8.2 工业炉用热交换装置——换热器设计计算在线视频

同学们好

我是来自武汉科技大学

材料与冶金学院的许学成

上一次课我们认识了换热器

这种设备

今天 我们来继续学习

换热器的设计与计算过程

通过上面的讲述可以看到

在工业炉窑领域

换热器的使用是广泛存在的

在当前的工业生产实际中

可以说是必须的

因此 需要我们学会设计一台换热器

换热器设计计算用到的知识

主要是传热学和流体力学

这两门课程是我们

能源与动力工程专业必修的专业课

我们在之前的课程中已经学习过

在学习换热器设计计算之前

我们先看一下

设计一台换热器我们希望

做到哪些要求

首先 我们希望这台换热器

必须满足换热要求

也就是必须要满足目标流体

进出换热器要达到的温度

不管目标流体被加热还是被冷却

出换热器时都要达到指定的温度值

第二 满足需要的前提下

我们希望达到一些附加的要求

如结构和制造比较简单

安装和维修比较方便

结构紧凑 并且节省安装空间等等

最后 我们还希望

换热器在运行过程中成本不要太高

这就是所谓的阻力损失要求

如果一个流体流经换热器

它的阻力损失太大

就需要用比较高的动力

去驱动这个流体

因此 为了不增加运行成本

我们一般希望阻力损失不要太大

或者要满足动力驱动装置的能力

这个驱动装置在工业中

一般指的是风机或者水泵

带着这些目的

接下来我们来学习

换热器设计计算的内容

换热器的设计计算主要包括

以下几个部分

热计算 结构计算 流动阻力计算

和强度计算

这其中 强度计算的内容

是偏机械专业的

因此 我们主要学习前三个计算内容

首先 我们看一个传热学中最基本的

传热方程式

Q=KF△tm

这个公式是传热学课程里面的

基本公式

里面的物理量我们在这里

就不一一讲述了

这个公式我们可以用一句话概括

在给定的温差情况下

为了获得一定的传热量

需要的传热面积与传热面上的

传热系数成反比

传热系数高

我们需要的换热面积就小

反之 需要的换热面积就越大

把这句话借用到换热器设计上来说

我们可以进行如下表述

在一定的温差情况下

为了设计一台满足给定传热效果的

换热器

需要我们给出不同的设计方案

每一个设计方案对应的传热系数

越高

我们就能够设计出传热面积越小

也就是越紧凑的换热器

因此 我们设计换热器追求的效果

就是选择一种设计方案

在满足传热效果的前提下

传热系数越高越好

因为高的传热系数也就意味着

少的传热面积

同时 它就意味着材料消耗少

造价低 结构紧凑

但是在这里 我们需要明确的一点

就是所谓设计

它是设计人员专业知识

和主观喜好的结合

在满足同样需求的前提下

100位设计人员

可能有100种设计方案

好 接下来我们来学习

换热器设计计算的过程

设计一台换热器

我们首先要明确设计要求

也就是说

我们要设计一台具有多大

换热能力的换热器

这里的换热能力

就是基本传热方程式里面的Q

它的计算是比较简单的

公式如下

也就是Q=cm△t

在这个式子中

c指的是流体的比热

m指的是流体的质量流量

△t指的是流体的温差变化

这个公式我们在中学物理中

就已经学到过

但是 我们在这里需要指的是

这里的物理量指的都是针对

目标流体

这个公式就表示了

我们希望一定量的目标流体

完成一定的温度变化

需要传递的热量

比如 我们希望将

一个立方米每小时的水

从20摄氏度加热到50摄氏度

我们将相关的参数代入这个公式

就可以算出需要传递的热量

这个需要传递的热量从哪里来

或者说 目标流体释放的热量

到哪里去呢

如果目标流体是被加热的

就需要其他的流体传递热量给它

这个时候目标流体是冷流体

其他流体就是热流体

反过来 如果目标流体是被冷却的

需要将热量释放给其他流体

这个时候目标流体就是热流体

其他流体就是冷流体

在换热器的设计过程中

我们一般会给出另外一种流体的

流量和进口温度

根据热量平衡

我们就能计算出另一种流体的

进出口温度

热平衡方程式如PPT所示

这个公式是我们比较熟悉的

在此我们就不做详细介绍了

以上 我们计算出了

基本传热方程式中的Q

同时 附加计算出了冷流体

和热流体的进出口温度

冷流体和热流体的质量流量

在前面我们已经讲过了是已知的

接下来 我们计算

基本传热方程式中的第二个量

传热温差△t

在换热器设计计算中

我们一般采用对数平均温差

根据传热学的知识

纯顺流或者纯逆流情况下的

对数平均温差计算公式如下

这个公式是传热学中的公式

各个物理量的含义

以及推导过程我们在这里不再详述

但是我们可以看到

这个公式需要知道4个温度值

分别是冷流体的进出口温度

热流体的进出口温度

而这4个温度

前面我们已经利用热平衡方程式

计算出来了

需要说明的是

在工程实际当中

纯顺流或者纯逆流是很难实现的

而错流和混流这是经常出现的

为了计算实际流动情况下的

对数平均温差

我们引用了一个修正系数

修正系数的取值我们可以查图得到

在我们设计的时候

根据实际的流动方式

可以查询相关的专业书籍

就可以得到这个修正系数的取值

将修正系数乘以前面我们计算的

对数平均温差

就可以得到实际情况下的传热温差

至此 我们解决了

基本传热方程式的第二个量

传热温差△t

前面两个量

在给定设计要求的情况下

我们可以认为是已知量

不同的换热器设计方案

这两个量基本都是相同的

接下来 还有两个未知量

传热系数k和传热面积F

这两个量是相互关联的

也是体现设计人员设计水平的地方

因为 不同的设计方案

对应不同的传热系数

而不同的传热系数

则对应了不同的传热面积

设计方案的不同

主要体现在以下几个方面

选定什么材质和什么直径的换热管

选定多少数量的换热管

换热管的排布方式与排布间距

对于翅片式换热器

我们还要考虑

我们选择什么材质

什么形状 什么规格的翅片

对于设计人员可以参考经验

或理论取值范围

先选定一种方案

在这里 需要注意的是

当我们选定一种方案后

这个方案对应的实际面积

就已经可以计算出来了

比如 如果我们选定100根

直径是25mm 长度是1m的换热管

这些换热管对应的表面积

是可以计算得到的

然后 我们计算这种方案

对应的传热系数

并结合基本传热方程式

计算出所需要的传热面积

如果我们选定的方案

实际能够提供的传热面积

大于需要的传热面积

就说明这个方案是可行的

但是我们需要注意的是

可行的不代表最优的

如果我们还能找到更优的可行方案

就将更优的方案作为最终方案

所以 换热器的设计不是一蹴而就的

需要设计人员多尝试几种方案

从这几种方案里面

选择一个比较优秀的方案

作为最终方案

关于每一种设计方案下

传热系数的计算

我们在这里仅仅简单介绍一下

它的计算过程

在换热器里面

传热系数分管程和壳程

分别进行计算

具体的计算公式我们可以查询

相关的书籍

在分别计算完管程和壳程的

传热系数后

我们将这两个传热系数

折算为综合传热系数

这个综合传热系数

才是基本传热方程式中的K

最后 我们要计算选定的设计方案

对应的阻力损失

前面我们已经讲过

阻力损失越大

换热器的运行成本越高

但是 具体阻力损失多大

才能满足我们的要求呢

这个情况 我们一般要看换热器

安装场合的动力装置的能力

这个动力装置一般指的是

风机 水泵等等

所以 我们在给定

换热器的设计参数时

一般都会根据现场动力装置的能力

提出一个阻力损失上限

我们选定的设计方案

要低于这个限定值

否则 即使传热系数和传热面积

满足了要求 也要重新调整方案

关于阻力损失的计算公式

同样 可以查询流体力学等相关书籍

大家找到正确的公式

按照公式计算出结果就可以

下面 我们对换热器的设计计算

做一个总结

我们设计换热器的目的

是设计一台换热器

这个换热器既能满足热量传递要求

又能满足动力装置的驱动能力

为了设计这台换热器

我们需要遵循以下步骤

第一 我们要获得设计参数

第二 我们要根据设计参数

计算出传热量Q

以及冷热流体的进出口温度值

第三 我们根据冷热流体进出口

温度值

可以计算出对数平均温差

并根据实际情况

查询温差修正系数

利用这个系数来计算实际的

传热温差△t

第四 选定流动方式

这个流动方式也就是总体上是逆流

或者顺流

第五 根据经验或者理论的取值范围

先选定一种设计方案

然后我们计算这个设计方案下的

实际传热面积F和综合传热系数K

第六 根据基本的传热方程式

计算所需要的传热面积

然后 我们将实际传热面积

与需要的热面积进行比较

如果符合 我们来进行流体的

阻力损失计算

如果不符合

我们就需要调整设计方案

从前面讲的第五步开始重复

直到设计方案是可行为止

第七 我们来计算流体的阻力损失

阻力损失要低于设计参数

给定的限值

如果不符合

我们依然要调整设计方案

从第五步开始重复

第八 在满足阻力损失的情况下

我们要调整设计方案

设计方案调整的原则

就是使得传热系数越大越好

最后 我们选传热系数最大的

设计方案作为最终方案

同学们 这次课我们学习了

换热器的设计计算过程

换热器作为工业炉窑领域

使用比较广泛的换热装置

今后 我们在工作和学习中

会经常遇到

希望大家能够学以致用

谢谢大家