换热器设计有关参数探析

摘 要：介绍了与换热器设计有关的雷诺数、流体流速、总传热系数等几个参数的意义，以帮助在换热器计算和选型时的理解。

关键词：

换热器设计；雷诺数；流速；总转热系数

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2011）08-0287-02

间壁式换热器的设计要考虑传热和结构方面的问题，设计计算一般是在传热面两侧的介质达到热量平衡后由方程Q=KAΔtm通过试差计算进行，其一般过程为：计算换热器的热负荷，确定冷热流体物性参数，初定换热器的结构尺寸，计算管程压降和传热系数，计算壳程压降和传热系数，计算总传热系数K校核传热面积，对设计结果进行优化。在此过程中，加强对其中一些参数的理解有助于换热器设计计算中某些数据的选定。

雷诺数Re是表征流体流动特性的一个重要参数。雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比，反映流体的流动形态和湍流程度。雷诺数越小意味着粘性影响越显著，越大则惯性影响越显著。雷诺数很小的流动，其粘性影响遍及全流场，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数很大的流动，其粘性影响仅在物面附近的边界层或尾迹中才是重要的，流体呈湍流流动状态。在涉及粘性影响的流体力学实验中，雷诺数是主要的相似准数，表示为Re＝ρVL／μ（ρ、μ为流体密度和运动粘度，V、L为流场的特征速度和特征长度。）对外流问题，V、L一般取远前方来流速度和物体主要尺寸，内流问题则取通道内平均流速和通道直径。用圆管传输流体，计算雷诺数时，特征长度一般取管道直径（D），用方形管传输流体，管道特征长度取当量直径（Dd）。当量直径等于水力半径的四倍。对于任意截面形状的管道，其水力半径等于管道截面积与周长之比。一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为湍流状态，Re＝2000～4000为过渡流状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律.流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。

流体流动速度的选择对换热器的设计和运行效果都有重要意义。为了增大传热效果，进而提高传热系数，一般都希望提高流体流速。流速提高了，同时可使结垢程度减轻、降低热阻，从而有利于传热。但流体流速过高，会使通过换热器的压力降增大，使输送流体的动力消耗增加。通常选择流速时从以下方面考虑：所选择的流速宜使流体呈稳定的湍流流动或至少进入过渡流状态；高密度流体（或相变中的流体）的摩擦动力消耗与传热速率相比一般是小的，不起主要作用，因此适当提高流速是比较经济的；所选流速应不会导致流体动力冲击，使换热管子振动或冲蚀；流速选择应使换热器管长或程数恰当；使换热器外形结构尺寸适宜。以下为管壳式换热器内一些介质的参考流速。

总传热系数K是反映换热器传热性能的重要参数，也是对换热器进行传热过程计算的基本依据。它可以通过查阅相关手册、实验测定和分析计算获得。总传热系数K的数值取决于流体的物性、传热过程的操作条件和换热器类型等多方面因素。以下为总传热系数的几个经验值（管壳式换热器用作加热器时）。

高温流体低温流体总传热系数kcal/（m2•h•℃）备注

水蒸汽空气44空气流速3m/s

热水碳氢化合物200～430管外为水

水蒸汽不凝性气体30～40传热面为不透性石墨不凝，性气体流速9.0～12.0m/s

对于一个确定的传热过程，总传热系数K的数值与换热器的传热面积计算基准有关。对于平壁，由于间壁两侧的传热面积相等，因而总传热系数的数值对任一侧都相等；而对于沿热流方向传热面积变化的间壁而言，如圆管壁或带有扩展表面的壁面，在选取不同的传热面积作为传热过程计算基准时，其总传热系数的数值不同。因此，在指出总传热系数的同时，应注明传热面的计算基准。如间壁为圆管壁，以外侧表面积为基准的间壁式换热器的总热阻的构成式为：

式中λ——管壁的导热系数ob——管壁厚度•dm——管平均直径•a、a2——管外、内侧对流传热系数d1、d2——管外径、管内径；Rs1、Rs2——管外、内侧污垢热阻；K——总传热系数。

由上式可以看出，传热的总热阻由间壁本身的传导热阻、间壁两侧的对流热阻以及污垢热阻Rs1和Rs2组成。要提高一个具体传热过程的总传热系数，必须首先比较传热过程各个环节上的分热阻，对分热阻最大的环节进行强化。一般来说，间壁的传导热阻不大，对总传热系数的影响较小，故主要应设法减小对流热阻和污垢热阻。在对流热阻中，主要是层流底层的厚度在起作用，而且与流体本身的性质有关。因此，要减小对流热阻，就要设法使层流底层减薄，特别是要使导热系数小、密度小的一侧流体的层流底层减薄。最方便的办法是通过加大流体的流速来达到，这样同时还可以防止壁面结垢和及时清除污垢，从而降低污垢热阻。

如果不计污垢热阻，管壁较薄时，此时1/K≈1/α1+1/α2，可见此时总传热系数的大小主要由对流传热系数较小侧的流体来决定，提高较小侧的对流传热系数，可以有效地提高总传热系数。对流传热系数一般可由相应的关联式来计算，但选用关联式时要注意其适用范围，把流体的流动状况充分考虑。如无相变圆形直管内的对流传热系数可表示为：α=0.023（ρdu/μ）0.8（cpμ/λ）nλ/d此式适用于雷诺数Re>10000，0.7＜Pr＜120，管长和管径之比≥60，流体是低粘度的（不大于两倍水的粘度）。

另外，同样热负荷下，计算介质完成换热时间的长短可以比较直观地了解不同换热器的换热效果。假定流体流量是G（m3/s），单程介质流通截面积是S（m2），通道内介质流速是V（m/s），流通通道总长度是L1（m），那流体通过换热器的时间大致可以表示为T=L1/V=L1/（G/S）=L1S/G，其中L1S大约就是此流体所在腔的总容积。结构布置方式的不同影响介质通过的时间。如管壳式换热器以管内为基准时，换热管内径为d，单程管子根数是n，则单程流通截面积S=nπd2/4，而换热面积A=nπdL1，流体通过时间是T=L1S/G=L1nπdI2/4G=Ad/4G。可见T与通道总长度、换热管根数和内径及换热面积有关系。在同样的换热面积时，换热管内径d变小，流通时间变短了；换热面积A和管子直径d太大，流通时间太长，此时换热器结构不是最优的设计。

有了对以上的了解，可知雷诺数反映了流体的流动形态和湍流程度，在对流传热系数的计算式中常对此值有所限定；为提高对流传热系数，一般都希望提高流体流速，但流速过高，会使通过换热器的压力降增大，对应于一定结构的换热器和经验总传热系数常有推荐的流速。结构设计时，要提高一个具体传热过程的总传热系数，应先比较传热过程各个环节上的分热阻，对分热阻最大的环节进行强化。以管壳式换热器的初步设计为例，可以考虑以下过程：

（1）介质流速V和经验总传热系数K的选定。

（2）由雷诺数计算式Re＝ρVL／μ，考虑对应介质的流动形态粗定雷诺数的范围，选定换热管的内径d。

（3）由Q=CMΔT和Q=KAΔTm初定换热面积A。

（4）由介质流量G和选定介质流速V计算单程管内流通截面积S，从而确定单程换热管的管子数n，再进而由A和d确定换热器单程换热管的长度和程数。

（5）进一步复算压力降和传热系数等因素。并可计算流体通过时间对换热器的传热效果进行初步判断。

参考文献

［1］陆振东主编.化工工艺设计手册（第二版）上册［M］.北京:化学工业出版社，1996.

［2］董其伍，张垚等编.换热器［M］.北京:化学工业出版社，2009.

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”

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