热交换器的初步设计尺寸使用估计的总传热系数的热交换器
简介-换热器设计方程
换热器的基本设计方程，
Q = U A ΔTlm，
在另一篇文章中介绍和讨论过换热器理论与设计基础“，，当用作计算所需传热表面积的设计方程时，可将该方程重新排列为:
A = Q/(U ΔTlm)，
其中Q为所需换热速率，单位为Btu/hr, U为总换热系数，单位为Btu/hr-oF， Δtlm为对数平均温差，单位为oF。
总体换热器设计过程
热交换器的设计是一个反复(试错)的过程。下面是该过程的一组步骤
- 根据流体流速和温度的指定信息计算所需的传热速率Q，单位为Btu/hr。(请在接下来的两节中查看更多细节。)
- 根据所涉及的流体，初步估计总体传热系数U。
- 计算两种流体的入口和出口温度的对数平均温度差ΔTlm。(请在接下来的两节中查看更多细节。)
- 计算所需的估计传热面积，使用:A = Q/(U ΔTlm)。
- 选择一个初步的热交换器配置。
- 根据换热器的初步配置，对总体换热系数U进行更详细的估计。
- 估计整个热交换器的压降。如果压力过高，则修改换热器配置，直至压力降可接受为止。
- 如果U的新估计值与之前的估计值显著不同，则重复步骤4到步骤7，直到两个估计值达到所需的准确性。
输入所需资料
为了开始换热器的设计过程，需要以下几项信息:
- 需要鉴定这两种液体
- 每种流体的热容是必需的。
- 需要其中一种流体所需的初始温度和最终温度。
- 需要其他流体的初始温度的设计值。
- 需要对总传热系数U的值进行初步估计。
知道了前四项，就可以确定所需的传热速率Q，以及两种流体的入口和出口温度，从而可以计算出对数平均温差ΔTlm。现在Q, U和ΔTlm的值已经可用，所需传热面积的初步估计可以从以下公式计算，
A = Q/(U ΔTlm)。
例子的计算
例# 1:使用50oF的冷却水将55,000 lb/hr轻质油(比热= 0.74 Btu/lb- of)从190oF冷却到140oF所需的热交换器面积进行初步估算。冷却水可以加热到90oF。总体传热系数的初步估计为120 Btu/hr-ft2-oF。同时估算所需的冷却水质量流量。
解决方案:首先根据所需的轻油冷却计算所需的传热速率:
Q = (55,000 lb/hr)(0.74 Btu/lb-oF)(190 - 140)oF = 2,035,000 Btu/hr。
接下来计算对数平均温差:
ΔTlm = [(190 - 90) - (140 - 50)] / ln [(190 - 90) / (140 - 50) = 94.9
初步面积估计数现可计算为:
A = Q/(U ΔTlm) = 2,035,000/(120)(79.58) =178.7 ft2 = A
所需的水质量流量可由Q = m Cp ΔT计算。
重排:m = Q/Cp ΔT = (2,035,000 Btu/hr)/(1 Btu/lb-oF)(40oF) =50875磅/小时
例# 2:壳管式热交换器用于例#1中描述的轻油冷却。直径3英寸，长度10英尺的管子要用多少支?
解决方案:每管的表面积为π dl = π(3/12)(10) ft2 = 7.854 ft2。因此，所需的管子数量为:
N = 178.7 ft2/7.854 ft2/tube = 22.7管(四舍五入到23管* * * *)。
下一步是检查该管配置和指定流量的压降。如果压降是可以接受的，那么总体换热系数可以重新估计这种换热器配置。这些主题将在以后的文章中讨论。
总结
本文通过实例说明了换热器初步设计的计算。基本换热器设计方程是该过程的核心，并在计算中使用总传热系数和对数平均温度差。
有关可下载的Excel电子表格模板，以进行初步的壳管和双管换热器设计计算，请参阅文章初步换热器设计计算的Excel电子表格模板”。
参考资料和图片来源
进一步资料参考:
1.本特森,H。热交换器基础知识，一个在线,继续教育PDH学分课程。
2.本特森,H。初步换热器设计的Excel电子表格．
2.Kuppan、T。换热器设计手册， CRC出版社，2000年。
3.Kakac, S.和Liu, H.，热交换器:选择，额定和热设计， CRC出版社，2002年。
图片致谢:
管壳式换热器Grand Kartech热交换器
螺旋换热器图片-流动商贩/欧洲
这篇文章是热交换器设计系列的一部分
换热器设计包括估计已知或估计换热率、总换热系数和对数平均温差所需的换热面积。管子或管道的直径和长度也需要确定，以及压降。
