化工过程计算：换热器传热系数的计算

一、引言

在化工过程中，换热器是一种极为重要的设备，它用于实现热量的传递，以满足不同工艺过程的需求。传热系数是衡量换热器性能的关键参数之一，准确计算传热系数对于换热器的设计、选型以及操作优化都具有至关重要的意义。本文将深入探讨换热器传热系数的计算方法，并结合实际案例进行详细分析。

二、传热系数的基本概念

（一）传热基本方式 热量传递主要有三种基本方式：传导、对流和辐射。在换热器中，通常以传导和对流为主。传导是通过物质的分子、原子或电子的热运动来传递热量，而对流则是由于流体的宏观运动引起的热量传递。

（二）传热系数的定义 传热系数（K）表示单位时间、单位面积上，冷热流体之间温差为1K时所传递的热量，单位为W/(m²·K)。它综合反映了换热器壁面两侧流体的传热能力以及壁面的导热能力。

根据传热的基本公式：Q = KAΔT 其中，Q为传热量（W），A为传热面积（m²），ΔT为冷热流体的平均温差（K）。

三、传热系数的计算方法

（一）总传热系数的计算公式 对于一个简单的间壁式换热器，总传热系数K可以通过以下公式计算：

  1. 基于热阻概念的公式
    • 对于平壁换热器： 其中，和分别为壁面两侧流体的对流传热系数（W/(m²·K)），为壁面的厚度（m），为壁面材料的导热系数（W/(m·K)）。
    • 对于圆筒壁换热器： 其中，和分别为圆筒壁的内径和外径（m）。
  2. 经验公式
    • 在一些特定的化工过程和换热器类型中，也可以使用经验公式来计算传热系数。例如，对于管壳式换热器中的某些常见工况，有经验公式： 其中，为雷诺数，为普朗特数，、、为根据实验数据确定的常数。

（二）各参数的确定方法

  1. 对流传热系数的计算
    • 对于强制对流：
      • 当流体在圆形直管内作湍流流动时，可以使用迪图斯 - 贝尔特（Dittus - Boelter）公式： 其中，为努塞尔数，为管径（m），（对于加热）或（对于冷却）。 由此可计算出对流传热系数。
    • 对于自然对流：
      • 可以使用格拉晓夫数（Gr）和普朗特数（Pr）相关的公式。例如，对于垂直平板的自然对流，当时， 然后再根据计算对流传热系数，其中为特征长度（m）。
  2. 导热系数的确定
    • 对于金属材料，导热系数可以通过查阅材料手册获取。例如，铜的导热系数约为380 - 400W/(m·K)，铝的导热系数约为200 - 240W/(m·K)。
    • 对于非金属材料，如陶瓷、塑料等，也可以通过手册查找，同时一些材料的导热系数还会随温度等因素而变化。

四、影响传热系数的因素

（一）流体的性质

  1. 流体的种类
    • 不同种类的流体具有不同的热物理性质，如导热系数、比热容、粘度等。例如，水的导热系数比油高，在相同的操作条件下，以水为流体的换热器传热系数会比以油为流体的高。
  2. 流体的温度和压力
    • 温度和压力会影响流体的密度、粘度等性质，进而影响对流传热系数。一般来说，温度升高，气体的粘度增大，液体的粘度减小；压力增大，气体的密度增大。

（二）换热器的结构

  1. 管径和管长
    • 管径越小，对流传热系数越大，但同时会增加流体的阻力。管长增加会增加传热面积，但也会增加流体的压力降。
  2. 管束排列方式
    • 在管壳式换热器中，管束的排列方式（如正三角形、正方形排列等）会影响壳程流体的流动状态，从而影响传热系数。正三角形排列时，壳程流体的湍动程度较高，传热系数相对较大。

（三）操作条件

  1. 流速
    • 流速增大，对流传热系数增大，但同时也会增加流体的动力消耗。在设计换热器时，需要在传热效果和动力消耗之间进行权衡。
  2. 污垢热阻
    • 随着换热器的运行，壁面会逐渐形成污垢层，污垢的导热系数很低，会大大增加热阻，降低传热系数。因此，需要定期对换热器进行清洗。

五、案例分析

（一）问题描述 某化工企业有一个管壳式换热器，用于将一种高温有机液体冷却。已知有机液体走管程，冷却水走壳程。有机液体的流量为，进口温度为，出口温度要求为。冷却水的进口温度为，流量为。换热器的管径为，管长为，管数为100根，管壁厚度为，管壁材料为不锈钢，其导热系数为。计算该换热器的传热系数。

（二）计算步骤

  1. 确定流体的物性参数
    • 首先，根据已知的温度和流体种类，查阅相关手册确定有机液体和冷却水的物性参数，如密度、比热容、导热系数、粘度等。
    • 对于有机液体，假设在平均温度下，密度，比热容，导热系数，粘度。
    • 对于冷却水，在平均温度下，密度，比热容，导热系数，粘度。
  2. 计算对流传热系数
    • 管程有机液体：
      • 计算管内流速，其中，（考虑管壁厚度），，计算可得。
      • 计算雷诺数，代入数据可得，为湍流。
      • 使用迪图斯 - 贝尔特公式计算努塞尔数，其中，计算可得，（加热），则。
      • 计算对流传热系数。
    • 壳程冷却水：
      • 采用合适的壳程对流传热系数计算方法（如根据壳程结构和流体流动状态的关联式），假设计算得到。
  3. 计算传热系数
    • 根据圆筒壁换热器的传热系数公式，其中，，，，。
    • 先计算，，。
    • 则。

（三）结果分析

  1. 从计算结果可以看出，该换热器的传热系数相对较低。这可能是由于管程有机液体的对流传热系数较低，限制了整体的传热性能。
  2. 可以考虑通过提高管程流速、优化管束排列方式或者选择更合适的管壁材料等方法来提高传热系数，以满足工艺要求。

六、结论

在化工过程中，换热器传热系数的计算是一个复杂但非常重要的工作。准确计算传热系数需要考虑流体性质、换热器结构和操作条件等多方面因素。通过本文介绍的理论公式和计算方法，并结合实际案例的分析，希望能为化工工程师在换热器的设计、选型和操作优化方面提供有益的参考，以提高化工过程的能量利用效率和生产效益。同时，在实际工程应用中，还需要不断积累经验数据，进一步完善传热系数的计算方法，以适应不同的化工工艺需求。