工程实用|换热器传热性能评价与计算方法

总传热系数是描述传热过程强弱的物理量，传热系数越大，传热热阻越小，则传热效果越好。在工程上总传热系数是评价换热器传热性能的重要参数，也是对传热设备进行工艺计算的依据。影响传热系数K 值的因素主要有换热器的类型、流体的种类和性质以及操作条件等。获取传热系数的方法主要有以下几种。

( 一) 总传热系数的计算

1.总传热系数的计算公式 前已述及，间壁式换热器中，热、冷流体通过间壁的传热由热流体的对流传热、固体壁面的导热及冷流体的对流传热三步串联过程。对于稳定传热过程，各串联环节传热速率相等，过程的总热阻等于各分热阻之和，可联立传热基本方程，对流传热速率方程及导热速率方程得出:

上式即为计算K 值的基本公式。计算时，等式左边的传热面积A 可分别选择传热面( 管壁面) 的外表面积Ao 或内表面积Ai 或平均表面积Am，但传热系数K 必须与所选传热面积相对应。

若A 取Ao，则有

同理，若A 取Ai，则有

若A 取Am，则有

式中:Ao、Ai、Am——传热壁的外表面积、内表面积、平均表面积，m2;

Ki、Ko、Km——基于Ao、Ai、Am 的传热系数，W/( m2·K) 。

2.污垢热阻的影响 换热器在实际操作中，传热壁面常有污垢形成，对传热产生附加热阻，该热阻称为污垢热阻。通常污垢热阻比传热壁面的热阻大得多，因而在传热计算中应考虑污垢热阻的影响。

影响污垢热阻的因素很多，主要有流体的性质、传热壁面的材料、操作条件、清洗周期等。由于污垢热阻的厚度及导热系数难以准确地估计，因此通常选用经验值，表2 -8 列出于一些常见流体的污垢热阻Rs 的经验值。

表2-8　常见流体的污垢热阻

续表

设管内、外壁面的污垢热阻分别为RSi、RSo，根据串联热阻叠加原理，则式传热系数Ko 的计算公式可写为:

上式表明，间壁两侧流体间传热总热阻等于两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻及管壁导热热阻之和。(www.xing528.com)

应予指出，在传热计算中，选择何种面积作为计算基准，结果完全相同。但工程上，大多以外表面积为基准，除特别说明外，手册中所列K 值都是基于外表面积的传热系数，换热器标准系列中的传热面积也是指外表面积。因此，传热系数K 的通用计算式为上式，此时，传热基本方程式的形式为:

若传热壁面为平壁或薄管壁时，Ao、Ai、Am 相等或近似相等，则上式可简化为

【例2 -5】有一用φ25mm×2.5mm 无缝钢管制成的列管换热器，λ=45W/( m·K) ，管内通以冷却水，αi =1000W/( m2·K) ，管外为饱和水蒸气冷凝，αo =10000W/( m2·K) ，污垢热阻可以忽略。试计算:(1) 传热系数K;(2) 将αi 提高一倍，其他条件不变，求K 值;(3) 将αo 提高一倍，其他条件不变，求K 值。

(2) 将αi 提高一倍，即αi′ =2000W/( m2·K)

(3) 将αo 提高一倍，即α′o =20000W/( m2·K)

( 二) 总传热系数的现场测定

对于已有换热器，传热系数K 可通过现场测定法来确定。具体方法如下:

①现场测定有关的数据( 如设备的尺寸、流体的流量和进出口温度等) 。

②根据测定数据求得传热速率Q、传热温度差Δtm 和传热面积A。

③由传热基本方程计算K 值。

这样得到的K 值可靠性较高，但是其使用范围受到限制，只有与所测情况相一致的场合( 包括设备的类型、尺寸、流体性质、流动状况等) 才准确。但若使用情况与测定情况相似，所测K 值仍有一定参考价值。

实测K 值，不仅可以为换热器计算提供依据，而且可以帮助分析换热器的性能，以便寻求提高换热器传热能力的途径。

在换热器的工艺设计过程中，由于换热器的尺寸未知，因此传热系数K 无法通过实测或计算公式来确定。此时，K 值通常借助工具手册选取。表2 -9 列出了列管换热器对于不同流体在不同情况下的传热系数的大致范围，供读者参考。

表2-9　列管换热器中K 值的大致范围

想一想 由表2 -9 可见，K 值的变化范围很大，如何从操作实际情况及经济性等方面考虑，合理地确定K 值?