產(chǎn)生的升力為：

　?。é?-ρ2）g=[ρ2（1+βΔt）-ρ2]g=ρ2βgΔt或（ρ1-ρ2）/g=βΔt

　　強制對流是由于外力的作用，如泵、攪拌器等迫使流體的流動。

　　傳熱面的形狀、位置和大小

　　傳熱管、板、管束等不同的傳熱面的形狀；管子的排列方式，水平或垂直放置；管徑、管長或板的高度等，都影響h值。

　　目前解決對流傳熱問題的方法主要有量綱分析法和類比法。常用的量綱分析法有雷萊法和伯金漢法（Buckingham Method）， 前者適合于變量數(shù)目較少的場合，而當(dāng)變量數(shù)目較多時，后者較為簡便，由于對流傳熱過程的影響因素較多，故需采用伯金漢法。

　　強制對流（無相變）傳熱過程

　　根據(jù)理論分析及實驗研究，對流傳熱系數(shù)h的影響因素有傳熱設(shè)備的尺寸l、流體密度ρ、粘度μ、定壓質(zhì)量熱容cp、導(dǎo)熱系數(shù)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綱只有四個。*后可得強制對流（無相變）傳熱時的無量綱數(shù)群關(guān)系式Nu=φ（Re，Pr）。

　　自然對流傳熱過程

　　同樣可得，自然對流傳熱時準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為Nu=φ（Gr，Pr）。

　　各準(zhǔn)數(shù)名稱、名稱和含義列于表1。

　　表1 準(zhǔn)數(shù)的名稱、符號和含義

　　準(zhǔn)數(shù)名稱 符號 準(zhǔn)數(shù)式 含義 努塞爾數(shù)

　　（Nusselt number） Nu 表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù) 雷諾數(shù)

　?。≧eynolds number） Re 表示慣性力與粘性力之比，是表征流動狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù) 普蘭德數(shù)

　?。≒randtl number） Pr 表示速度邊界層和熱邊界層相對厚度的一個參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性 格拉斯霍夫數(shù)

　?。℅rashof number） Gr 表示由于溫度差引起的浮力與粘性力之比

　　各準(zhǔn)數(shù)中的物理量的意義為：

　　h — 對流傳熱系數(shù)，W/（m2 ℃）；

　　u — 流速，m/s；

　　ρ— 流體的密度，kg/m3；

　　l — 傳熱面特性尺寸，可以是管徑（內(nèi)徑、外徑或平均直徑）或平板長度，m；

　　k — 流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2 ℃）；

　　μ— 流體的粘度，Pa s；

　　cp— 流體的定壓比容，J/（kg

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