总体传热系数计算与Excel电子表格换热器设计
背景
换热器的设计是一个迭代的过程。一开始，根据换热器的类型和所涉及的流体，需要估算总传热系数U的值。关于流体温度、流速和性质的信息可以确定所需的传热速率Q和对数平均温差ΔTlm。然后，使用热交换器设计方程Q = UAΔTlm，可以初步计算所需的传热面积，然后可以选择热交换器的初步配置(例如，双管热交换器的管径和长度或管壳式热交换器的管的数量和尺寸)。此时，可以对总体传热系数进行更详细的估计，如本文所述。有关整体换热器设计过程的更多详细信息，请参阅本系列的文章，如“换热器理论与设计基础“，， "和"换热器初步设计实例．”
总传热系数方程
换热器的总换热系数取决于热流体和热量之间的对流换热系数
传热表面，传热表面的导热系数和厚度，以及传热表面与冷流体之间的对流换热系数。在这篇文章的重点将是一个圆柱形的传热表面，如在壳管或双管热交换器。一般原理也可以应用于其他形状的热交换器。
右边的图表显示了一个传热管或管道的草图，其参数和方程导致了总传热系数的方程:
1/UoAo = 1/hoAo + ln(ro/ri)/(2πLk) + 1/hiAi
考虑到ho和hi的相关性估计的准确性，传热管或管道通常被视为具有Ao、Ai和Am [= 2πL(ro - ri)/ln(ro/ri)]的“薄壁管”。将上述方程简化为:
1/U = 1/h****o+ (r * * * *啊- r我)/k + 1/h****(请注意，管壁的厚度ro - ri，在右边的图表中用符号ΔXw表示。)
这个方程给出了一个总的传热系数，U，一个新的热交换器，或一个新的清洁传热表面。当使用热交换器时，流体流过传热表面，传热表面的两侧往往会积累一层涂层，降低传热速率。这就叫做换热表面结垢。由表面污垢增加的传热阻力通常通过在上面的方程中为传热表面的每一侧增加一个污垢阻力，Rfo和Rfi来解释，得到如下:
1/U = 1/h****o+ Rfo+ (r * * * *啊- r我)/k + 1/h****+ R * * * * fi．这个方程将在下一节的Excel电子表格中使用。
Excel电子表格估计总传热系数
左图所示的Excel电子表格是用来计算总体传热系数U，
根据指定的输入值，分别为:壁面热导率，k;管的外径，2ro;管壁厚度，ro - ri;外对流换热系数，ho;内对流换热系数hi;外部阻垢Rfo;以及内部阻垢Rfi。
Excel公式的建立是为了计算总体传热系数U，使用前一节讨论的方程:
1/U = 1/h****o+ Rfo + (r****o- r我)/k + 1/h****+ Rfi。
管子尺寸的值应该可以从热交换器的初步设计计算中获得，这可以使用Excel电子表格来完成，就像文章中提供的那样。”初步换热器设计的Excel电子表格模板， "和"管壳式换热器设计压降的Excel公式右上方的表格给出了热交换器管的BWG(伯明翰线规)壁厚，其直径通常在1/4“到2”之间。
内外对流换热系数可以从文章中下载的Excel电子表格中确定。”计算强迫对流换热系数与Excel电子表格．”
下面的参考文献1给出了各种流体、温度和速度组合的典型污垢阻值。大多数污垢电阻值在0.0005至0.01 ft2-oF-hr/Btu之间。对于许多常见的热交换器情况，污垢阻力将在0.001至0.005 ft2-oF-hr/Btu之间。
在上面显示的Excel电子表格示例中计算出的总体传热系数为116 Btu/hr-ft2-oF，这与文章中最初的120 Btu/hr-ft2-oF的‘粗略估计’非常接近。”换热器初步设计实例几个月前!”
Excel电子表格示例使用美国单位，但是电子表格模板可以在下面下载美国单位或国际单位。
参考文献
进一步资料参考:
1.金刚狼管传热数据书-具有典型的污垢阻值表和典型的总传热系数表。
2.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。
3.Kakac, S.和Liu, H.，热交换器:选择，额定和热设计， CRC出版社，2002年。
4.Kuppan、T。换热器设计手册， CRC出版社，2000年。
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。
