3、核算总传热系数

（1）管程对流传热系数α_i

Re_i=1.43×10⁴>1×10⁴

Pr_i=Cpμ/λ=4.174×10³×0.67×10^-3/0.633=4.42

α_i=0.023(λ/d_i)Re_i^0.8Pr_i^0.4

=0.023×(0.633/0.02)×(1.43×10⁴)^0.8×4.42^0.4=2783W/(m²·℃)

（2）壳程对流传热系数α_o（Kern法）

α_o=0.36(λ/d_e)(d_eu₀ρ/μ)^0.55(Cpμ/λ)^1/3(μ/μ_w)^0.14

管子为正三角形排列，则

A=zD(1-d_o/t)=0.15×0.4(1-0.025/0.032)=0.0131m²

u_o=Vs/A=20000/(3600×828.6×0.0131)=0.512m/s

壳程中苯被冷却，取(μ/μ_w)^0.14=0.95

α_o=0.36(0.129/0.02)(0.02×0.512×828.6/0.352×10^-3)^0.55(1.841×10³×0.352×10^-3/0.129)^1/30.95=971.4W/(m²·℃)

（3）污垢热阻

管内、外侧污垢热阻分别取为

R_si=2.00×10^-4 (m²·℃) / W R_so=1.72×10^-4 (m²·℃)/ W

（4）总传热系数

管壁热阻可忽略时，总传热系数 为

1/K=1/α_o+R_so+R_sid_o/d_i+d_o/α_id_i

K=526.2W/(m²·℃)

K_计/K_选=526.2/426=1.24

故所选择的换热器是合适的，安全系数为（526.2-426）/426=23.52%

设计结果为：选用固定管板式换热器，型号：G400Ⅱ-1.6-22。

4-7-3 各种间壁式换热器的比较和传热的强化途径

换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多。其意义在于：

1、在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生产率；

2、在保证设备容量不变情况下使设备结构更加紧凑，减少占有空间，节约材料，降低成本；

3、在某种特定技术过程使某些工艺特殊要求得以实施等。

换热器传热计算的基本关系式揭示了换热器中传热速率Q与传热系数K、平均温度差Δt_m以及传热面积S之间的关系。要使Q增大，无论是增加K、Δt_m，还是S都能收到一定的效果，工艺设计和生产实践中大多是从这些方面进行传热过程的强化的。

1．增大传热面积

增大传热面积，可以提高换热器的传热速率，但增大传热面积不能靠增大换热器的尺寸来实现，而是要从设备的结构入手，提高单位体积的传热面积。工业上往往通过改进传热面的结构来实现。目前已研制出并成功使用了多种高效能传热面，它不仅使传热面得到充分的扩展，而且还使流体的流动和换热器的性能得到相应的改善。

（1）翅化面（肋化面）：用翅（肋）片来扩大传热面面积和促进流体的湍动从而提高传热效率，是人们在改进传热面进程中最早推出的方法之一。翅化面的种类和形式很多，用材广泛，制造工艺多样，前面讨论的翅片管式换热器、板翅式换热器等均属此类。翅片结构通常用于传热面两侧传热系数小的场合，对气体换热尤为有效。

（2）异形表面：用轧制、冲压、打扁或爆炸成型等方法将传热面制造成各种凹凸形、波纹型、扁平状等，使流道截面的形状和大小均发生变化。这不仅使传热表面有所增加，还使流体在流道中的流动状态不断改变，增加扰动，减少边界层厚度，从而促使传热强化。强化传热管就是管壳式换热中常用的结构

（3）多孔物质结构：将细小的金属颗粒烧结或涂敷于传热表面或填充于传热表面间，以实现扩大传热面积的目的。表面烧结法制成的多孔层厚度一般为0.25~1mm，空隙率为50%~65%，孔径为1~150μm。这种多孔表面，不仅增大了传热面积，而且还改善了换热状况，对于沸腾传热过程的强化特别有效。

（4）采用小直径管：在管式换热器设计中，减少管子直径，可增加单位体积的传热面积，因为管径减小，可以在相同体积内布置更多的传热面，使换热器的结构更为凑紧。减少管径后，使管内湍流换热的层流内层减薄，有利于传热的强化。

上述方法可提高单位体积的传热面积，使传热过程得到强化。同时由于流道的变化，往往会使流动阻力有所增加，故设计时应综合比较，全面考虑。

2．增大平均温度差

增大平均温度差，可以提高换热器的传热效率。平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件和两流体在换热器中的流动型式。一般来说，物料的温度由生产工艺来决定，不能随意变动，而加热介质或冷却介质的温度由于所选介质不同，可以有很大的差异。但需指出的是，提高介质的温度必须考虑到技术上的可行性和经济上的合理性。采用逆流操作或增加管壳式换热器的壳程数使φ_Δt增大，均可得到较大的平均温度差。

3．增大总传热系数

增大总传热系数，可以提高换热器的传热效率。总传热系数的计算公式为

1/K=1/α_o+R_so+R_sid_o/d_i+d_o/α_id_i

要提高K值，就必须减少各项热阻，因各项热阻所占比例不同，故应设法减少对K值影响较大的热阻。

一般，在金属材料换热器中，金属材料壁面较薄且导热系数高，不会成为主要热阻；污垢热阻是一个可变因素，在换热器刚投入使用时，污垢热阻很小，不会成为主要矛盾，但随着使用时间的加长，污垢逐渐增加，便可成为障碍传热的主要因素；对流传热热阻经常是传热过程的主要热阻，要减少起决定作用的热阻。

习题

4-20 某炼油厂拟采用管壳式换热器将柴油从176℃冷却至65℃。柴油的流量为9800kg/h。冷却介质采用35℃的循环水。要求换热器的管程和壳程压降不大于30 kPa，试选择适宜型号的管壳式换热器。