熱值交換第6章課件

第6章

間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計(jì)算71-12023/8/5第6章

間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計(jì)算71-12023/7/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2023/8/5熱工計(jì)算常用的計(jì)算方法其它間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計(jì)算表面式冷卻器的熱工計(jì)算6.36.46.56.671-2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

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)2023/8/571-3套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順流管殼式換熱器：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2023/8/571-4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，管增加管程單殼程、雙管程2023/8/571-5增加管程單殼程、雙管程2023/7/3171-5進(jìn)一步增加管程和殼程2-4型3-6型雙殼程、四管程2023/8/571-6進(jìn)一步增加管程和殼程2-4型3-6型雙殼程、四管程2023/交叉流換熱器：其主要特點(diǎn)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。2023/8/571-7交叉流換熱器：2023/7/3171-72023/8/571-82023/7/3171-8(c)板翅式交叉流換熱器2023/8/571-9(c)板翅式交叉流換熱器2023/7/3171-9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(gè)通道中流動，其特點(diǎn)是拆卸清洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體。2023/8/571-10板式換熱器：2023/7/3171-10螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成。優(yōu)點(diǎn)：換熱效果好；缺點(diǎn)：密封比較困難。1211222023/8/571-11螺旋板式換熱器：1211222023/7/3171-11

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2023/8/571-12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2023/8/571-132023/7/3171-13表冷器工作過程2023/8/571-14表冷器工作過程2023/7/3171-14hiho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2023/8/571-15hiho內(nèi)部對流：圓柱面導(dǎo)熱：外部對流：三式相加：6.26.3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hiho2023/8/571-166.3總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻其中：單位管長的總熱阻為:6.4換熱器熱工計(jì)算常用的計(jì)算方法一、換熱器熱工計(jì)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2023/8/571-176.4換熱器熱工計(jì)算常用的計(jì)算方法一、換熱器熱工計(jì)算的基18順流逆流二、

對數(shù)平均溫差法(LMTD法）2023/8/571-1818順流逆流二、對數(shù)平均溫差法(LMTD法）2023/7/傳熱方程的一般形式：當(dāng)溫差沿整個(gè)壁面不是常數(shù)時(shí)，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。dthdtcthtc2023/8/571-19傳熱方程的一般形式：當(dāng)溫差沿整個(gè)壁面不是常數(shù)時(shí)，比對數(shù)平均溫差2023/8/571-20對數(shù)平均溫差2023/7/3171-20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：2023/8/571-21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(shí)，兩者的差別小于4％(3.8%)；當(dāng)

時(shí)，兩者的差別小于2.3％。2023/8/571-22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)平均三、效能-傳熱單元數(shù)法（ε-NTU法）換熱器熱工計(jì)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(gè)變量:Q，KA，G1c1，G2c2，t1’，t1”，t2”，t2’。2023/8/571-23三、效能-傳熱單元數(shù)法（ε-NTU法）換熱器熱工計(jì)算的基本三個(gè)無因次量：熱容比（或水當(dāng)量比Cr

）：G2C2<G1C1時(shí)G2C2>G1C1時(shí)傳熱單元數(shù)NTU：傳熱效能ε：2023/8/571-24三個(gè)無因次量：熱容比（或水當(dāng)量比Cr）：G2C2<G1C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)：2023/8/571-25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

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(jì)算換熱器的熱工計(jì)算有兩種方法：設(shè)計(jì)計(jì)算：1）初步布置換熱面，并計(jì)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(gè)待定的溫度；3）由冷熱流體的4個(gè)進(jìn)出口溫度確定平均溫差；4）由傳熱方程式計(jì)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(jì)。（已知G1,c1,G2,c2，及進(jìn)出口溫度中的三個(gè),求K,A

）2023/8/571-26平均溫差法;效能-傳熱單元數(shù)平均溫差法步驟：直接校核計(jì)算：（已知A,G1,c1,G2,c2，兩個(gè)進(jìn)口溫度，求t”1,t”2）1）先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，按熱平衡式計(jì)算另一個(gè)出口溫度;2）根據(jù)4個(gè)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(jì)算在假設(shè)出口溫度下的Q；5）根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計(jì)算另一個(gè)Q，這個(gè)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(shí)的換熱量；6）比較兩個(gè)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。2023/8/571-27校核計(jì)算：（已知A,G1,c1,G2,c2，兩個(gè)進(jìn)口用效能-傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱器的步驟設(shè)計(jì)計(jì)算:及進(jìn)出口溫度中的三個(gè)，求已知顯然，利用已知條件可以計(jì)算出，而待求的k，A則包含在NTU內(nèi)，因此，對于設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算:及兩個(gè)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：2023/8/571-28用效能-傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱器的步驟設(shè)計(jì)計(jì)算:及進(jìn)出口溫度中②利用四個(gè)進(jìn)出口溫度計(jì)算定性溫度，確定物性，并結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)，計(jì)算總傳熱系數(shù)k③利用k,A計(jì)算NTU④利用NTU計(jì)算⑤分別利用Q=kAΔtm和Q＝ε(Gc)min(t’1-t’2)計(jì)算Q⑥比較兩個(gè)Q，是否滿足精度，否則重復(fù)以上步驟①假設(shè)一個(gè)出口溫度t”，利用熱平衡式計(jì)算另一個(gè)t”2023/8/571-29②利用四個(gè)進(jìn)出口溫度計(jì)算定性溫度，確定物性，并結(jié)合換熱器結(jié)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(jì)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(jì)算，較-NTU法麻煩2023/8/571-30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6.5表面式冷卻器的熱工計(jì)算一、表冷器處理空氣時(shí)發(fā)生的熱質(zhì)交換特點(diǎn)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(diǎn)溫度時(shí)，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(diǎn)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。2023/8/571-316.5表面式冷卻器的熱工計(jì)算一、表冷器處理空氣時(shí)發(fā)生的熱熱質(zhì)交換規(guī)律符合劉伊斯關(guān)系式這時(shí)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2023/8/571-32熱質(zhì)交換規(guī)律符合劉伊斯關(guān)系式這時(shí)推動總熱交換的動力是焓差，濕工況時(shí)換熱公式:干工況時(shí)換熱公式:干、濕工況換熱公式表明:出現(xiàn)凝結(jié)水時(shí)，相當(dāng)于有肋外表面換熱系數(shù)比干工況增大了ξ倍。2023/8/571-33濕工況時(shí)換熱公式:干工況時(shí)換熱公式:干、濕工況換熱公式表明: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)2023/8/571-34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、表冷器干工況下以內(nèi)表面積為計(jì)算基準(zhǔn)時(shí)：肋化系數(shù):濕工況時(shí)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。2023/8/571-35干工況下以內(nèi)表面積為計(jì)算基準(zhǔn)時(shí)：肋化系數(shù):濕工況時(shí)換熱公式:因此，濕工況條件下，以內(nèi)表面積計(jì)算時(shí)，傳熱系數(shù)的表達(dá)式為：2023/8/571-36

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)。因此，濕工況條件下，以內(nèi)表面積計(jì)算時(shí)，2023/7/3171表冷器傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)公式：其中：Vy-空氣通過表冷器時(shí)的迎面風(fēng)速,m/s；w-水在表冷器管內(nèi)流速，m/s2023/8/571-37表冷器傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)公式：其中：2023/7/3171-37三、表冷器的熱工計(jì)算分為設(shè)計(jì)性計(jì)算和校核性計(jì)算兩種類型。設(shè)計(jì)性計(jì)算用于選擇表冷器，而校核計(jì)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）2023/8/571-38t1，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(shí)考慮了空氣和水的狀態(tài).三、表冷器的熱工計(jì)算分為設(shè)計(jì)性計(jì)算和校核性計(jì)算兩種類型。表熱容比Cr

傳熱單元數(shù)NTU表冷器一般可視為逆流流動，故：2023/8/571-39

ε1實(shí)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.熱容比Cr傳熱單元數(shù)NTU表冷器一般可視為逆流流動，故：2123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12）表冷器接觸系數(shù)其中t3為接觸時(shí)間足夠長時(shí)空氣終態(tài)的干球溫度。利用相似三角形上式也可寫成2023/8/571-40只考慮了空氣的狀態(tài)變化物理意義？？123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12）表冷器接觸系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：123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12’1’2023/8/571-41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：12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：2023/8/571-42在表冷器上取一微元面積dA代入劉伊斯關(guān)系式得：ii1i2i32023/8/571-432023/7/3171-43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6-42023/8/571-44即ε2隨著N的增加而變大，隨著υy的增加而變小。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)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(shí)，后面幾排還會因?yàn)槔渌c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(shí)，一般在表冷器的后面要裝擋水板。2023/8/571-45雖然ε2隨N增加和Vy減小而增大，但：2023/7/31713）表冷器熱工計(jì)算的主要原則計(jì)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(jì)算可利用的公式：2023/8/571-463）表冷器熱工計(jì)算的主要原則計(jì)算選擇的表冷器應(yīng)滿足：計(jì)算可利表冷器設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)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(gè)，可以進(jìn)行計(jì)算。表冷器阻力計(jì)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2023/8/571-47表冷器設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：設(shè)計(jì)計(jì)算：已知：空氣的G,(t1,i

1、空氣加熱器的熱工計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算1、空氣加熱器的熱工計(jì)算6.6其它間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備由于空氣被加熱時(shí)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(shí)際應(yīng)用中，以熱水為熱媒時(shí)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(shí)驗(yàn)給出的常數(shù)，無因次

空氣加熱器的熱工計(jì)算也分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算，計(jì)算方法有平均溫差法和熱交換效率法兩種：由于空氣被加熱時(shí)溫度度化導(dǎo)致的密度變化較大，故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(shí)：當(dāng)熱媒為蒸汽時(shí)：（tq為蒸汽溫度）1）平均溫差法

計(jì)算步驟：（設(shè)計(jì)計(jì)算）①初選加熱器的型號先假定空氣質(zhì)量流速vρ，則加熱