换热器的热工水力计算

第40卷第5期2012年3月广州化工

Guangzhou Chemical Industry Vol．40No．5March．2012

化工机械

换热器的热工水力计算

陈

科，范

章

（中核集团中国核电工程有限公司，北京100840）

摘

要：根据工艺设计的要求，新机组的换热器需要重新计算结构尺寸和热工水力性能。通过换热器设计手册介绍的方法进

行计算，分析计算结果，并采用换热计算软件HTFS －TASC 进行对比计算，确定换热器的设计尺寸和热工水力性能参数，得到的结果

对新换热器的最终定型有重要意义。

关键词：换热器计算；热工；水力中图分类号：TK172文献标识码：B

文章编号：1001－9677（2012）05－0136－04

Thermal and Hydraulic Calculation of Heat Exchanger

CHEN Ke ，FAN Zhang

（China Nuclear Power Engineering Co．，Ltd．，CNNC ，Beijing 100840，China ）

Abstract ：According to the requirements of process design ，the structure size and thermal hydraulic performance of the heat exchanger in new design unit needed to be recalculated．The calculation and result analysis was made according to the design manual of heat exchanger ，and compared with the results of exchanger ’s calculation software （HTFS －TASC ）．Finally ，the structure size and thermal hydraulic performance of the heat exchanger were determined ，which had important significance on selection of the new type heat exchanger．

Key words ：heat exchanger design ；thermal ；hydraulic calculation

换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10% 20%；在炼油厂中，约占总

［1］

投资的35% 40%。

由于系统工艺改进，系统热流体流量增大，经过原机组换热器的热负荷增加，进一步降温后，出口温度无法满足工艺的要求，因此该换热器需要进行重新设计。其中热流体具有高温高

特别是具有放射性，因此必须严格控制热流体的泄压的特点，

漏

。

简单，承压能力强，可有效防止热流体的泄漏，适用于管、壳壁温差较大，又不宜采用浮头式换热器和固定管板式换热器的场［1］合。

［2］

本文根据换热器设计手册计算了换热器的热工水力性能，分析计算结果，采用换热计算软件HTFS －TASC 进行对比计算，进行结果对比分析，二者相互印证，力求得出合理的设计，为该换热器最终定型提供设计依据。

1．1

设计输入

设计参数

表1升温末期工况热流体对比Table 1parameters of thermal fluid in the

end of temperature rising process

工程号

图1

Fig．1

换热器总体结构

原机组新机组

流量/（t /h）27．131．2

入口温度/ħ197197

出口温度/ħ4646

污垢系数/（m 2·ħ /W）5．3ˑ 10－55．3ˑ 10－5

structure sketch of heat exchanger

针对工艺条件和设备安全的要求，该换热器的结构形式采用U 形管换热器，热流体走管程，冷流体走壳程（见图1）。这种换热器在化工、炼油、核电行业中有着广泛的应用，其特点是管束可以自由伸缩，不会产生热应力，热补偿性能好，而且其结构

作者简介：陈科（1983－），男，工程师，主要从事核电设备设计。通讯作者：范章。

原机组和新机组换热器工况参数的对比，详见表1。热流体

热流体流量增大，热负荷增加，壳程出入口温度不变的前提下，

所需的冷流体流量也相应地增大。其中在升温末期工况，热流体流量和热负荷均为最大，因此本文中仅仅计算校核升温末期

第40卷第5期的这种工况。

陈科等：换热器的热工水力计算137

1．2主要结构参数

根据热负荷计算的结果，由于原有管程出入口的结构能够满足新设计的要求，新机组换热器的结构变化主要在壳程和换热管排布。以下是该换热器的主要结构参数（表2）和换热管排布（见图2）。

表2结构参数

Table 2structure parameters of heat exchanger

筒体内径换热管数量折流板间距折流板数量换热管长度/mm/根/mm/个/mm

原机组新机组

相对变化/%

3303609．1

2192273．6

5005408．0

16160

423045106．

冷热流体均无相变，则热流体放出的热量等设换热器绝热良好，

于冷流体获得的热量。求解实际传热面积A 关键在于求解总传

而传热的总热阻1/K为管壁本身的传导热阻及其两热系数K ，

［3］

求解K 如下式所示：侧的对流热阻三者之和，

D t 1

=R s +R s 1+R w +R s 2+R t （1）K D ti

——分别为管外侧和管内侧的污垢热阻，式中：R s 1和R s 2—m 2·K /W

因此公式（1）可表示为：

D t D t D t 11D t 1

++R s 1+ln +R s 2+（2）K αs 2λW D ti D ti αt D ti ——管内热阻，m 2·K /W式中：R t —

D t 1R t =ˑ

D ti αt

——管内传热系数式中：αt —D t ———换热管外径D ti ———换热管内径R w ———管壁热阻，m 2·K /W

D t D t

R w =ln

2λw D ti

——管壁导热系数式中：λw —R s ———管外侧热阻，m 2·K /W

1R s =

αs

——管外传热系数式中：αs —

根据αt 和αs 求求出管内传热系数αt 和管外传热系数αs ，

解总传热系数K ，通过Q t =KA Δt 即可求出换热面积。

2．2

Fig．2

图2原机组换热管排布

arrangement of heat exchange tube in original unit

计算结果

管内外传热系数需要采用估算法。管内外传热系数均需要

［4］

考虑流体粘度的修正因子，首先需要估算管壁平均温度近似值t w ，求

得

2．1

热工计算

热工计算方法

热工计算主要根据换热器设计手册的计算方法，本文中假

()

t w

0．14

和

()

s w

0．14

，分别计算αt 和αs 。由t w =

T tcp ·αt +T scp ·αs

，校核t w 是否满足。如果两者相差较多，则应重

αt αs

新估算αs ，直至前后的传热系数相近为止。传热计算结果见表3。

Table 3

热负荷Q

/kW

原机组新机组相对变化/%

4800550014．5

管程传热系数αt [1**********]0．2

壳程传热系数αs [1**********]．7

表3传热计算结果

calculation results of heat transfer

污垢时总传热

系数K

1777．31823．12．6

清洁时传热/m面积A ’

36．039．910．8

清洁时总传热

系数K ’2580．92678．73．8

污垢时传热面积A /m52．558．611．9

安装换热面积/m58．764．510．0

污垢时富裕度/%11．910．1

2．3对热工计算的分析结果

（1）在污垢状态下，新设计的换热器的安装换热面积大于计算传热面积满足换热要求，且有足够的富裕量；

（2）换热管长度增加和换热管数量增加，增大换热面积，满足换热要求。

3压降计算

当介质流过换热器时，会因换热器中的内部结构产生流体阻力即压降。流体阻力的大小对于工艺系统设计具有重大影

响，如果流体阻力过大，超过工艺系统设计值，那么设备在以后

因此换热器通常要进行的运行中将无法达到所需的工艺要求，

相关的流体阻力计算。

该换热器的管程为内壁光滑的换热管，管程的压降通常可以满足工艺的要求，在本文中不进行计算校核，着重分析计算壳程的压降影响因素。

［5］

流体损失叠加原理可应用于整个管路的水力计算，因此整个壳程的流体阻力可体现为：

ΔP =

∑ΔP

i =1

（3）

——管路中计算元件的序号式中：i —n ———管路中计算元件的总数

——管路中第i 个元件的合阻力ΔP i —

整个壳程的压降主要分成三个性质不同的根据图3所示，

部分：顶端纯横流压降ΔP c 、端部压降ΔP e 和折流板窗口处的压降ΔP w ，即ΔP =ΔP c +ΔP e +ΔP w

。

的换热管和拉杆的数量求出管子所占据的圆缺形折流板窗口面

积S wt ，进而由总流动面积S wg 减去管子所占据的面积S wt 得出净

详细结果见表4。横流面积S w 。分别计算三个区域的压降，

表4压降计算结果

calculation results of pressure drop

ΔP c /Pa

原机组

占总压降的百分比/%

新机组

占总压降的百分比/%

8046．17．378763．98．20

ΔP e /Pa2619．82．403020．72．83

ΔP w /Pa98519．790．2395035．388．97

ΔP /Pa109185．6100．00106819．9100．00

Table 4

Fig．3

图3换热器压降分布示意图

distribution chart of pressure drop in heat exchanger

3．5小结对压降计算的分析结果

3．1

顶端纯横流压降ΔP c 的计算

顶端纯横流压降ΔP c 主要考虑了流体通过中间折流板间距

内，按照理想管束为模型进行计算。同时增加旁路和泄漏的修

［2］

正因子来完善该区域压降的计算。

（4）ΔP c =ΔP bi （N b －1）R b R l

——以理想管排为基础的压降式中：ΔP bi —R b ———管束旁路流对压降影响的修正因子N b ———折流板块数R l ———折流板泄漏对压降影响的修正因子

（1）计算得到的壳程总压降都满足工艺压降要求。在从压

折流板窗口处的压降ΔP w 为主要压力损失，占总压降降分布看，

的88．97%；

（2）增大折流板的间距，减小壳程雷诺数，壳程的湍流程度降低，可以有效地减少壳程压降；

（3）增大壳程的内径，可以增大壳程流体的流通面积，减少折流板窗口区质量流速，从而减少折流板窗口处压降。

4HTFS －TASC 计算结果

3．2

端部区域的横流压降ΔP e 的计算

端部区域的横流压降，即在第一和最后一个折流单元内的

压降，流体通过该区域时横穿所有的管排，而且入口处的泄漏流

因此泄漏修正还没形成或者出口处泄漏流刚与主流汇合起来，

因子不适用于该区域。同时本换热器中端部区域折流间隔与中

［2］

需要增加端部区域的修正因子。央的折流间隔不同，

N tcw

）R R （5）ΔP e =ΔP bi （1+

N tcc b s

——折流板端头之间的有效管排数式中：N tcc —N tcw ———横穿折流板窗口的有效管排数R s ———入口和出口处不等的折流板间距对压降影响

的修正因子

换热计算软件HTFS －TASC 是国际公认的换热计算软件，具有强大的换热计算能力，因此采用换热计算软件HTFS －TASC 建模计对比以上计算结果，验证计算的准确性。模拟计算结果见表5。算，

表5HTFS 计算结果

Table 5calculation results of HTFS

热负荷/kW

计算手册结果HTFS 计算结果相对误差/%

小结

550054960．1

清洁时总污垢时总传热系数K ’传热系数K 2678．72511．56．24

1823．11744．14．33

计算总压降ΔP /Pa106819．9110899．30．82

计算手册计算与软件计算结果基本一致，误差在允许范围内

3．3

折流板窗口处的压降ΔP w 的计算

折流板窗口处的压降ΔP w 即N b 个折流窗口的压降。根据

5结论

［2］

计算，壳程横流雷诺数Re s 大于100，整个壳程处于湍流状态。

m w

（2+0．6N tcw ）R （6）ΔP w =N b ［

2ρs l

——壳程流体的密度式中：ρs —

M s

m w =ˑ 106，折流板窗口区计算质量流速

m w

M s ———壳程流体质量流率S m ———壳体中心线处的横流面积S w ———窗口区净流动面积

3．4压降计算结果

［1］

对于窗口区净流动面积的计算，在参考文献中提出一个

窗口中管子所占的比率F w 这个参数。F w 这个参数是基于管场

新设计的换热器管在直径D otl 内是均匀分布的假设而求解出来，

换热管排布不是均匀的，因此采用参考文献中的方法求出的S wt 值存在误差，导致压降偏大。实际计算中本文采用窗口区实际

通过对新机组的换热器进行热工水力性能的计算，对相应

的结构和计算结果进行分析，采用HTFS －TASC 建模检验该结构的合理性，得到以下结论：

（1）实际计算过程中，换热面积较容易满足要求，可以通过增加换热管长度和增加换热管都可以实现，但需要根据设备结构和压降要求统一协调。

（2）增大壳程的内径和折流板的间距，可以有效地减少壳程压降，但需根据结构情况取合理的结果。

（3）采用传统计算手册计算和先进软件计算结合的方式，可以有效地提高设计的准确性和设计效率。

本文采用的计算方法可以广泛应用于化工、炼油、核电行业中换热器的热工水力计算。当换热器的基本结构形式和设计参

（下转第146页）

（5）泡沫封堵材料固化后，其表面可采用各种建筑涂料进行装饰。

3结语

该泡沫封堵材料能满足各项性能指标要求，是一种新型的泡沫封堵材料，封堵性能优良，能适应实际运用中由于温差以及机械变形等形成的缝隙；便于安装、更换，检修。当火灾发生时，在高温的作用下，堵料中各组分协同作用，会再次膨胀3 5倍，将贯穿物紧紧包围，且愈烧愈紧，能将各种开口和缝隙封堵严密，阻止烟火蔓延串烧，达到真正防火封堵功效，有效地阻止火焰传播和烟气蔓延。

随着我国建设事业的不断发展和消防法规的深入贯彻执行，防火封堵材料的市场将不断扩展，市场的需求将为低成本、高性能的新型防火封堵材料的研究和生产提供非常广阔的前景。

参考文献

［1］GB23864－2009防火封堵材料［S ］．［2］李俊贤。塑料工业手册［M ］．北京：化学工业出版社，1999：293．［3］陈宇，．精高富业，欧育湘．新型磷卤协效阻燃剂的合成与应用［J ］

1998，15（3）：32－34．细化工，

［4］嵇民．甲基膦酸二甲酯阻燃剂及其应用［J ］．江苏化工，1996，24

（4）：38－39．［5］李忠军．阻燃剂甲基膦酸二甲酯阻燃性能的热分析［J ］．塑料科技，

2001（4）：25－27．［6］Madaj E J．Flexible ，combustion modified ，polyurethane foams．US

1993．5229427，

［7］郭金全，林剑青．含磷氯和氮的化合物对泡沫塑料的阻燃作用［J ］．

1993，21（1）：3－6．工程塑料应用，

［8］Walch P．Halogenated Polyether Polyol IXOL for Rigid Cellular PUR

Materials with Improved Flame Retardancy ［J ］．Cellular Polymers ，1986（6）：33－45．［9］刘兴允，董芸．含磷含氮多元醇反应型阻燃剂［J ］．PU 泡沫工业，

1991（4）：12－16．［10］付步芳，．材魏建国，刘洁琪．硬质PU 泡沫泡沫塑料的阻燃技术［J ］

1998，13（4）：42－44．料开发与应用，

［11］陈兴舫，苑春华．HCFC －141b 阻燃组合聚醚的研制［J ］．化学推进

2000（4）：32－34．剂与高分子材料，

图1泡沫封堵材料的施工

2．2施工注意事项

（1）加入阻燃剂及其余助剂的A 组分存放时间不应太长，必

须当天配制当天使用，否则易造成变质影响发泡质量；

（2）工作环境必须通风良好、清洁卫生；（3）在搅拌、涂抹过程中，散落的料浆可及时收回利用；被污染的和超过半个小时的泡沫封堵材料结块固化，不得使用；

（4）施工工艺可根据防火封堵的设计厚度和施工条件，进行适当调整；该泡沫封堵材料的密度将随现场条件即贯穿孔尺寸、型式、贯穿构件数量及发泡温度的不同而有所变化。自由发泡

得到最低的密度值为100kg /m。当发泡受限制时，其密度会提

但应控制其密度值不超过125kg /m；高，

檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵

（上接第138页）

数确定后，可通过本文的方法，计算并校核换热器的热工水力性确定最终设计方案，将对施工设计具有较大的参考意义。能，

参考文献

［1］郑津洋，．北京：化学工业出版董其伍，桑芝富．过程设备设计［M ］

2005：256－257．社，

［2］E．U．施林德尔，．北京：机械工业出版主编．换热器设计手册［M ］

1988：42－91．社，

［3］谭天恩，麦本熙，丁惠华．化工原理［M ］．北京：化学工业出版社，

1990：201－247．［4］杨世铭，1998：157－陶文铨．传热学［M ］．北京：高等教育出版社，

165．［5］华绍曾，．北京：国防工业出版社，杨学宁．实用流体阻力手册［M ］

1985：41－42．

第40卷第5期2012年3月广州化工

Guangzhou Chemical Industry Vol．40No．5March．2012

化工机械

换热器的热工水力计算

陈

科，范

章

（中核集团中国核电工程有限公司，北京100840）

摘

要：根据工艺设计的要求，新机组的换热器需要重新计算结构尺寸和热工水力性能。通过换热器设计手册介绍的方法进

行计算，分析计算结果，并采用换热计算软件HTFS －TASC 进行对比计算，确定换热器的设计尺寸和热工水力性能参数，得到的结果

对新换热器的最终定型有重要意义。

关键词：换热器计算；热工；水力中图分类号：TK172文献标识码：B

文章编号：1001－9677（2012）05－0136－04

Thermal and Hydraulic Calculation of Heat Exchanger

CHEN Ke ，FAN Zhang

（China Nuclear Power Engineering Co．，Ltd．，CNNC ，Beijing 100840，China ）

Key words ：heat exchanger design ；thermal ；hydraulic calculation

［1］

投资的35% 40%。

特别是具有放射性，因此必须严格控制热流体的泄压的特点，

漏

。

简单，承压能力强，可有效防止热流体的泄漏，适用于管、壳壁温差较大，又不宜采用浮头式换热器和固定管板式换热器的场［1］合。

［2］

1．1

设计输入

设计参数

表1升温末期工况热流体对比Table 1parameters of thermal fluid in the

end of temperature rising process

工程号

图1

Fig．1

换热器总体结构

原机组新机组

流量/（t /h）27．131．2

入口温度/ħ197197

出口温度/ħ4646

污垢系数/（m 2·ħ /W）5．3ˑ 10－55．3ˑ 10－5

structure sketch of heat exchanger

作者简介：陈科（1983－），男，工程师，主要从事核电设备设计。通讯作者：范章。

原机组和新机组换热器工况参数的对比，详见表1。热流体

热流体流量增大，热负荷增加，壳程出入口温度不变的前提下，

所需的冷流体流量也相应地增大。其中在升温末期工况，热流体流量和热负荷均为最大，因此本文中仅仅计算校核升温末期

第40卷第5期的这种工况。

陈科等：换热器的热工水力计算137

1．2主要结构参数

表2结构参数

Table 2structure parameters of heat exchanger

筒体内径换热管数量折流板间距折流板数量换热管长度/mm/根/mm/个/mm

原机组新机组

相对变化/%

3303609．1

2192273．6

5005408．0

16160

423045106．

冷热流体均无相变，则热流体放出的热量等设换热器绝热良好，

于冷流体获得的热量。求解实际传热面积A 关键在于求解总传

而传热的总热阻1/K为管壁本身的传导热阻及其两热系数K ，

［3］

求解K 如下式所示：侧的对流热阻三者之和，

D t 1

=R s +R s 1+R w +R s 2+R t （1）K D ti

——分别为管外侧和管内侧的污垢热阻，式中：R s 1和R s 2—m 2·K /W

因此公式（1）可表示为：

D t D t D t 11D t 1

++R s 1+ln +R s 2+（2）K αs 2λW D ti D ti αt D ti ——管内热阻，m 2·K /W式中：R t —

D t 1R t =ˑ

D ti αt

——管内传热系数式中：αt —D t ———换热管外径D ti ———换热管内径R w ———管壁热阻，m 2·K /W

D t D t

R w =ln

2λw D ti

——管壁导热系数式中：λw —R s ———管外侧热阻，m 2·K /W

1R s =

αs

——管外传热系数式中：αs —

根据αt 和αs 求求出管内传热系数αt 和管外传热系数αs ，

解总传热系数K ，通过Q t =KA Δt 即可求出换热面积。

2．2

Fig．2

图2原机组换热管排布

arrangement of heat exchange tube in original unit

计算结果

管内外传热系数需要采用估算法。管内外传热系数均需要

［4］

考虑流体粘度的修正因子，首先需要估算管壁平均温度近似值t w ，求

得

2．1

热工计算

热工计算方法

热工计算主要根据换热器设计手册的计算方法，本文中假

()

t w

0．14

和

()

s w

0．14

，分别计算αt 和αs 。由t w =

T tcp ·αt +T scp ·αs

，校核t w 是否满足。如果两者相差较多，则应重

αt αs

新估算αs ，直至前后的传热系数相近为止。传热计算结果见表3。

Table 3

热负荷Q

/kW

原机组新机组相对变化/%

4800550014．5

管程传热系数αt [1**********]0．2

壳程传热系数αs [1**********]．7

表3传热计算结果

calculation results of heat transfer

污垢时总传热

系数K

1777．31823．12．6

清洁时传热/m面积A ’

36．039．910．8

清洁时总传热

系数K ’2580．92678．73．8

污垢时传热面积A /m52．558．611．9

安装换热面积/m58．764．510．0

污垢时富裕度/%11．910．1

2．3对热工计算的分析结果

（1）在污垢状态下，新设计的换热器的安装换热面积大于计算传热面积满足换热要求，且有足够的富裕量；

（2）换热管长度增加和换热管数量增加，增大换热面积，满足换热要求。

3压降计算

当介质流过换热器时，会因换热器中的内部结构产生流体阻力即压降。流体阻力的大小对于工艺系统设计具有重大影

响，如果流体阻力过大，超过工艺系统设计值，那么设备在以后

因此换热器通常要进行的运行中将无法达到所需的工艺要求，

换热器的热工水力计算

相关文章