第五章 换热器设计

学习目标：学完本章后，你将能够——

1. 进行换热器的能量衡算，确定冷热流体的出口温度和热负荷
2. 计算对数平均温差及非逆流布置的温差修正
3. 用 Dittus-Boelter、Sieder-Tate 和 Kern 法分别计算管内和壳程对流传热系数
4. 计算管程和壳程的流动压降（光滑管、粗糙管）
5. 综合以上步骤，完成管壳式换热器的完整设计
6. 了解遗传算法在换热器参数优化中的应用

前置知识：本章为独立章节，不依赖前序各章。需要本科传热学基础知识（热传导、对流传热、雷诺数、普朗特数）。

目录

5.1 传热计算

• 能量衡算 — $Q = m c_p \Delta T$
• 总传热系数 — $Q = K A \Delta T_m$，热阻串联
• 平均温度差 — LMTD 及温差修正

5.2 对流传热系数

• 管内传热系数 — Dittus-Boelter / Sieder-Tate
• 壳程传热系数 — Kern 法

5.3 流体流动阻力

• 管内阻力 — 层流 / Blasius / Colebrook-White
• 壳程阻力 — 埃索 (Esso) 法

5.4 优化设计

• 遗传算法优化换热器

5.5 冷凝器

• 竖管管外冷凝器

例题精讲

• 例 5.1 管内压降计算
• 例 5.3 套管换热器设计

习题

• 全部习题

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本章总结

换热器设计完整流程

1. 能量衡算 (5.1.1) → Q, 出口温度
2. 平均温差 (5.1.3) → ΔT_m
3. 管内侧 h_i (5.2.1) → Re→Pr→Nu→h_i
4. 壳程侧 h_o (5.2.2) → d_e→Re_s→h_o
5. 总传热系数 (5.1.2) → K = 1/ΣR
6. 传热面积 (5.1.2) → A = Q/(K·ΔT_m)
7. 压降校核 (5.3.1, 5.3.2) → ΔP_i, ΔP_s 是否满足约束
8. 若超限 → 调整管数/折流板间距，返回步骤 3

关键公式速查

公式	编号	用途
$Q = m c_p \Delta T$	(5.1)	单股热负荷
$Q = K A \Delta T_m$	(5.2)	传热基本方程
$\frac{1}{K} = \frac{1}{h_o} + \frac{1}{h_i} \frac{A_o}{A_i} + R_f + \frac{\delta}{k_w}$	(5.6)	总热阻
$Nu = 0.023 Re^{0.8} Pr^n$	(5.17)	管内湍流传热
$\Delta P = f \frac{L}{d_i} \frac{\rho u^2}{2}$	(5.26)	管内压降（达西形式）

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