換熱器設計計算換熱器設計計算1換熱器類型按結構分為5.1換熱器類型按用途分為：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器、再沸器

蓄熱器（蓄能器）換熱器類型5.1換熱器類型按用途分為：加熱器、冷卻器、冷凝2（一）間壁式換熱器

一、套管式換熱器（一）間壁式換熱器3二、管殼式換熱器

列管式換熱器固定管板式列管換熱器浮頭式列管換熱器U管式列管換熱器二、管殼式換熱器列管式換熱器固定管板式列管換熱器浮頭式列4單程列管式換熱器

單程列管式換熱器1—外殼2—管束3、4—接管5—封頭6—管板7—折流板單程列管式換熱器5雙程列管式換熱器

雙程列管式換熱器1—殼體2—管束3—擋板4—隔板雙程列管式換熱器雙6三、交叉流式換熱器蛇管式噴淋式三、交叉流式換熱器蛇管式噴淋式7換熱器設計計算課件8翅片式換熱器構造和工作原理

翅片式換熱器構造和工作原理9換熱器設計計算課件10四、板式換熱器四、板式換熱器11換熱器設計計算課件12三、螺旋板式換熱器三、螺旋板式換熱器13三、夾套式換熱器三、夾套式換熱器14

15??設計性熱計算目的在于確定換熱器的換熱面積F，接著要確定換熱器的結構尺寸（結構設計）。?

校核性熱計算針對現成的換熱器，其目的在于確定流體的出口溫度5.2換熱器設計計算基本原理5.2.1換熱器熱設計計算基本原理換熱器設計計算分為：熱設計計算、結構設計計算換熱器熱設計計算分：設計型熱計算

操作型熱計算??設計性熱計算目的在于確定換熱器的換熱面積F16

因此：

設計型——已知任務設備

操作型——已知一定設備預測、調節結果

1、設計型計算的命題給定生產任務：?1，T1T2(or?2，t1t2)

選擇工藝條件：t1，t2

計算目的：換熱器傳熱面積A（管子規格，根數）；?2

特點：結果的非唯一性。

172、設計計算公式：

質量衡算：?1

?2

?n

=?

dn

=?

熱量衡算：Q=?1Cp1(T1-T2)=?2Cp2(t2-t1)

傳熱速率式：Q=KAtm2、設計計算公式：18

注意：計算單位要統一熱量：由于溫差的存在會導致能量的交換。

該交換過程稱為熱交換或熱傳遞。

熱量的國際單位：焦耳（J）或常用單位：卡（cal）。換算關系：1cal=4.19J比熱：比熱容的簡稱。

國際單位J/(kg·K)。常用單位：kJ/(kg·℃)

kcal/(kg·℃)等。傳熱系數K值：是指在穩定傳熱條件下，物體兩側溫差為1度（K

或℃）、1秒內通過1平方米面積傳遞的熱量。

單位：瓦/平方米·度（W/㎡·K），K可用℃代替）。注意：計算單位要統一熱量：由于溫差的存在會導致能量的19平均溫差：式中：（對數平均數）Δt1—進口處冷熱物質溫差/℃;Δt2—出口處冷熱物質溫差/℃當Δt1≤2Δt2時，對數平均數與算術平均數相差小于4％，此時為了方便，可取算數平均數：

3、tm的計算方法：平均溫差：式中：（對數平均數）Δt1—進口處冷熱物質溫差/20xTTh

Tc

DT1DT2并流逆流xTThTcDT1DT2并流逆流21換熱器設計計算課件22

當一側流體變溫，另一側恒溫時，不論并流或逆流，其平均溫差相等；當兩側流體均變溫時，并流和逆流的平均溫差不等，通常是：

在生產中，換熱器多采用逆流操作。只有對熱敏性物料加熱時，因物料出口溫度有限制，才采用并流操作。在換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數K值相同的條件下，采用逆流操作，可以節省傳熱面積，而且可以節省加熱介質或冷卻介質的用量。當一側流體變溫，另一側恒溫時，不論并流或逆流23套管式換熱器的面積，S=πd內L列管式換熱器的面積，S=nπdnL蛇管式(包括噴淋式)換熱器的面積，S=πdL4、換熱器面積計算：套管式換熱器的面積，S=πd內L列管式換熱器的面積，S245、總傳熱系數K的計算K的來源：

（1）生產實際的經驗數據

在有關傳熱手冊和專著中載有某些情況下K的經驗數值，但應選用工藝條件接近、傳熱設備類似的較為成熟的經驗K值作為設計依據，下表列出了一些條件下經驗K值的大致范圍，供設計時參考。總傳熱系數K是表示換熱設備性能好壞的重要參數，也是傳熱計算中重要的依據。5、總傳熱系數K的計算K的來源：

總傳熱系數K是表示換熱設備25列管換熱器總傳熱系數K的經驗數據流體種類總傳熱系數K[W/(m2·K)]水—氣體12~60水—水800~1800水—煤油350左右水—有機溶劑280~850氣體—氣體12~35飽和水蒸氣—水1400~4700飽和水蒸氣—氣體30~300飽和水蒸氣—油60~350飽和水蒸氣—沸騰油290~870列管換熱器總傳熱系數K的經驗數據流體種類總傳熱系數K[26⑵實驗測定通過實驗測定現有換熱器的流量和溫度，由傳熱基本方程計算K值：實驗測定可以獲得較為可靠的K值。由計算方法得到的K值往往與查取的和實測的K值相差較大。這主要是由于計算給熱系數h的關聯式有一定誤差以及污垢熱阻不易估計準確等原因所致。因此，使用計算的K值時應慎重，最好與另外兩種方法作對照，以確定合理的K值。⑵實驗測定通過實驗測定現有換熱器的流量和溫度，由27（3）分析計算式中：hi—管內流體對流給熱系數[W/m2·℃]；ho—管外流體對流給熱系數[W/m2·℃]

;λ—管材導熱系數[W/m·℃]

;b—管壁厚度[m];Ri—管內污垢熱阻[(m2℃)/w];R0—管外污垢熱阻[(m2℃)/w]流體在管內做湍流時h的表達式：式中：λ—流體導熱系數[W/m·℃]，d—管徑[m]，u—流速[m/s]，ρ—密度[kg/m3]，μ—粘度[Pa·S]，Cp—比熱[J/kg·℃]，n值視熱流方向而定，當流體被加熱n=0.4，被冷卻時n=0.3（3）分析計算式中：hi—管內流體對流給熱系數[W/m2·28流體種類污垢熱阻m2·℃/W流體種類污垢熱阻m2·℃/W水(u<1m/s,t<50℃)

蒸氣

海水0.0001有機蒸汽0.0002河水0.0006水蒸氣(不含油)0.0001井水0.00058水蒸氣廢氣(含油)0.0002蒸餾水0.0001制冷劑蒸汽(含油)0.0004鍋爐給水0.00026氣體

未處理的涼水塔用水0.00058空氣0.0003經處理的涼水塔用水0.00026壓縮氣體0.0004多泥沙的水0.0006天然氣0.002鹽水0.0004焦爐氣0.002污垢熱阻的大致數值流體種類污垢熱阻流體種類污垢熱阻水(u<1m/s,t29板式換熱器的計算是一個比較復雜的過程，目前比較流行的方法是對數平均溫差法和NTU法。在計算機沒有普及時，大多采用計算參數近似估算和流速-總傳熱系數曲線估算方法。

目前，越來越多的采用計算機計算。這樣，板式換熱器的工藝計算變得快捷、方便、準確。

以下簡要說明無相變時板式換熱器的一般計算方法。該方法是以傳熱和壓降準則關聯式為基礎的設計計算方法。

5.2.2板式換熱器的計算方法板式換熱器的計算是一個比較復雜的過程，目前比較流30總傳熱量(單位:kW).

一次側、二次側的進出口溫度

一次側、二次側的允許壓力降

最高工作溫度

最大工作壓力以下五個參數在板式換熱器的選型計算中是必須的：

如果已知傳熱介質的流量、比熱容以及進出口的溫度差，總傳熱量即可計算得出。總傳熱量(單位:kW).

以下五個參數在板式換熱器的選型計算31T1

=熱流體側進口溫度t1

=冷流體側進口溫度1、溫度熱流量衡算式反映兩流體在換熱過程中溫度變化的相互關系，在換熱器保溫良好，無熱損失的情況下，對于穩態傳熱過程，其熱流量衡算關系為：

在進行熱衡算時，對有、無相變化的傳熱過程其表達式又有所區別。對無相變化傳熱過程：

T2

=熱流體側出口溫度

t2

=冷流體側出口溫度

Q=?1Cp1(T1-T2)=?2Cp2(t2-t1)2、熱負荷（熱流體放出的熱流量）=（冷流體吸收的熱流量）T1=熱流體側進口溫度1、溫度熱流量衡算式32換熱器設計計算課件33一、傳熱強化的原則目的:在減少或不變傳熱面積的前提下，增加傳熱量;有時又可降低高溫部件的溫度。原則:哪個環節的熱阻大，就對哪個環節采取強化措施。5.2.3傳熱強化

實踐證明，傳熱速率的數值與熱流體和冷流體之間的溫度差△tm及傳熱面積S成正比，即：

Q=KS△tm=△tm/(1/KS)=推動力/阻力

傳熱強化就是要：提高傳熱動力，降低傳熱阻力一、傳熱強化的原則目的:在減少或不變傳熱面積的前提下，增加傳34二、傳熱的強化方式（1）增大傳熱系數（降低熱阻）提高K值，必須設法提高冷熱流體的兩個給熱系數，降低間壁熱阻和污垢熱阻，但應分清矛盾的主次，重點放在薄弱環節上。對于金屬壁面，導熱一般不構成主要熱阻，垢層熱阻隨使用時間的延長而變大，往往成為控制傳熱速率的主要因素，防止結垢和除垢是保證換熱器正常工作的重要措施。當污垢也不構成影響傳熱的主要因素時，則間壁兩側的對流傳熱熱阻就構成問題的主要方面，若兩個h存在數量級的差別時，傳熱的薄弱環節處在較小h一方，應設法增加小h的數值，若兩個h數值相近，應同時予以提高。二、傳熱的強化方式（1）增大傳熱系數（降低熱阻）提高K值，必35（2）增大熱、冷流體間的平均溫差

在生產上常常采用增大溫差的方法來強化傳熱：1）用飽和蒸氣作加熱介質，通過增加蒸汽壓力來提高蒸汽溫度；2）在水冷器中降低水溫以增大溫差；3）冷熱兩流體進出口溫度固定不變，逆流操作增加傳熱溫差。問題：溫差越大傳熱效率越高嗎？但在大多數情況下：1）物料的溫度是由工藝條件給定的，不能任意變動；2）加熱劑(或冷卻劑)的進口溫度往往也是不能改動的；3）冷卻水的初溫決定于環境氣候，出口溫度雖可通過增大水流量而降低，但流動阻力迅速增加，操作費用升高；

由熱力學第二定律，傳熱溫差越大，有效能損失越大。于是，非但不能增大溫差，有時還要減小溫差，以降低有效能損失。（2）增大熱、冷流體間的平均溫差在生產上常常采用增大溫差的36換熱面積計算實例【例】已知：水的導熱系數λ水=0.6W/m·℃，列管管徑d=0.02m，壁厚b=0.0025m，水的流速u=0.5m/s，水的密度ρ=1000kg/m3，水的粘度μ=1.11×10-3Pa·S，水的比熱Cp=4.2×103J/kg·℃。氨氣對流給熱系數h1=12W/m2·℃，氨冷凝成液體時對流給熱系數h2=2800W/m2·℃，液氨對流給熱系數h3=500W/m2·℃，鋼管導熱系數λ鋼=45W/m·℃，污垢熱阻取0.0005m2·℃/W現要求將流量為20t/h、溫度85℃、壓力1.6MPa的氨氣在氨冷器中冷凝成30℃

的液氨。冷凝操作采用進出口溫度分別為19℃

和21℃冷水為冷卻介質和列管式冷凝器（見下圖）。確定完成上述冷卻任務所需的冷卻水流量和冷卻器總面積S。若氨氣冷卻器列管長度為7m，氨液化器列管長為4m，液氨冷卻器列管長3m。設計列管根數。換熱面積計算實例【例】已知：水的導熱系數λ水=0.6W/m·37[分析]:因氨氣在1.6MPa壓力下的液化溫度為45℃

，所以氨氣冷凝成液氨，需要經過三個階段（見下圖）。故該冷凝生產任務可設計成三段式冷凝器，及使用三個冷凝器，進行串聯冷凝。[分析]:因氨氣在1.6MPa壓力下的液化溫度為45℃38[解]:(1)查氨的物性參數：1.6MPa的氨氣飽和溫度為45℃，冷凝潛熱r=1336.97kJ/kg氨氣比熱Cpg=2.112kJ/kg·℃，液氨比熱Cpl=4.708kJ/kg·℃冰機制冷量等于氨液化的放熱量，氨液化放熱分三部分：氣氨冷卻至45℃+氣氨在45℃下冷凝潛熱+液氨從45℃冷卻至30℃Q1=WCpg

(t1-t2)=20000×2.112×(85-45)=1.69×106kJ/hQ2=Wr=20000×1336.97=2.67×107kJ/hQ3=WCpl(t2-t3)=20000×4.708×(45-30)=1.41×106kJ/hQ=Q1+Q2+Q3=2.98×107kJ/h=8.3MW[解]:(1)查氨的物性參數：39(2)根據熱平衡方程：Q放熱=Q吸熱

Q氨放熱=Q水吸熱=W水Cp水(T2-T1)

已知水的比熱為4.2kJ/kg·℃，進出口溫度分別為19℃和21℃

2.98×107kJ/h=W水×4.2kJ/kg·℃×(21℃-19℃)解得W水=3.548×106kg/h=3548t/h(2)根據熱平衡方程：40（4）求水的冷凝給熱系數=2284W/m2·℃

（3）計算三段冷卻中間的冷卻介質水的溫度：根據熱平衡方程：Q氨放熱=Q水吸熱Q1=W水Cp水(T2-T4)1.69×106kJ/h=3.548×106kg/h×4.2kJ/kg·℃×(21-T4)Q3=W水Cp水(T3-T1)1.41×106kJ/h=3.548×106kg/h×4.2kJ/kg·℃×(T3-19)解得：T4=20.5℃；T3=19.6℃（4）求水的冷凝給熱系數=2284W/m2·℃（3）計41計算各段K值：氨氣冷卻：K1=11.9W/m2·℃=42.7kJ/h·m2·℃氨氣冷凝：K2=740W/m2·℃=2666kJ/h·m2·℃液氨冷卻：K3=334W/m2·℃=1203kJ/h·m2·℃計算各段K值：氨氣冷卻：K1=11.9W/m2·℃=42.42求各段換熱面積：總面積S=S1+S2+S3=963+375+68=1406m2S實際=1.25S=1.25×1406=1758m2求各段換熱面積：總面積S=S1+S2+S3=963+375+43換熱器設計計算課件44熱交換器設計內容及要求

(1)設計方案簡介：選定適宜的流程方案和設備類型，初步確定工藝流程。對給定或選定的工藝流程、主要設備的型式進行簡要的論述。

(2)主要設備的工藝設計計算：包括工藝參數的選定、物料衡算、熱量衡算、設備的工藝尺寸計算及結構設計（包括列管排列結構或板式換熱器有效長寬或螺旋換熱器的結構尺寸）

(3)工藝流程簡圖：熱交換器見圖繪制，并標出物料流向、物料流量、能流量和進出口溫度

熱交換器設計內容及要求(1)設計方案簡介：選定適宜的流程45四、主要參考文獻1．柴誠敬，劉國維等．化工原理課程設計．天津：天津科學技術出版社，19942．黃潞，王保國．化工設計．北京：化學工業出版社，20013．匡國柱，史啟才．化工單元過程及設備課程設計．北京：化學工業出版社，20024．鄧建成．新產品開發與技術經濟分析．北京：化學工業出版社，20015．柴誠敬，張國亮．化工流體流動與傳熱．北京：化學工業出版社，2000四、主要參考文獻46換熱器設計計算課件47固定管板式固定管板式48浮頭式浮頭式49設計題目1處理量：2000kg/h，牛奶從20℃－95℃采用熱水加熱，進口溫度：120℃；出口溫度40℃牛奶壓力：0.3MPa水力：0.4MPa要求：確定冷卻水的流量和冷卻器的有效面積及結構尺寸（列管式：管長4.5m;板式：長寬比為3；螺旋板式：高1.5m）。并繪出冷卻器簡圖，標出進出口介質、介質溫度及流量。

列管尺寸?25×2mm；若為板式、螺旋板式，則板厚1mm。污垢熱阻均取0.0005m2·℃/W。設計題目1處理量：2000kg/h，50設計題目2處理量：4000kg/h，牛奶從20℃－95℃采用熱水加熱，進口溫度：125℃；出口溫度40℃牛奶壓力：0.3MPa水力：0.4MPa要求：確定冷卻水的流量和冷卻器的有效面積及結構尺寸（列管式：管長6m;板式：長寬比為3；螺旋式：高1.8m）。并繪出冷卻器簡圖，標出進出口介質、介質溫度及流量。列管尺寸?25×2mm；若為板式、螺旋板式，則板厚1mm。污垢熱阻均取0.0005m2·℃/W。設計題目2處理量：4000kg/h，51設計題目3處理量：5000kg/h，牛奶從25℃－95℃采用熱水加熱，進口溫度：121℃；出口溫度40℃牛奶壓力：0.3MPa水力：0.4MPa要求：確定冷卻水的流量和冷卻器的有效面積及結構尺寸（列管式：管長6m;板式：長寬比為3；螺旋式：高1.8m）。并繪出冷卻器簡圖，標出進出口介質、介質溫度及流量。列管尺寸?25×2mm；若為板式、螺旋板式，則板厚1mm。污垢熱阻均取0.0005m2·℃/W。設計題目3處理量：5000kg/h，52設計題目3處理量：6000kg/h，牛奶從22℃－93℃采用熱水加熱，進口溫度：125℃；出口溫度50℃牛奶壓力：0.3MPa水力：0.4MPa要求：確定冷卻水的流量和冷卻器的有效面積及結構尺寸（列管式：管長6m;板式：長寬比為3；螺旋式：高1.8m）。并繪出冷卻器簡圖，標出進出口介質、介質溫度及流量。列管尺寸?25×2mm；若為板式、螺旋板式，則板厚1mm。污垢熱阻均取0.0005m2·℃/W。設計題目3處理量：6000kg/h，53現要求將流量為20t/h、溫度85

℃、壓力1.5MPa的氨氣在氨冷器中冷卻到45℃

。冷卻操作采用進出口溫度分別為19℃

和23℃冷水為冷卻介質。確定完成上述冷卻任務所需的冷卻水流量和冷卻器總面積S及結構尺寸（列管式：管長4.5m;板式：長寬比為3；螺旋式：高1.5m）。并繪出冷卻器簡圖，標出進出口介質、介質溫度及流量。列管尺寸?25×2mm；若為板式、螺旋板式，則板厚1mm。污垢熱阻均取0.0005m2·℃/W。設計題目4現要求將流量為20t/h、溫度85℃、壓力1.5MPa的54現要求將流量為20t/h、溫度82

℃、壓力1.5MPa的氨在氨冷器中冷凝到45℃

。冷凝操作采用進出口溫度分別為17℃

和22℃冷水為冷卻介質。確定完成上述冷卻任務所需的冷卻水流量和冷卻器總面積S及結構尺寸（列管式：管長4.5m;板式：長寬比為3；螺旋式：高1.5m）。并繪出冷卻器簡圖，標出進出口介質、介質溫度及流量。列管尺寸?25×2mm；若為板式、螺旋板式，則板厚1mm。污垢熱阻均取0.0005m2·℃/W。設計題目4現要求將流量為20t/h、溫度82℃、壓力1.5MPa的55現要求將流量為15t/h、溫度45

℃、壓力1.5MPa的氨在氨冷器中冷凝到28℃

。冷凝操作采用進出口溫度分別為19℃

和23℃冷水為冷卻介質。確定完成上述冷卻任務所需的冷卻水流量和冷卻器總面積S及結構尺寸（列管式：管長4.5m;板式：長寬比為3；螺旋式：高1.5m）。并繪出冷卻器簡圖，標出進出口介質、介質溫度及流量。列管尺寸?25×2mm；若為板式、螺旋板式，則板厚1mm。污垢熱阻均取0.0005m2·℃/W。設計題目4現要求將流量為15t/h、溫度45℃、壓力1.5MPa的56現要求將流量為18t/h、溫度45

℃、壓力1.5MPa的氨在氨冷器中冷卻到32℃

。冷卻操作采用進出口溫度分別為19℃

和22℃冷水為冷卻介質。確定完成上述冷卻任務所需的冷卻水流量和冷卻器總面積S及結構尺寸（列管式：管長4.5m;板式：長寬比為3；螺旋式：高1.5m）。并繪出冷卻器簡圖，標出進出口介質、介質溫度及流量。列管尺寸?25×2mm；若為板式、螺旋板式，則板厚1mm。污垢熱阻均取0.0005m2·℃/W。設計題目5現要求將流量為18t/h、溫度45℃、壓力1.5MPa的57現要求將流量為15t/h、溫度45

℃、壓力1.5MPa的氨在氨冷器中冷卻到32℃

。冷卻操作采用進出口溫度分別為19℃

和22℃冷水為冷卻介質。確定完成上述冷卻任務所需的冷卻水流量和冷卻器總面積S及結構尺寸（列管式：管長4.5m;板式：長寬比為3；螺旋式：高1.5m）。并繪出冷卻器簡圖，標出進出口介質、介質溫度及流量。列管尺寸?25×2mm；若為板式、螺旋板式，則板厚1mm。污垢熱阻均取0.0005m2·℃/W。設計題目5現要求將流量為15t/h、溫度45℃、壓力1.5MPa的58換熱器設計計算換熱器設計計算59換熱器類型按結構分為5.1換熱器類型按用途分為：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器、再沸器

蓄熱器（蓄能器）換熱器類型5.1換熱器類型按用途分為：加熱器、冷卻器、冷凝60（一）間壁式換熱器

一、套管式換熱器（一）間壁式換熱器61二、管殼式換熱器

列管式換熱器固定管板式列管換熱器浮頭式列管換熱器U管式列管換熱器二、管殼式換熱器列管式換熱器固定管板式列管換熱器浮頭式列62單程列管式換熱器

單程列管式換熱器1—外殼2—管束3、4—接管5—封頭6—管板7—折流板單程列管式換熱器63雙程列管式換熱器

雙程列管式換熱器1—殼體2—管束3—擋板4—隔板雙程列管式換熱器雙64三、交叉流式換熱器蛇管式噴淋式三、交叉流式換熱器蛇管式噴淋式65換熱器設計計算課件66翅片式換熱器構造和工作原理

翅片式換熱器構造和工作原理67換熱器設計計算課件68四、板式換熱器四、板式換熱器69換熱器設計計算課件70三、螺旋板式換熱器三、螺旋板式換熱器71三、夾套式換熱器三、夾套式換熱器72

73??設計性熱計算目的在于確定換熱器的換熱面積F，接著要確定換熱器的結構尺寸（結構設計）。?

校核性熱計算針對現成的換熱器，其目的在于確定流體的出口溫度5.2換熱器設計計算基本原理5.2.1換熱器熱設計計算基本原理換熱器設計計算分為：熱設計計算、結構設計計算換熱器熱設計計算分：設計型熱計算

操作型熱計算??設計性熱計算目的在于確定換熱器的換熱面積F74

因此：

設計型——已知任務設備

操作型——已知一定設備預測、調節結果

1、設計型計算的命題給定生產任務：?1，T1T2(or?2，t1t2)

選擇工藝條件：t1，t2

計算目的：換熱器傳熱面積A（管子規格，根數）；?2

特點：結果的非唯一性。

752、設計計算公式：

質量衡算：?1

?2

?n

=?

dn

=?

熱量衡算：Q=?1Cp1(T1-T2)=?2Cp2(t2-t1)

傳熱速率式：Q=KAtm2、設計計算公式：76

注意：計算單位要統一熱量：由于溫差的存在會導致能量的交換。

該交換過程稱為熱交換或熱傳遞。

熱量的國際單位：焦耳（J）或常用單位：卡（cal）。換算關系：1cal=4.19J比熱：比熱容的簡稱。

國際單位J/(kg·K)。常用單位：kJ/(kg·℃)

kcal/(kg·℃)等。傳熱系數K值：是指在穩定傳熱條件下，物體兩側溫差為1度（K

或℃）、1秒內通過1平方米面積傳遞的熱量。

單位：瓦/平方米·度（W/㎡·K），K可用℃代替）。注意：計算單位要統一熱量：由于溫差的存在會導致能量的77平均溫差：式中：（對數平均數）Δt1—進口處冷熱物質溫差/℃;Δt2—出口處冷熱物質溫差/℃當Δt1≤2Δt2時，對數平均數與算術平均數相差小于4％，此時為了方便，可取算數平均數：

3、tm的計算方法：平均溫差：式中：（對數平均數）Δt1—進口處冷熱物質溫差/78xTTh

Tc

DT1DT2并流逆流xTThTcDT1DT2并流逆流79換熱器設計計算課件80

當一側流體變溫，另一側恒溫時，不論并流或逆流，其平均溫差相等；當兩側流體均變溫時，并流和逆流的平均溫差不等，通常是：

在生產中，換熱器多采用逆流操作。只有對熱敏性物料加熱時，因物料出口溫度有限制，才采用并流操作。在換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數K值相同的條件下，采用逆流操作，可以節省傳熱面積，而且可以節省加熱介質或冷卻介質的用量。當一側流體變溫，另一側恒溫時，不論并流或逆流81套管式換熱器的面積，S=πd內L列管式換熱器的面積，S=nπdnL蛇管式(包括噴淋式)換熱器的面積，S=πdL4、換熱器面積計算：套管式換熱器的面積，S=πd內L列管式換熱器的面積，S825、總傳熱系數K的計算K的來源：

（1）生產實際的經驗數據

在有關傳熱手冊和專著中載有某些情況下K的經驗數值，但應選用工藝條件接近、傳熱設備類似的較為成熟的經驗K值作為設計依據，下表列出了一些條件下經驗K值的大致范圍，供設計時參考。總傳熱系數K是表示換熱設備性能好壞的重要參數，也是傳熱計算中重要的依據。5、總傳熱系數K的計算K的來源：

總傳熱系數K是表示換熱設備83列管換熱器總傳熱系數K的經驗數據流體種類總傳熱系數K[W/(m2·K)]水—氣體12~60水—水800~1800水—煤油350左右水—有機溶劑280~850氣體—氣體12~35飽和水蒸氣—水1400~4700飽和水蒸氣—氣體30~300飽和水蒸氣—油60~350飽和水蒸氣—沸騰油290~870列管換熱器總傳熱系數K的經驗數據流體種類總傳熱系數K[84⑵實驗測定通過實驗測定現有換熱器的流量和溫度，由傳熱基本方程計算K值：實驗測定可以獲得較為可靠的K值。由計算方法得到的K值往往與查取的和實測的K值相差較大。這主要是由于計算給熱系數h的關聯式有一定誤差以及污垢熱阻不易估計準確等原因所致。因此，使用計算的K值時應慎重，最好與另外兩種方法作對照，以確定合理的K值。⑵實驗測定通過實驗測定現有換熱器的流量和溫度，由85（3）分析計算式中：hi—管內流體對流給熱系數[W/m2·℃]；ho—管外流體對流給熱系數[W/m2·℃]

;λ—管材導熱系數[W/m·℃]

;b—管壁厚度[m];Ri—管內污垢熱阻[(m2℃)/w];R0—管外污垢熱阻[(m2℃)/w]流體在管內做湍流時h的表達式：式中：λ—流體導熱系數[W/m·℃]，d—管徑[m]，u—流速[m/s]，ρ—密度[kg/m3]，μ—粘度[Pa·S]，Cp—比熱[J/kg·℃]，n值視熱流方向而定，當流體被加熱n=0.4，被冷卻時n=0.3（3）分析計算式中：hi—管內流體對流給熱系數[W/m2·86流體種類污垢熱阻m2·℃/W流體種類污垢熱阻m2·℃/W水(u<1m/s,t<50℃)

蒸氣

海水0.0001有機蒸汽0.0002河水0.0006水蒸氣(不含油)0.0001井水0.00058水蒸氣廢氣(含油)0.0002蒸餾水0.0001制冷劑蒸汽(含油)0.0004鍋爐給水0.00026氣體

未處理的涼水塔用水0.00058空氣0.0003經處理的涼水塔用水0.00026壓縮氣體0.0004多泥沙的水0.0006天然氣0.002鹽水0.0004焦爐氣0.002污垢熱阻的大致數值流體種類污垢熱阻流體種類污垢熱阻水(u<1m/s,t87板式換熱器的計算是一個比較復雜的過程，目前比較流行的方法是對數平均溫差法和NTU法。在計算機沒有普及時，大多采用計算參數近似估算和流速-總傳熱系數曲線估算方法。

目前，越來越多的采用計算機計算。這樣，板式換熱器的工藝計算變得快捷、方便、準確。

以下簡要說明無相變時板式換熱器的一般計算方法。該方法是以傳熱和壓降準則關聯式為基礎的設計計算方法。

5.2.2板式換熱器的計算方法板式換熱器的計算是一個比較復雜的過程，目前比較流88總傳熱量(單位:kW).

一次側、二次側的進出口溫度

一次側、二次側的允許壓力降

最高工作溫度

最大工作壓力以下五個參數在板式換熱器的選型計算中是必須的：

如果已知傳熱介質的流量、比熱容以及進出口的溫度差，總傳熱量即可計算得出。總傳熱量(單位:kW).

以下五個參數在板式換熱器的選型計算89T1

=熱流體側進口溫度t1

=冷流體側進口溫度1、溫度熱流量衡算式反映兩流體在換熱過程中溫度變化的相互關系，在換熱器保溫良好，無熱損失的情況下，對于穩態傳熱過程，其熱流量衡算關系為：

在進行熱衡算時，對有、無相變化的傳熱過程其表達式又有所區別。對無相變化傳熱過程：

T2

=熱流體側出口溫度

t2

=冷流體側出口溫度

Q=?1Cp1(T1-T2)=?2Cp2(t2-t1)2、熱負荷（熱流體放出的熱流量）=（冷流體吸收的熱流量）T1=熱流體側進口溫度1、溫度熱流量衡算式90換熱器設計計算課件91一、傳熱強化的原則目的:在減少或不變傳熱面積的前提下，增加傳熱量;有時又可降低高溫部件的溫度。原則:哪個環節的熱阻大，就對哪個環節采取強化措施。5.2.3傳熱強化

實踐證明，傳熱速率的數值與熱流體和冷流體之間的溫度差△tm及傳熱面積S成正比，即：

Q=KS△tm=△tm/(1/KS)=推動力/阻力

傳熱強化就是要：提高傳熱動力，降低傳熱阻力一、傳熱強化的原則目的:在減少或不變傳熱面積的前提下，增加傳92二、傳熱的強化方式（1）增大傳熱系數（降低熱阻）提高K值，必須設法提高冷熱流體的兩個給熱系數，降低間壁熱阻和污垢熱阻，但應分清矛盾的主次，重點放在薄弱環節上。對于金屬壁面，導熱一般不構成主要熱阻，垢層熱阻隨使用時間的延長而變大，往往成為控制傳熱速率的主要因素，防止結垢和除垢是保證換熱器正常工作的重要措施。當污垢也不構成影響傳熱的主要因素時，則間壁兩側的對流傳熱熱阻就構成問題的主要方面，若兩個h存在數量級的差別時，傳熱的薄弱環節處在較小h一方，應設法增加小h的數值，若兩個h數值相近，應同時予以提高。二、傳熱的強化方式（1）增大傳熱系數（降低熱阻）提高K值，必93（2）增大熱、冷流體間的平均溫差

在生產上常常采用增大溫差的方法來強化傳熱：1）用飽和蒸氣作加熱介質，通過增加蒸汽壓力來提高蒸汽溫度；2）在水冷器中降低水溫以增大溫差；3）冷熱兩流體進出口溫度固定不變，逆流操作增加傳熱溫差。問題：溫差越大傳熱效率越高嗎？但在大多數情況下：1）物料的溫度是由工藝條件給定的，不能任意變動；2）加熱劑(或冷卻劑)的進口溫度往往也是不能改動的；3）冷卻水的初溫決定于環境氣候，出口溫度雖可通過增大水流量而降低，但流動阻力迅速增加，操作費用升高；

由熱力學第二定律，傳熱溫差越大，有效能損失越大。于是，非但不能增大溫差，有時還要減小溫差，以降低有效能損失。（2）增大熱、冷流體間的平均溫差在生產上常常采用增大溫差的94換熱面積計算實例【例】已知：水的導熱系數λ水=0.6W/m·℃，列管管徑d=0.02m，壁厚b=0.0025m，水的流速u=0.5m/s，水的密度ρ=1000kg/m3，水的粘度μ=1.11×10-3Pa·S，水的比熱Cp=4.2×103J/kg·℃。氨氣對流給熱系數h1=12W/m2·℃，氨冷凝成液體時對流給熱系數h2=2800W/m2·℃，液氨對流給熱系數h3=500W/m2·℃，鋼管導熱系數λ鋼=45W/m·℃，污垢熱阻取0.0005m2·℃/W現要求將流量為20t/h、溫度85℃、壓力1.6MPa的氨氣在氨冷器中冷凝成30℃

的液氨。冷凝操作采用進出口溫度分別為19℃

和21℃冷水為冷卻介質和列管式冷凝器（見下圖）。確定完成上述冷卻任務所需的冷卻水流量和冷卻器總面積S。若氨氣冷卻器列管長度為7m，氨液化器列管長為4m，液氨冷卻器列管長3m。設計列管根數。換熱面積計算實例【例】已知：水的導熱系數λ水=0.6W/m·95[分析]:因氨氣在1.6MPa壓力下的液化溫度為45℃

，所以氨氣冷凝成液氨，需要經過三個階段（見下圖）。故該冷凝生產任務可設計成三段式冷凝器，及使用三個冷凝器，進行串聯冷凝。[分析]:因氨氣在1.6MPa壓力下的液化溫度為45℃96[解]:(1)查氨的物性參數：1.6MPa的氨氣飽和溫度為45℃，冷凝潛熱r=1336.97kJ/kg氨氣比熱Cpg=2.112kJ/kg·℃，液氨比熱Cpl=4.708kJ/kg·℃冰機制冷量等于氨液化的放熱量，氨液化放熱分三部分：氣氨冷卻至45℃+氣氨在45℃下冷凝潛熱+液氨從45℃冷卻至30℃Q1=WCpg

(t1-t2)=20000×2.112×(85-45)=1.69×106kJ/hQ2=Wr=20000×1336.97=2.67×107kJ/hQ3=WCpl(t2-t3)=20000×4.708×(45-30)=1.41×106kJ/hQ=Q1+Q2+Q3=2.98×107kJ/h=8.3MW[解]:(1)查氨的物性參數：97(2)根據熱平衡方程：Q放熱=Q吸熱

Q氨放熱=Q水吸熱=W水Cp水(T2-T1)

已知水的比熱為4.2kJ/kg·℃，進出口溫度分別為19℃和21℃

2.98×107kJ/h=W水×4.2kJ/kg·℃×(21℃-19℃)解得W水=3.548×106kg/h=3548t/h(2)根據熱平衡方程：98（4）求水的冷凝給熱系數=2284W/m2·℃

（3）計算三段冷卻中間的冷卻介質水的溫度：根據熱平衡方程：Q氨放熱=Q水吸熱Q1=W水Cp水(T2-T4)1.69×106kJ/h=3.548×106kg/h×4.2kJ/kg·℃×(21-T4)Q3=W水Cp水(T3-T1)1.41×106kJ/h=3.548×106kg/h×4.2kJ/kg·℃×(T3-19)解得：T4=20.5℃；T3=19.6℃（4）求水的冷凝給熱系數=2284W/m2·℃（3）計99計算各段K值：氨氣冷卻：K1=11.9W/m2·℃=42.7kJ/h·m2·℃氨氣冷凝：K2=740W/m2·℃=2666kJ/h·m2·℃液氨冷卻：K3=334W/m2·℃=1203kJ/h·m2·℃計算各段K值：氨氣冷卻：K1=11.9W/m2·℃=42.100求各段換熱面積：總面積S=S1+S2+S3=963+375+68=1406m2S實際=1.25S=1.25×1406=1758m2求各段換熱面積：總面積S=S1+S2+S3=963+375+101換熱器設計計算課件102熱交換器設計內容及要求

(1)設計方案簡介：選定適宜的流程方案和設備類型，初步確定工藝流程。對給定或選定的工藝流程、主要設備的型式進行簡要的論述。

(2)主要設備的工藝設計計算：包括工藝參數的選定、物料衡算、熱量衡算、設備的工藝尺寸計算及結構設計（包括列管排列結構或板式換熱器有效長寬或螺旋換熱器的結構尺寸）

(3)工藝流程簡圖：熱交換器見圖繪制，并標出物料流向、物料流量、能流量和進出口溫度

熱交換器設計內容及要求(1)設計方案簡介：選定適宜的流程103四、主要參考文獻1．柴誠敬，劉國維等．化工原理課程設計．天津：天津科學技術出版社，19942．黃潞，王保國．化工設計．北京：化學工業出版社，20013．匡國柱，史啟才．化工單元過程及設備課程設計．北京：化學工業出版社，20024．鄧建成．新產品開發與技術經濟分析．北京：化學工業出版社，20015．柴誠敬，張國亮．化工流體流動與傳熱．北京：化學工業出版社，2000四、主要參考文獻104換熱器設計計算課件105固定管板式固定管板式106浮頭式浮頭式107設計題目1處理量：2000kg/h，牛奶從20℃－95℃采用熱水加熱，進口溫度：120℃；出口溫度40℃牛奶壓力：0.3MPa水力：0.4MPa要求：確定冷卻水的流量和冷卻器的有效面積及結構尺寸（列管式：管長4.5m;板式：長寬比為3；螺旋板式：高1.5m）。并繪出冷卻器簡圖，標出進出口介質、介質溫度及流量。

列管尺寸?25×2mm；若為板式、螺旋板式，則板厚1mm。污垢熱阻均取0.0005m2·℃/W。設計題目1處理量：2000kg/h，108設計題目2處理量：4000kg/h，牛奶從20℃－95℃采用熱水加熱，進口溫度：125℃；出口溫度40℃牛奶壓力：0.3MPa水力：0.4MPa要求：確定冷卻水的流量和冷卻器的有效面積及結構尺寸（列管式：管長6m;板式：長寬比為3；螺旋式：高1.