换热器设计计算步骤

换热器设计计算步骤

1. 管外自然对流换热 2. 管外强制对流换热 3. 管外凝结换热

已知：管程油水混合物流量 G ( m3/d)，管程管道长度 L (m)，管子外径do (m)， 管子内径di (m)，热水温度 t ℃， 油水混合物进口温度 t1’, 油水混合物出口温度 t2” ℃。

1. 管外自然对流换热

1.1 壁面温度设定

首先设定壁面温度，一般取热水温度和油水混合物出口温度的平均值，tw ℃， 热水温度为t ℃，油水混合进口温度为t1'℃，油水混合物出口温度为t1"℃。

1

tw=(t+t1")

2

1.2 定性温度和物性参数计算

管程外为水，其定性温度为(K-1)℃

1

t2=(t+tw)

2

管程外为油水混合物，定性温度为t2'℃

1

t2'=(t1'+t1")

2

根据表1油水物性参数表，可以查得对应温度下的油水物性参数值

一般需要查出的为密度ρ (kg/m3),导热系数λ(W/(m∙K))，运动粘度(m2/s)，体积膨胀系数a(K-1)，普朗特数Pr。

表1 油水物性参数表

水

t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

油

ρ

999.7 998.2 995.6 992.2 998 983.2 997.7 971.8 965.3 958.4

λ

0.574 0.599 0.618 0.635 0.648 0.659 0.668 0.674 0.68 0.683

v

0.000001306 0.000001006 0.000000805 0.000000659 0.000000556 0.000000478 0.000000415 0.000000365 0.000000326 0.000000295

a

0.000087 0.000209 0.000305 0.000386 0.000457 0.000522 0.000583 0.00064 0.000696 0.00075

Pr

9.52 7.02 5.42 4.31 3.54 2.99 2.55 2.21 1.95 1.75

t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ρ

898.8 892.7 886.6 880.6 874.6 868.8 863.1 857.4 851.8 846.2

λ

0.1441 0.1432 0.1423 0.1414 0.1405 0.1396 0.1387 0.1379 0.137 0.1361

v

0.000564 0.00028 0.000153 9.07E-05 5.74E-05 3.84E-05 0.000027 1.97E-05 1.49E-05 1.15E-05

a

0.00069

Pr

6591 3335 1859 1121 723 493 354 263 203 160

1.3 设计总传热量和实际换热量计算

Q0=Cqm∆t=Cqvρ∆t=αC油qvρ油∆t+βC水qvρ水∆t

C为比热容j/(kg∙K)，qv为总体积流量m/s，

3

αβ分别为在油水混合物中

油和水所占的百分比，∆t油水混合物温差，qm为总的质量流量kg/s。

实际换热量Q

Q=Q0*1.1/0.9

0.9为换热器效率，1.1为换热余量。

逆流平均温差计算

逆流平均温差ΔTn ℃，

∆Tn=

∆tmax-∆tmin

∆tmax

ln

∆tmin

其中∆tmax和∆tmin分别为t-t1'和t-t1"中较大的差值和较小的差值

换热系数的初选

在计算中要对换热系数K进行迭代，因此现初选换热系数K’。

则初选传热面积F’

Q

F'=

∆Tn*K'

F'

总管数为Nt，Nt=

π*do*L

管程换热系数h2计算

从传热学角度，管程内部属于强制对流换热。

管程流通面积a2=管程流速w2=

diNtπ** 224

G

a2*3600*24

管程雷诺数Re=w2

di

ν

（ν的数值是按照1.2中油水混合物定性温度对应查得的

数值）

根据Re的大小判断管内油水混合物的流动状态为层流还是湍流 一般Re>10，即为湍流，Re

(1) 管内油水混合物换热状态为湍流换热

4

4

Nu=0.023Re0.8Prn

加热流体时n=0.4，冷却流体时n=0.3

(2) 管内油水混合物换热状态为层流换热

RePr1

Nu=1.86()3

L/di

管程内换热系数h2=Nu

壳程换热系数h1计算

λ

di

壳程的换热为自然对流换热

Gr=

ga∆tL3

ν

2

相关物性参数见1.2查表计算所得，g为9.8.

Nu=C(GrPr)n

常数C和n的选取见表

2

壳程换热系数

h1=Nu

λ

de

当管外为纵向冲刷de为L，当管外为横向冲刷de为d0

污垢热阻计算

水侧油污 r2=0.00034 油水混合物油污r1=0.00017 塑料导热系数 λ=10.8 钢管导热系数 λ=43.6

传热系数计算

k=

1

⎛d0⎫1⎛d0⎫1

+r2+λ+r1 ⎪+ ⎪h2⎝di⎭h1⎝di⎭

计算所得值和前面1.5设计选取进行对比，如果一致则即为所求答案，如果不一致，则把计算所得代入1.5，再次计算。

2.0 管板计算

中心管排数 N0=1.1Nt管间距 s=1.25d0

管板直径Ds=s(N0-1)+4d0

0.5

2. 管外凝结换热

1.1 壁面温度设定

首先设定壁面温度，一般取热水温度和油水混合物出口温度的平均值，tw ℃， 热水温度为t ℃，油水混合进口温度为t1'℃，油水混合物出口温度为t1"℃。

tw=

1.2定性温度和物性参数计算

管程外为水，其定性温度为(K-1)℃

1

t2=(t+tw)

2

1

(t+t1") 2

管程外为油水混合物，定性温度为t2'℃

1

t2'=(t1'+t1")

2

根据表1油水物性参数表，可以查得对应温度下的油水物性参数值

一般需要查出的为密度ρ (kg/m3),导热系数λ(W/(m∙K))，运动粘度(m2/s)，体积膨胀系数a(K-1)，普朗特数Pr。

表1 油水物性参数表

水

t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ρ

999.7 998.2 995.6 992.2 998 983.2 997.7 971.8 965.3 958.4

λ

0.574 0.599 0.618 0.635 0.648 0.659 0.668 0.674 0.68 0.683

v

0.000001306 0.000001006 0.000000805 0.000000659 0.000000556 0.000000478 0.000000415 0.000000365 0.000000326 0.000000295

a

0.000087 0.000209 0.000305 0.000386 0.000457 0.000522 0.000583 0.00064 0.000696 0.00075

Pr

9.52 7.02 5.42 4.31 3.54 2.99 2.55 2.21 1.95 1.75

油

t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ρ

898.8 892.7 886.6 880.6 874.6 868.8 863.1 857.4 851.8 846.2

λ

0.1441 0.1432 0.1423 0.1414 0.1405 0.1396 0.1387 0.1379 0.137 0.1361

v

0.000564 0.00028 0.000153 9.07E-05 5.74E-05 3.84E-05 0.000027 1.97E-05 1.49E-05 1.15E-05

a

0.00069

Pr

6591 3335 1859 1121 723 493 354 263 203 160

1.3 设计总传热量和实际换热量计算

Q0=Cqm∆t=Cqvρ∆t=αC油qvρ油∆t+βC水qvρ水∆t

C为比热容j/(kg∙K)，qv为总体积流量m/s，

3

αβ分别为在油水混合物中

油和水所占的百分比，∆t油水混合物温差，qm为总的质量流量kg/s。

实际换热量Q

Q=Q0*1.1/0.9

0.9为换热器效率，1.1为换热余量。

1.4逆流平均温差计算

逆流平均温差ΔTn ℃，

∆tmax-∆tmin∆Tn= ∆tmax

ln

∆tmin

其中∆tmax和∆tmin分别为t-t1'和t-t1"中较大的差值和较小的差值

1.5 换热系数的初选

在计算中要对换热系数K进行迭代，因此现初选换热系数K’。

则初选传热面积F’

F'=

Q∆Tn*K'

F'

总管数为Nt，Nt=

π*do*L

1.6管程换热系数h2计算

从传热学角度，管程内部属于强制对流换热。

管程流通面积a2=管程流速w2=

diNtπ** 224

G

a2*3600*24

管程雷诺数h2=Nu

λ

di

Re=w2

di

ν

ν的数值是按照1.2中油水混合物定性温度对

应查得的数值）

根据Re的大小判断管内油水混合物的流动状态为层流还是湍流 一般Re>104，即为湍流，Re

(3) 管内湍流换热

Nu=0.023Re0.8Prn

加热流体时n=0.4，冷却流体时n=0.3

(4) 管内层流换热

RePr1

Nu=1.86()3

L/di

管程内换热系数h2

=Nu

λ

di

1.7壳程换热系数h1计算 壳程的换热为凝结换热

⎡9.8ρ2λ3r⎤

h1=1.13⎢⎥

(t-t)Lw⎣⎦

0.25

r为对应蒸汽温度t下的气化潜热

当蒸汽冲刷竖管壁，L为管长。当蒸汽横向冲刷，L为管道外径

1.8污垢热阻计算

水侧油污 r2=0.00034 油水混合物油污r1=0.00017 塑料导热系数 λ=10.8 钢管导热系数 λ=43.6

1.9传热系数计算

k=

1

⎛d0⎫1⎛d0⎫1

+r2+λ+r1 ⎪+ ⎪h2⎝di⎭h1⎝di⎭

计算所得值和前面1.5设计选取进行对比，如果一致则即为所求答案，如果不一致，则把计算所得代入1.5，再次计算。

2.0 管板计算

中心管排数 N0=1.1Nt管间距 s=1.25d0

管板直径Ds=s(N0-1)+4d0

0.5

3. 管外强制对流换热

3.1温度

油水混合进口温度为t1'℃，油水混合物出口温度为t1"℃。 管外热水进口温度为t2'℃，管外热水进口温度为t2"℃， 3.2定性温度和物性参数计算

管程外为水，其定性温度为(K-1)℃

1

t2=(t2'+t2")

2

管程外为油水混合物，定性温度为t2'℃

t1=

1'"(t1+t1) 2

根据表1油水物性参数表，可以查得对应温度下的油水物性参数值

一般需要查出的为密度ρ (kg/m3),导热系数λ(W/(m∙K))，运动粘度(m2/s)，体积膨胀系数a(K-1)，普朗特数Pr。

表1 油水物性参数表

水

t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

油

ρ

999.7 998.2 995.6 992.2 998 983.2 997.7 971.8 965.3 958.4

λ

0.574 0.599 0.618 0.635 0.648 0.659 0.668 0.674 0.68 0.683

v

0.000001306 0.000001006 0.000000805 0.000000659 0.000000556 0.000000478 0.000000415 0.000000365 0.000000326 0.000000295

a

0.000087 0.000209 0.000305 0.000386 0.000457 0.000522 0.000583 0.00064 0.000696 0.00075

Pr

9.52 7.02 5.42 4.31 3.54 2.99 2.55 2.21 1.95 1.75

t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ρ 898.8 892.7 886.6 880.6 874.6 868.8 863.1 857.4 851.8 846.2

λ 0.1441 0.1432 0.1423 0.1414 0.1405 0.1396 0.1387 0.1379 0.137 0.1361

v 0.000564 0.00028 0.000153 9.07E-05 5.74E-05 3.84E-05 0.000027 1.97E-05 1.49E-05 1.15E-05

a Pr 6591 3335 1859 1121 723 493 354 263 203 160

0.00069

3.3 设计总传热量和实际换热量计算

Q0=Cqm∆t=Cqvρ∆t=αC油qvρ油∆t+βC水qvρ水∆t

C为比热容j/(kg∙K)，qv为总体积流量m/s，

3

αβ分别为在油水混合物中

油和水所占的百分比，∆t油水混合物温差，qm为总的质量流量kg/s。

实际换热量Q

Q=Q0*1.1/0.9

0.9为换热器效率，1.1为换热余量。

逆流平均温差计算

逆流平均温差ΔTn ℃，

∆Tn=

∆tmax-∆tmin

∆tmax

ln

∆tmin

其中∆tmax和∆tmin分别为t2'-t1'和t2"-t1"中较大的差值和较小的差值

换热系数的初选

在计算中要对换热系数K进行迭代，因此现初选换热系数K’。

则初选传热面积F’

F'=

Q∆Tn*K'

总管数为Nt，Nt=

F'

π*do*L

管程换热系数h2计算

从传热学角度，管程内部属于强制对流换热。

管程流通面积a2=管程流速w2=

diNtπ** 224

G

a2*3600*24

管程雷诺数h2=Nu

λ

di

Re=w2

di

ν

ν的数值是按照1.2中油水混合物定性温度对

应查得的数值）

根据Re的大小判断管内油水混合物的流动状态为层流还是湍流 一般Re>104，即为湍流，Re

(5) 管内湍流换热

Nu=0.023Re0.8Prn

加热流体时n=0.4，冷却流体时n=0.3

(6) 管内层流换热

RePr1

Nu=1.86()3

L/di

管程内换热系数h2=Nu

壳程换热系数h1计算

λ

di

壳程的换热为强制对流换热

现根据总的换热量，水的温差和比热可以计算出冷却水量G1

壳程流通面积a1=壳程流速w1=3

G1

a1

π

4

(DS2-Nt*d02) Ds计算见4.0

壳程当量直径de=(Ds2-Ntd02)/(Ntd0) 壳程雷诺数Re=w1

λ

de

12

13

Nu=0.3+

0.62RePr

[1+(0.4/Pr)]

h1=Nu

23

⎛Re⎫[1+ ⎪]1

⎝282000⎭4

5

485

λ

de

污垢热阻计算

水侧油污 r2=0.00034 油水混合物油污r1=0.00017 塑料导热系数 λ=10.8 钢管导热系数 λ=43.6

传热系数计算

k=

1

⎛d0⎫1⎛d0⎫1

+r2+λ+r1 ⎪+ ⎪h2⎝di⎭h1⎝di⎭

计算所得值和前面1.5设计选取进行对比，如果一致则即为所求答案，如果不一致，则把计算所得代入1.5，再次计算。

4.0 管板计算

中心管排数 N0=1.1Nt管间距 s=1.25d0

管板直径Ds=s(N0-1)+4d0

0.5