CN111274672B - 2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法 - Google Patents
2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111274672B CN111274672B CN202010012698.4A CN202010012698A CN111274672B CN 111274672 B CN111274672 B CN 111274672B CN 202010012698 A CN202010012698 A CN 202010012698A CN 111274672 B CN111274672 B CN 111274672B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- heat
- heat transfer
- heat capacity
- cold
- heat exchanger
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012546 transfer Methods 0.000 title claims abstract description 66
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 38
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 22
- 239000013256 coordination polymer Substances 0.000 abstract 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012824 chemical production Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
一种2‑4型管壳式换热器的显式传热计算方法，包括以下步骤：步骤1.计算出热容流率之比R；步骤2.计算出G参数；步骤3.计算D参数；步骤4计算出2‑4型管壳式换热器的有效因子P2‑4；步骤5.求出温差修正系数FT；步骤6.求出X参数；步骤7.求出热、冷物流的出口温度TH2，TC2；步骤8.根据热平衡方程，根据热流体的热容流率CPH或冷流体的热容流率CPC，热/冷物流的进出口温度TH1，TH2或者TC1，TC2，求解换热器的传热量Q。本发明基于热量守恒关系和传热过程方程，对各种参数之间的关系进行数学推导，从而建立了一种不依赖出口温度的显式传热计算方法，特别适合于操作型传热问题的求解。
Description
技术领域
本发明涉及换热器的传热计算方法，尤其涉及一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法。
技术背景
换热器是化工、石油、钢铁、汽车、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。尤其在化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。其中管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，它是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有的换热器中占据主导地位。
传统的传热计算方法主要是两种，对数平均温差法(LMTD法)和传热效率-传热单元数法(ε-NTU法)。当换热器中的冷热物流进口温度或者其他操作条件发生变化时，如果采用对数平均温差法，需要通过试算法假设出口温度，从相应的温差修正系数图中查询得到温差修正系数FT，再根据纯逆流对数平均温差与温差修正系数计算平均传热温差，再校核热负荷是否前后一致，计算过程繁琐，精度差、效率低，不便使用；如果采用传热效率-传热单元数法，则需要已知传热效率与传热单元数之间的函数关系，对纯逆流、并流换热以外的各种流动型式，传热效率-传热单元数之间的解析关系难以获得，无法使用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法，本方法基于热量守恒关系和传热过程方程，对各种参数之间的关系进行数学推导，从而建立了一种不依赖出口温度的显式传热计算方法，特别适合于操作型传热问题的求解。
为了解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：
一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法，包括以下步骤：
步骤1.已知热流的热容流率CPH和冷流的热容流率CPC的比值，根据公式(1)计算出热容流率之比R：
其中，CPH为热流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；CPC为冷流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；
步骤2.已知冷流的热容流率CPC,总传热系数U,传热面积A,热容流率之比R和换热器串联的个数NSHELLS，根据公式(2)计算出G参数：
其中，U为总传热系数；A为传热面积；NSHELLS为串联的换热器壳体个数；
步骤3.已知步骤2中计算出的G参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(3)计算D参数：
步骤4.已知步骤2中计算出的G参数，步骤3中计算出的D参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(4)计算出2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4：
步骤5.已知2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4和热容流率之比R两个参数，根据公式(5)求出温差修正系数FT，对2-4型管壳式换热器，FT的表达式为：
其中，R≠1；针对不同的流型，FT表达式不同；
步骤6.根据总传热系数U，传热面积A，热容流率之比R，冷流体的热容流率CPC和温差修正系数FT,根据公式(6)求出X参数：
步骤7.已知热冷物流的进口温度TH1、TC1、热容流率之比R和步骤6计算得到的X参数，根据公式(7)和(8)求出热、冷物流的出口温度TH2，TC2：
(R-1)TH1+R(X-1)TC1+(1-RX)TH2＝0 (7)
(X-1)TH1+X(R-1)TC1+(1-RX)TC2＝0 (8)
其中，TH1为热流体的入口温度；TH2为热流体的出口温度；TC1为冷流体的入口温度；TC2为冷流体的出口温度。对操作型传热问题，已知进口温度TH1和TC1以及U、A、CPH和CPC，则联立公式(7)和(8)，就可以求解出口温度TH2和TC2；
步骤8.根据热平衡方程，根据热流体的热容流率CPH或冷流体的热容流率CPC，热/冷物流的进出口温度TH1，TH2或者TC1，TC2，采用公式(9)求解换热器的传热量Q：
Q＝CPH(TH1-TH2)或Q＝CPC(TC2-TC1) (9)。
本发明提供了一种新的显式传热计算方法，在不知道冷、热物流的出口温度的情况下，求解2-4型管壳式换热器的传热问题。该方法可避免试算、查图等繁琐的计算步骤，并减少了计算过程的误差，计算效率高，特别适合于求解操作型传热问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：对2-4型管壳式换热器的传热问题，如果已知热流体的热容流率CPH，冷流体的热容流率CPC，总传热系数U，传热面积A，热冷物流的进口温度TH1和TC1和换热器串联的个数NSHELLS，无需试凑、查图等繁杂的操作，可以直接求解出热、冷流体的出口温度TH2和TC2、换热器的温差修正系数、平均传热温差以及换热器的热负荷大小。
附图说明：
图1是2-4型管壳式换热器示意图。
图2是对数平均温差法中使用的温差修正系数FT图。
具体实施方式：
为了更好的说明本发明的应用效果，现对该方法结合具体应用实例进行说明。
下面结合实例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
参照图1和图2，一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法，包括以下步骤：
步骤1.已知热流的热容流率CPH和冷流的热容流率CPC的比值，根据公式(1)计算出热容流率之比R：
其中，CPH为热流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；CPC为冷流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；
步骤2.已知冷流的热容流率CPC,总传热系数U,传热面积A,热容流率之比R和换热器串联的个数NSHELLS，根据公式(2)计算出G参数：
其中，U为总传热系数；A为传热面积；NSHELLS为串联的换热器壳体个数；
步骤3.已知步骤2中计算出的G参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(3)计算D参数：
步骤4.已知步骤2中计算出的G参数，步骤3中计算出的D参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(4)计算出2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4：
步骤5.已知2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4和热容流率之比R两个参数，根据公式(5)求出温差修正系数FT，对2-4型管壳式换热器，FT的表达式为：
其中，R≠1；针对不同的流型，FT表达式不同：
步骤6.根据总传热系数U，传热面积A，热容流率之比R，冷流体的热容流率CPC和温差修正系数FT,根据公式(6)求出X参数：
步骤7.已知热冷物流的进口温度TH1、TC1、热容流率之比R和步骤6计算得到的X参数，根据公式(7)和(8)求出热、冷物流的出口温度TH2，TC2：
(R-1)TH1+R(X-1)TC1+(1-RX)TH2＝0 (7)
(X-1)TH1+X(R-1)TC1+(1-RX)TC2＝0 (8)
其中，TH1为热流体的入口温度；TH2为热流体的出口温度；TC1为冷流体的入口温度；TC2为冷流体的出口温度。对操作型传热问题，已知进口温度TH1和TC1以及U、A、CPH和CPC，则联立公式(7)和(8)，就可以求解出口温度TH2和TC2；
步骤8.根据热平衡方程，根据热流体的热容流率CPH或冷流体的热容流率CPC，热/冷物流的进出口温度TH1，TH2或者TC1，TC2，采用公式(9)求解换热器的传热量Q：
Q＝CPH(TH1-TH2)或Q＝CPC(TC2-TC1) (9)。
如图1所示，某一2-4型管壳式换热器，总换热面积为20m2，用来冷却质量流量2kg/s，温度为120℃的油,设该油的比热容为2100J/kg·K，水的进口温度为30℃，流量为1.2kg/s。该换热器的传热系数为275W/m2·K,水的比热容为4200J/kg·K。试计算水和油在换热器的出口温度。
该问题已知：
U＝275W/m2·K，A＝20m2，TH1＝393K，q1＝2kg/s，TC1＝303K，q2＝1.2kg/s，
cpH＝2100J/kg·K，cpC＝4200J/kg·K，NSHELLS＝1。
步骤1：根据公式(1)计算热容流率之比R：
步骤2：根据公式(2)计算G参数：
步骤3：根据公式(3)计算D参数：
步骤4：根据公式(4)计算换热器的有效因子P2-4：
步骤5：根据公式(5)求出温差修正系数FT：
步骤6：根据公式(6)求出X参数：
步骤7：联立公式(7)和(8)，求出热、冷物流的出口温度TH2，TC2：
(R-1)TH1+R(X-1)TC1+(1-RX)TH2＝0
(X-1)TH1+X(R-1)TC1+(1-RX)TC2＝0
即：
(1.2-1)×393+1.2×(1.2289-1)×303+(1-1.2×1.2289)TH2＝0
(1.2289-1)×393+1.2289×(1.2-1)×303+(1-1.2×1.2289)TC2＝0
联立上述方程组，得到TH2，TC2：
TH2＝340.92K
TC2＝346.40K
步骤8：根据公式(9)求解换热器的传热量Q：
Q＝CPH(TH1-TH2)＝2100×2×(393-340.92)＝218736J
Q＝CPC(TC2-TC1)＝4200×1.2×(346.40-303)＝218736J
为了进行对比，我们可以通过传统的对数平均温差法来求解该问题。传统方法在求解此类操作型传热问题时，首先，需要假设一个热流体的出口温度TH2，根据热流体的能量守恒方程求出换热器的热负荷Q1，再根据热平衡方程求出另一个流体的出口温度TH1，然后求出对数平均温差，查2-4流型的温差修正系数图，图2，得到温差修正系数FT，再根据传热速率方程求出换热器的热负荷Q2，最后比较Q2是否等于Q1，来判断假设的出口温度是否合理；如果换热器的热负荷前后计算结果不一致，说明出口温度的假设不合理，则需要重新假定一个新的出口温度，重新进行计算，直到热平衡方程和传热速率方程计算得出的换热器热负荷大小相等，此时计算结束，对应的出口温度即为待求温度。具体过程如下：
1)假设：
TH2＝360K
根据QH＝CPH(TH1-TH2)＝CPC(TC2-TC1)＝QC
得到：Q1＝2100×2×(393-360)＝4200×1.2×(TC2-303)＝138600J
因此：TC2＝330.5K
则：
查温差修正系数图，图2，得：FT＝1
根据传热速率方程，计算热负荷：Q2＝UAΔTLMFT＝275×20×60×1＝330000J
Q2≠Q1，说明出口温度假设不合理；
2)现重新假设：
TH2＝340.92K
重复上述计算过程：
QH＝CPH(TH1-TH2)＝CPC(TC2-TC1)＝QC
Q1＝2100×2×(393-340.92)＝4200×1.2×(TC2-303)＝218736J
TC2＝346.40K
查温差修正系数图，图2，得：FT＝0.944
Q2＝UAΔTLMFT＝275×20×42.11×0.944＝218635.1J
此时：Q2≈Q1(Q2＝99.95％Q1)
通过对比可见，本发明方法是一个显性的传热计算方法，无需进行反复试凑，而传统方法较为繁琐，计算效率低，不便求解操作型传热问题。因此用于操作型传热问题，本发明使用简便、计算高效。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1.已知热流的热容流率CPH和冷流的热容流率CPC的比值，根据公式(1)计算出热容流率之比R：
其中，CPH为热流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；CPC为冷流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；
步骤2.已知冷流的热容流率CPC,总传热系数U,传热面积A,热容流率之比R和换热器串联的个数NSHELLS，根据公式(2)计算出G参数：
其中，U为总传热系数；A为传热面积；NSHELLS为串联的换热器壳体个数；
步骤3.已知步骤2中计算出的G参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(3)计算D参数：
步骤4.已知步骤2中计算出的G参数，步骤3中计算出的D参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(4)计算出2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4：
步骤5.已知2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4和热容流率之比R两个参数，根据公式(5)求出温差修正系数FT，对2-4型管壳式换热器，FT的表达式为：
其中，R≠1；针对不同的流型，FT表达式不同；
步骤6.根据总传热系数U，传热面积A，热容流率之比R，冷流体的热容流率CPC和温差修正系数FT,根据公式(6)求出X参数：
步骤7.已知热冷物流的进口温度TH1、TC1、热容流率之比R和步骤6计算得到的X参数，根据公式(7)和(8)求出热、冷物流的出口温度TH2，TC2：
(R-1)TH1+R(X-1)TC1+(1-RX)TH2＝0 (7)
(X-1)TH1+X(R-1)TC1+(1-RX)TC2＝0 (8)
其中，TH1为热流体的入口温度；TH2为热流体的出口温度；TC1为冷流体的入口温度；TC2为冷流体的出口温度；对操作型传热问题，已知进口温度TH1和TC1以及U、A、CPH和CPC，则联立公式(7)和(8)，就可以求解出口温度TH2和TC2；
步骤8.根据热平衡方程，根据热流体的热容流率CPH或冷流体的热容流率CPC，热/冷物流的进出口温度TH1，TH2或者TC1，TC2，采用公式(9)求解换热器的传热量Q：
Q＝CPH(TH1-TH2)或Q＝CPC(TC2-TC1) (9)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010012698.4A CN111274672B (zh) | 2020-01-07 | 2020-01-07 | 2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010012698.4A CN111274672B (zh) | 2020-01-07 | 2020-01-07 | 2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111274672A CN111274672A (zh) | 2020-06-12 |
| CN111274672B true CN111274672B (zh) | 2024-03-22 |
Family
ID=70998757
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010012698.4A Active CN111274672B (zh) | 2020-01-07 | 2020-01-07 | 2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111274672B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112214893B (zh) * | 2020-10-13 | 2022-09-06 | 上海电气电站设备有限公司 | 一种换热器用单侧传热系数剥离方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106874661A (zh) * | 2017-01-22 | 2017-06-20 | 西安交通大学 | 一种换热器系统热力设计方法 |
| CN107665280A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-02-06 | 浙江工业大学 | 一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法 |
-
2020
- 2020-01-07 CN CN202010012698.4A patent/CN111274672B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106874661A (zh) * | 2017-01-22 | 2017-06-20 | 西安交通大学 | 一种换热器系统热力设计方法 |
| CN107665280A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-02-06 | 浙江工业大学 | 一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 考虑碳排放的换热网络经济学优化 李;李林;轻工机械;20180630;第36卷(第3期);46-50 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111274672A (zh) | 2020-06-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111274672B (zh) | 2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法 | |
| CN107228879B (zh) | 一种二氧化碳流动传热特性测量装置及方法 | |
| CN108170998A (zh) | 一种管壳式热交换器能效评价方法 | |
| CN111428184B (zh) | 一种板翅式换热器芯体尺寸计算方法 | |
| CN110610037A (zh) | 逆流式回热器热力仿真方法 | |
| CN111767636B (zh) | 单通错流换热器的显式传热计算方法 | |
| CN111723466B (zh) | 一种双通逆向错流换热器的显式传热计算方法 | |
| CN111767637B (zh) | 一种双通顺向错流换热器的显式传热计算方法 | |
| CN107729600B (zh) | 蒸发器仿真计算方法 | |
| CN207600260U (zh) | 一种便于维修的稳固型换热器 | |
| CN110567674A (zh) | 板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置及其测试方法 | |
| CN106643203A (zh) | 一种高效汽水换热装置及换热方法 | |
| CN108106466A (zh) | 一种耐腐蚀耐高温无泄露式石英换热装置及制备方法 | |
| CN113791115B (zh) | 一种板式换热器传热性能测试方法及装置 | |
| CN111780491B (zh) | 一种节能型空分冷却系统及方法 | |
| CN214916008U (zh) | 一种控制反应釜内反应温度的装置 | |
| CN110791307A (zh) | 一种甲醇制油的节能控温换热系统 | |
| CN107166998A (zh) | 一种耐腐蚀耐高温无泄露式石英换热装置及制备方法 | |
| CN109614746B (zh) | 一种蒸发式冷凝器结构设计方法 | |
| CN207622557U (zh) | 一种可快速换热的环保型蒸汽换热器 | |
| CN208476073U (zh) | 一种防腐蚀效果好的换热器 | |
| CN209524798U (zh) | 一种辅助不锈钢换热器扩大工作范围的装置 | |
| CN206387294U (zh) | 一种调温式强制循环热管换热器 | |
| CN111238842A (zh) | 一种换热器热效能对比试验测试装置及测试方法 | |
| CN220189128U (zh) | 教学用传热综合实验装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |