熱值交換第6章

第6章

間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算71-12023/2/6內(nèi)容間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的型式與結(jié)構(gòu)6.1間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析6.2總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻2023/2/6熱工計算常用的計算方法其它間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算表面式冷卻器的熱工計算6.36.46.56.671-2

套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。順流逆流6.1間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的型式與結(jié)構(gòu)2023/2/671-3管殼式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。單殼程、單管程2023/2/671-4增加管程單殼程、雙管程2023/2/671-5進(jìn)一步增加管程和殼程2-4型3-6型雙殼程、四管程2023/2/671-6交叉流換熱器：其主要特點是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管束式、管翅式和板翅式三種。2023/2/671-72023/2/671-8(c)板翅式交叉流換熱器2023/2/671-9板式換熱器：由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成，冷熱流體間隔地在每個通道中流動，其特點是拆卸清洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體。2023/2/671-10螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成。優(yōu)點：換熱效果好；缺點：密封比較困難。1211222023/2/671-11

例如，空調(diào)工程中處理空氣的表冷器，一般在空氣側(cè)加裝各種形式的肋片間壁式換熱器種類和型式的不同換熱設(shè)備兩端流體的不同2023/2/671-122023/2/671-13表冷器工作過程2023/2/671-14hiho內(nèi)部對流：圓柱面導(dǎo)熱：外部對流：三式相加：6.2間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析2023/2/671-156.3總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻其中：單位管長的總熱阻為:其中i表示內(nèi)表面，o表示外表面hiho2023/2/671-166.4換熱器熱工計算常用的計算方法一、換熱器熱工計算的基本公式傳熱方程式:

Q=KAΔtm

熱平衡方程式:

Q=G1c1（t1’-t1”）=G2c2（t2”-t2’）

通常：1-熱流體；2-冷流體2023/2/671-1718順流逆流二、

對數(shù)平均溫差法(LMTD法）2023/2/671-18傳熱方程的一般形式：當(dāng)溫差沿整個壁面不是常數(shù)時，比如等壁溫條件下的管內(nèi)對流換熱，以及我們現(xiàn)在遇到的換熱器等，需要用到平均溫差。dthdtcthtc2023/2/671-19對數(shù)平均溫差2023/2/671-20順流和逆流的區(qū)別在于：將對數(shù)平均溫差寫成統(tǒng)一形式(順流和逆流都適用):順流：逆流：2023/2/671-21平均溫差更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即算術(shù)平均溫差算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，總是大于相同進(jìn)出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng)

時，兩者的差別小于4％(3.8%)；當(dāng)

時，兩者的差別小于2.3％。2023/2/671-22三、效能-傳熱單元數(shù)法（ε-NTU法）換熱器熱工計算的基本公式:Q=KAΔtm;

Q=G1c1（t1’-t1”）=G2c2（t2”-t2’）

將方程式無因次化：ε-NTU法八個變量:Q，KA，G1c1，G2c2，t1’，t1”，t2”，t2’。2023/2/671-23三個無因次量：熱容比（或水當(dāng)量比Cr

）：G2C2<G1C1時G2C2>G1C1時傳熱單元數(shù)NTU：傳熱效能ε：2023/2/671-24換熱器的效能定義:物理意義：如果已知了效能和冷熱流體的進(jìn)口溫差，則Q：ε-NTU法推導(dǎo)：2023/2/671-25

平均溫差法;效能-傳熱單元數(shù)平均溫差法步驟：直接用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)行計算換熱器的熱工計算有兩種方法：設(shè)計計算：1）初步布置換熱面，并計算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)K；2）根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個待定的溫度；3）由冷熱流體的4個進(jìn)出口溫度確定平均溫差；4）由傳熱方程式計算所需的換熱面積A，并核算換熱面流體的流動阻力；5）如果流動阻力過大，則需要改變方案重新設(shè)計。（已知G1,c1,G2,c2，及進(jìn)出口溫度中的三個,求K,A

）2023/2/671-26校核計算：（已知A,G1,c1,G2,c2，兩個進(jìn)口溫度，求t”1,t”2）1）先假設(shè)一個流體的出口溫度，按熱平衡式計算另一個出口溫度;2）根據(jù)4個進(jìn)出口溫度求得平均溫差Δtm;3）根據(jù)換熱器結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k;4）已知k，A和Δtm，按傳熱方程式計算在假設(shè)出口溫度下的Q；5）根據(jù)4個進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計算另一個Q，這個值和上面的Q，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，都不是真實的換熱量；6）比較兩個Q值，滿足精度要求，則結(jié)束;否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)～(6)，直至滿足精度。2023/2/671-27用效能-傳熱單元數(shù)法計算換熱器的步驟設(shè)計計算:及進(jìn)出口溫度中的三個，求已知顯然，利用已知條件可以計算出，而待求的k，A則包含在NTU內(nèi)，因此，對于設(shè)計計算是已知，求NTU，求解過程與平均溫差法相似，不再重復(fù)。校核計算:及兩個進(jìn)口溫度，求已知由于k事先不知，故仍需假設(shè)一出口溫度，具體如下：2023/2/671-28②利用四個進(jìn)出口溫度計算定性溫度，確定物性，并結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)，計算總傳熱系數(shù)k③利用k,A計算NTU④利用NTU計算⑤分別利用Q=kAΔtm和Q＝ε(Gc)min(t’1-t’2)計算Q⑥比較兩個Q，是否滿足精度，否則重復(fù)以上步驟①假設(shè)一個出口溫度t”，利用熱平衡式計算另一個t”2023/2/671-29效能-傳熱單元數(shù)法，假設(shè)的出口溫度對傳熱量Q的影響不是直接的，而是通過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而影響NTU，并最終影響Q值。而平均溫差法的假設(shè)溫度直接用于計算Q

值，顯然-NTU法對假設(shè)溫度沒有平均溫差法敏感，這是該方法的優(yōu)勢。四、對數(shù)平均溫差法與效能-傳熱單元法的比較對數(shù)平均溫差法，可根據(jù)溫差修正系數(shù)判斷選擇的流動形式與逆流的差距。而-NTU法不能。對數(shù)平均溫差法反復(fù)進(jìn)行對數(shù)計算，較-NTU法麻煩2023/2/671-306.5表面式冷卻器的熱工計算一、表冷器處理空氣時發(fā)生的熱質(zhì)交換特點濕工況中空氣與表冷器之間不但發(fā)生顯熱交換，而且也發(fā)生質(zhì)交換和由此引起的潛熱交換干工況

當(dāng)冷卻器表面溫度低于被處理空氣的干球溫度，但高于其露點溫度時，空氣只被冷卻而并不產(chǎn)生凝結(jié)水。該過程稱為等濕冷卻過程或干冷過程。濕工況

如果冷卻器的表面溫度低于空氣的露點溫度，則空氣不但被冷卻，而且其中所含水蒸汽也將部分地凝結(jié)出來，并在冷卻器的肋片管表面上形成水膜。這種過程稱為減濕冷卻過程或濕冷過程。2023/2/671-31熱質(zhì)交換規(guī)律符合劉伊斯關(guān)系式這時推動總熱交換的動力是焓差，而不是溫差。即總熱交換量為（麥凱爾方程）由溫差引起的熱交換量為換熱擴(kuò)大系數(shù)（析濕系數(shù)）表示由于存在濕交換而增大了的換熱量2023/2/671-32濕工況時換熱公式:干工況時換熱公式:干、濕工況換熱公式表明:出現(xiàn)凝結(jié)水時，相當(dāng)于有肋外表面換熱系數(shù)比干工況增大了ξ倍。2023/2/671-33通過肋壁的傳熱肋壁面積：穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：肋面總效率二、表冷器的傳熱系數(shù)2023/2/671-34干工況下以內(nèi)表面積為計算基準(zhǔn)時：肋化系數(shù):濕工況時換熱公式:可認(rèn)為由于水分凝結(jié)，外表面換熱系數(shù)比干工況增大了ξ倍。2023/2/671-35因此，濕工況條件下，以內(nèi)表面積計算時，傳熱系數(shù)的表達(dá)式為：2023/2/671-36

對于一定結(jié)構(gòu)的表冷器，影響傳熱系數(shù)的主要因素為內(nèi)、外表面的換熱系數(shù)和析濕系數(shù)，而外表面的換熱系數(shù)與空氣的迎面風(fēng)速Vy有關(guān)，內(nèi)表面的換熱系數(shù)與管內(nèi)的水流速ω有關(guān)，析濕系數(shù)與被處理空氣的初狀態(tài)和管內(nèi)水溫有關(guān)。表冷器傳熱系數(shù)的實驗公式：其中：Vy-空氣通過表冷器時的迎面風(fēng)速,m/s；w-水在表冷器管內(nèi)流速，m/s2023/2/671-37三、表冷器的熱工計算分為設(shè)計性計算和校核性計算兩種類型。設(shè)計性計算用于選擇表冷器，而校核計算多用于檢查已有的表冷器能將一定初參數(shù)的空氣處理到什么樣的終參數(shù)。表冷器熱交換系數(shù)和接觸系數(shù)定義：1）熱交換系數(shù)（即傳熱效能）2023/2/671-38t1，t2：處理前，后空氣的干球溫度℃；

tw1：冷卻水初溫℃ε1的定義式同時考慮了空氣和水的狀態(tài).熱容比Cr

傳熱單元數(shù)NTU表冷器一般可視為逆流流動，故：2023/2/671-39

ε1實質(zhì)上就是換熱器的傳熱效能ε

對于表冷器的濕工況而言，由于質(zhì)交換使總換熱量增加了ζ倍，即dQt=ζdQ=ζGCpdt，表明：相當(dāng)于空氣的熱容量增大了ζ倍.123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12）表冷器接觸系數(shù)其中t3為接觸時間足夠長時空氣終態(tài)的干球溫度。利用相似三角形上式也可寫成2023/2/671-40只考慮了空氣的狀態(tài)變化物理意義？？利用相似三角形對應(yīng)邊成比例的關(guān)系：接觸系數(shù)的近似表達(dá)式：123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12’1’2023/2/671-41在表冷器上取一微元面積dA代入劉伊斯關(guān)系式得：ii1i2i3i3dAdiA積分得：2023/2/671-422023/2/671-43肋通系數(shù)a給定表冷器，則肋通系數(shù)a為定值，空氣物性近似為常數(shù)，hw通常與Vy成正比，因此：見p285附錄6-42023/2/671-44即ε2隨著N的增加而變大，隨著υy的增加而變小。雖然ε2隨N增加和Vy減小而增大，但：（1）N增加也將使空氣阻力增加。而N過多時，后面幾排還會因為冷水與空氣之間溫差過小而減弱傳熱作用，故排數(shù)不宜過多。一般多用4-8排。（2）Vy過低，則冷卻器尺寸變大，初投資增加。

Vy過高，ε2減小，空氣阻力大，可能攜帶冷凝水進(jìn)入送風(fēng)系統(tǒng)，影響送風(fēng)參數(shù)。比較合適的Vy值為2～3m/s，當(dāng)Vy>2.5m/s時，一般在表冷器的后面要裝擋水板。2023/2/671-453）表冷器熱工計算的主要原則計算選擇的表冷器應(yīng)滿足：①該冷卻器能達(dá)到的ε1、ε2應(yīng)該等于空氣處理過程需要的ε1

、ε2

；②該冷卻器能吸收的熱量應(yīng)該等于空氣放出的熱量計算可利用的公式：2023/2/671-46表冷器設(shè)計計算步驟：設(shè)計計算：已知：空氣的G,(t1,i1),(t2,i2)求表冷器的KA（型號、結(jié)構(gòu)、臺數(shù)、排數(shù)等）、冷水tw1,tw2(或冷水量w、冷量Q等)校核計算：已知：空氣的G,(t1,i1),表冷器的KA（型號、結(jié)構(gòu)、臺數(shù)、排數(shù)等）、冷水tw1,

冷水量w求空氣(t2,i2),冷水tw2,(冷量Q)無論哪種類型，未知數(shù)一般為3個，可以進(jìn)行計算。表冷器阻力計算部分公式見p282附錄6-3。P180例題4)關(guān)于安全系數(shù)的考慮

增大面積或降低水溫2023/2/671-47

1、空氣加熱器的熱工計算空氣加熱器中所用熱媒可以是熱水或蒸汽。因此只有顯熱交換，故熱工計算較簡單。只要加熱器供給的熱量等于加熱空氣需要的熱量即可。以熱水為熱媒的空氣加熱器，其傳熱系數(shù)公式為:實際工程中，也可整理成右上式的形式（ζ=1），6.6其它間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算由于空氣被加熱時溫度度化導(dǎo)致的密度變化較大，故一般用質(zhì)量流速vρ較之于迎面風(fēng)速vy更多，故實際應(yīng)用中，以熱水為熱媒時傳熱系數(shù)整理如下形式；

對于以蒸汽為熱媒的空氣加熱器，可不考慮蒸汽流速的影響，故傳熱系數(shù)整理成：式中：都由實驗給出的常數(shù)，無因次

空氣加熱器的熱工計算也分為設(shè)計計算和校核計算，計算方法有平均溫差法和熱交換效率法兩種：1）平均溫差法已知被加熱空氣量Gkg/s，加熱前后空氣溫度t1，t2，則加熱空氣所需熱量為：Q=GCp（t2－t1）而空氣加熱器的供熱量為：Q/=KA△tm，△tm一般常用算術(shù)平均溫度△tp當(dāng)熱媒為熱水時：當(dāng)熱媒為蒸汽時：（tq為蒸汽溫度）

計算步驟：（設(shè)計計算）①初選加熱器的型號先假定空氣質(zhì)量流速vρ，則加熱器的有效截面積為f=G/vρ

從傳熱系數(shù)實驗公式知，vρ↑→k↑→A↓→設(shè)