热值交换第6章课件

第第6 6章章 间壁式热质交换设备间壁式热质交换设备的热工计算的热工计算71-12024/7/8内内 容容间壁式热质交换设备的型式与结构间壁式热质交换设备的型式与结构6.1间壁两侧流体传热过程分析间壁两侧流体传热过程分析6.2总传热系数与总传热热阻总传热系数与总传热热阻2024/7/8热工计算常用的计算方法热工计算常用的计算方法其它间壁式热质交换设备的热工计算其它间壁式热质交换设备的热工计算表面式冷却器的热工计算表面式冷却器的热工计算6.36.46.56.671-2 套管式换热器：套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体最简单的一种间壁式换热器，流体有有顺流和逆流顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形。不大的情形。顺流顺流逆流逆流6.1 间壁式热质交换设备的型式与结构间壁式热质交换设备的型式与结构2024/7/871-3管壳式换热器：管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分板再封装在外壳内。两种流体分管程管程和和壳程壳程。单壳程、单管程单壳程、单管程2024/7/871-4增加管程增加管程单壳程、双管程单壳程、双管程2024/7/871-5进一步增加管程和壳程进一步增加管程和壳程2-4型型3-6型型双壳程、四管程双壳程、四管程2024/7/871-6交叉流换热器：交叉流换热器：其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。器又分管束式、管翅式和板翅式三种。2024/7/871-72024/7/871-8(c)板翅式交叉流换热器板翅式交叉流换热器2024/7/871-9板式换热器：板式换热器：由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。便，故适用于含有易结垢物的流体。2024/7/871-10螺旋板式换热器：螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成。优点：换热表面由两块金属板卷制而成。优点：换热效果好换热效果好；缺点：密封比较困难。缺点：密封比较困难。1211222024/7/871-11 例如，空调工程中处理空气的例如，空调工程中处理空气的表冷器，表冷器，一般在空气侧加装各一般在空气侧加装各种形式的肋片种形式的肋片间壁式换热器种类和型式的不同间壁式换热器种类和型式的不同换热设备两端流体的不同换热设备两端流体的不同2024/7/871-122024/7/871-13表冷器工作过程2024/7/871-14hiho内部对流：内部对流：圆柱面导热：圆柱面导热：外部对流：外部对流：三式相加：三式相加：6.2 间壁两侧流体传热过程分析间壁两侧流体传热过程分析2024/7/871-156.3 总传热系数与总传热热阻总传热系数与总传热热阻其中：其中：单位管长的总热阻为单位管长的总热阻为:其中其中i表示内表面，表示内表面，o表示外表面表示外表面hiho2024/7/871-166.4 换热器热工计算常用的计算方法换热器热工计算常用的计算方法一、一、换热器热工计算的基本公式换热器热工计算的基本公式传热方程式传热方程式:Q=KAtm 热平衡方程式热平衡方程式:Q=G1c1（t1-t1”）=G2c2（t2”-t2）通常：通常：1-热流体；热流体；2-冷流体冷流体2024/7/871-1718顺流顺流逆流逆流二、二、对数平均温差法数平均温差法(LMTD法）法）2024/7/871-18传热方程的一般形式：传热方程的一般形式：当温差当温差 沿整个壁面不是常沿整个壁面不是常数时，比如等壁温条件下的数时，比如等壁温条件下的管内对流换热，以及我们现管内对流换热，以及我们现在遇到的换热器等，需要用在遇到的换热器等，需要用到到平均温差平均温差。dthdtcthtc2024/7/871-19对数平对数平均温差均温差2024/7/871-20顺流和逆流的区别在于：顺流和逆流的区别在于：将对数平均温差写成统一形式将对数平均温差写成统一形式(顺流和逆流都适用顺流和逆流都适用):顺流：顺流：逆流：逆流：2024/7/871-21平均温差更为简单的形式是算术平均温差，即平均温差更为简单的形式是算术平均温差，即算术平均温差算术平均温差算术平均温差算术平均温差算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，总是算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，总是大于大于相同进出口温度下的对数平均温差，相同进出口温度下的对数平均温差，当当 时，两者的差别小于时，两者的差别小于4(3.8%)；当当 时，两者的差别小于时，两者的差别小于2.3。2024/7/871-22三、效能三、效能-传热单元数法（传热单元数法（-NTU法）法）换热器热工计算的基本公式换热器热工计算的基本公式:Q=KAtm;Q=G1c1（t1-t1”）=G2c2（t2”-t2）将方程式无因次化：将方程式无因次化：-NTU法法八个变量八个变量:Q，KA，G1c1，G2c2，t1，t1”，t2”，t2。2024/7/871-23三个无因次量：三个无因次量：热容比（或水当量比热容比（或水当量比Cr）：）：G2C2G1C1时时传热单元数传热单元数NTU：传热效能传热效能：2024/7/871-24换热器的换热器的效能效能定义定义:物理意义：物理意义：如果已知了效能如果已知了效能 和冷热流体的进口温差，则和冷热流体的进口温差，则Q：-NTU法推法推导：2024/7/871-25 平均温差法平均温差法;效能效能-传热单元数传热单元数平均温差法步骤：平均温差法步骤：平均温差法步骤：平均温差法步骤：直接用传热方程和热平衡方程进行计算直接用传热方程和热平衡方程进行计算换热器的热工计算有两种方法：换热器的热工计算有两种方法：设计计算设计计算设计计算设计计算：1）初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数）初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数K；2）根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的）根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度；那个待定的温度；3）由冷热流体的）由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差；个进出口温度确定平均温差；4）由传热方程式计算所需的换热面积）由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流，并核算换热面流体的流动阻力；体的流动阻力；5）如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计）如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。（已知（已知G1,c1,G2,c2，及进出口温度中的三个，及进出口温度中的三个,求求K,A）2024/7/871-26校核计算校核计算校核计算校核计算：（已已知知A,G1,c1,G2,c2，两两个个进进口口温温度度，求求t”1,t”2）1）先先假假设设一一个个流流体体的的出出口口温温度度，按按热热平平衡衡式式计计算算另另一一个出口温度个出口温度;2）根据）根据4个进出口温度求得平均温差个进出口温度求得平均温差tm;3）根据换热器结构，算出相应工作条件下的总传热系数）根据换热器结构，算出相应工作条件下的总传热系数k;4）已已知知k，A和和tm，按按传传热热方方程程式式计计算算在在假假设设出出口口温温度度下的下的Q；5）根根据据4个个进进出出口口温温度度，用用热热平平衡衡式式计计算算另另一一个个Q，这这个个值值和和上上面面的的Q，都都是是在在假假设设出出口口温温度度下下得得到到的的，因因此此，都不是真实的换热量；都不是真实的换热量；6）比比较较两两个个Q值值，满满足足精精度度要要求求，则则结结束束;否否则则，重重新新假假定出口温度，重复定出口温度，重复(1)(6)，直至满足精度。，直至满足精度。2024/7/871-27用效能用效能-传热单元数法计算换热器的步骤传热单元数法计算换热器的步骤设计计算设计计算设计计算设计计算:及进出口温度中的三个，求及进出口温度中的三个，求已知已知显显然然，利利用用已已知知条条件件可可以以计计算算出出 ，而而待待求求的的k，A则则包包含含在在NTU内内，因因此此，对对于于设设计计计计算算是是已已知知 ，求求NTU，求解过程与平均温差法相似，不再重复。，求解过程与平均温差法相似，不再重复。校核计算校核计算校核计算校核计算:及两个进口温度，求及两个进口温度，求已知已知由于由于k事先不知，故仍需假设一出口温度，具体如下：事先不知，故仍需假设一出口温度，具体如下：2024/7/871-28 利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数并结合换热器结构，计算总传热系数k 利用利用k,A计算计算NTU 利用利用NTU计算计算 分别利用分别利用Q=kAtm和和Q(Gc)min(t1-t2)计算计算Q 比较两个比较两个Q，是否满足精度，否则重复以上步骤，是否满足精度，否则重复以上步骤 假设一个出口温度假设一个出口温度t”，利用热平衡式计算另一个，利用热平衡式计算另一个t”2024/7/871-29效能效能-传热单元数法，假设的出口温度对传热量传热单元数法，假设的出口温度对传热量Q的影的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响从而影响NTU，并最终影响，并最终影响 Q值。而平均温差法的假值。而平均温差法的假设温度直接用于计算设温度直接用于计算Q 值，显然值，显然-NTU法对假设温度法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。四、四、对数平均温差法与效能数平均温差法与效能-传热单元法的比元法的比较对数平均温差法，可根据温差修正系数判断选择的流对数平均温差法，可根据温差修正系数判断选择的流动形式与逆流的差距。动形式与逆流的差距。而而-NTU法不能。法不能。对数平均温差法反复进行对数计算，较对数平均温差法反复进行对数计算，较-NTU法麻烦法麻烦2024/7/871-306.5 表面式冷却器的热工计算表面式冷却器的热工计算一、一、表冷器处理空气时发生的热质交换特点表冷器处理空气时发生的热质交换特点湿工况湿工况湿工况湿工况中空气与表冷器之间不但发生显热交换，而中空气与表冷器之间不但发生显热交换，而且也发生质交换和由此引起的潜热交换且也发生质交换和由此引起的潜热交换 干工况干工况 当冷却器表面温度低于被处理空气的干球温度，但高当冷却器表面温度低于被处理空气的干球温度，但高于其露点温度时，空气只被冷却而并不产生凝结水。于其露点温度时，空气只被冷却而并不产生凝结水。该过程称为该过程称为等湿冷却过程等湿冷却过程或或干冷过程干冷过程。湿工况湿工况 如果冷却器的表面温度低于空气的露点温度，则空如果冷却器的表面温度低于空气的露点温度，则空气不但被冷却，而且其中所含水蒸汽也将部分地凝气不但被冷却，而且其中所含水蒸汽也将部分地凝结出来，并在冷却器的肋片管表面上形成水膜。这结出来，并在冷却器的肋片管表面上形成水膜。这种过程称为种过程称为减湿冷却过程减湿冷却过程或或湿冷过程湿冷过程。2024/7/871-31热质交换规律符合刘伊斯关系式热质交换规律符合刘伊斯关系式 这时推动总热交换的这时推动总热交换的动力是焓差动力是焓差，而，而不是温差不是温差。即。即总热交换量为（麦凯尔方程）总热交换量为（麦凯尔方程）由温差引起的热交换量为由温差引起的热交换量为 换热扩大系数换热扩大系数（析湿系数析湿系数）表示由于存在湿交换而增）表示由于存在湿交换而增大了的换热量大了的换热量 2024/7/871-32湿工况时换热公式湿工况时换热公式:干工况时换热公式干工况时换热公式:干、湿工况换热公式表明干、湿工况换热公式表明:出现凝结水时，相当于出现凝结水时，相当于有肋外表面换热系数比干工况增大了有肋外表面换热系数比干工况增大了倍。倍。2024/7/871-33通过肋壁的传热通过肋壁的传热肋壁面积：肋壁面积：稳态下换热情况：稳态下换热情况：肋面总效率肋面总效率二、表冷器的二、表冷器的传热系数系数2024/7/871-34干工况干工况下以内表面积为计算基准时：下以内表面积为计算基准时：肋化系数肋化系数:湿工况时换热公式湿工况时换热公式:可认为可认为由于水分凝结，外表面换热系数比干工况增由于水分凝结，外表面换热系数比干工况增大了大了倍。倍。2024/7/871-35因此，因此，湿工况湿工况条件下，以内表面积计算时，条件下，以内表面积计算时，传热系数的表达式为传热系数的表达式为：2024/7/871-36 对于一定结构的表冷器，影响传热系数的对于一定结构的表冷器，影响传热系数的主要因素为内、外表面的换热系数和析湿系数，主要因素为内、外表面的换热系数和析湿系数，而外表面的换热系数与空气的而外表面的换热系数与空气的迎面风速迎面风速Vy有关，有关，内表面的换热系数与管内的内表面的换热系数与管内的水流速水流速有关，析湿有关，析湿系数与被处理空气的系数与被处理空气的初状态和管内水温初状态和管内水温有关。有关。表冷器传热系数的实验公式：表冷器传热系数的实验公式：其中：其中：Vy-空气通过表冷器时的迎面风速空气通过表冷器时的迎面风速,m/s；w-水在表冷器管内流速，水在表冷器管内流速，m/s2024/7/871-37三、表冷器的热工计算三、表冷器的热工计算 分为分为设计性计算设计性计算和和校核性计算校核性计算两种类型。两种类型。设计性计算用于选择表冷器，而校核计算多用于检查已设计性计算用于选择表冷器，而校核计算多用于检查已有的表冷器能将一定初参数的空气处理到什么样的终参有的表冷器能将一定初参数的空气处理到什么样的终参数。数。表冷器热交换系数和接触系数定义：表冷器热交换系数和接触系数定义：1）热交换系数（即传热效能）热交换系数（即传热效能）2024/7/871-38t1，t2：处理前，后空气的干球温度：处理前，后空气的干球温度；tw1：冷却水初温：冷却水初温1的定义式同时考虑了空气和水的状态的定义式同时考虑了空气和水的状态.热容比热容比Cr 传热单元数传热单元数NTU表冷器一般可视为逆流流动，故：表冷器一般可视为逆流流动，故：2024/7/871-39 1实质上就是换热器的传热效能实质上就是换热器的传热效能 对于表冷器的湿工况而言，由于质交换使总换热量增加了对于表冷器的湿工况而言，由于质交换使总换热量增加了倍，倍，即即 dQt=dQ=GCpdt，表明：相当于空气的热容量增大了表明：相当于空气的热容量增大了倍倍.123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12）表冷器）表冷器接触系数接触系数其中其中t3为接触时间足够长时空为接触时间足够长时空气终态的干球温度。气终态的干球温度。利用相似三角形利用相似三角形上式也可写成上式也可写成2024/7/871-40只考虑了空气的状态变化只考虑了空气的状态变化物理意义？物理意义？利用相似三角形对应边成比例的关系：利用相似三角形对应边成比例的关系：接触系数的近似表达式：接触系数的近似表达式：123t2tw1t3ts2i1t1i2ts1212024/7/871-41在表冷器上取一微元面积在表冷器上取一微元面积dA代入刘伊斯关系式得：代入刘伊斯关系式得：ii1i2i3i3dAdiA积分得：积分得：2024/7/871-422024/7/871-43肋通系数肋通系数a给定表冷器，则肋通系数给定表冷器，则肋通系数a为定值，空气物性近似为为定值，空气物性近似为常数，常数，hw通常与通常与Vy成正比，因此：成正比，因此：见见p285附录附录6-42024/7/871-44即即2随着随着N的增加而变大，随着的增加而变大，随着y的增加而变小。的增加而变小。虽然虽然2随随N增加和增加和Vy减小而增大，减小而增大，但：但：（1）N增加增加也将使空气阻力增加。而也将使空气阻力增加。而N过多时，后过多时，后面几排还会因为冷水与空气之间温差过小而减弱面几排还会因为冷水与空气之间温差过小而减弱传热作用，故排数不宜过多。一般多用传热作用，故排数不宜过多。一般多用4-8排。排。（2）Vy过低过低，则冷却器尺寸变大，初投资增加。，则冷却器尺寸变大，初投资增加。Vy过高过高，2减小，空气阻力大，可能携带冷凝水减小，空气阻力大，可能携带冷凝水进入送风系统，影响送风参数。比较合适的进入送风系统，影响送风参数。比较合适的Vy值值为为23m/s，当，当Vy 2.5m/s时，一般在表冷器的后时，一般在表冷器的后面要装挡水板。面要装挡水板。2024/7/871-453）表冷器热工计算的主要原则）表冷器热工计算的主要原则计算选择的表冷器应满足：计算选择的表冷器应满足：计算选择的表冷器应满足：计算选择的表冷器应满足：该冷却器能达到的该冷却器能达到的1、2应该等于空气处理过程需应该等于空气处理过程需要的要的1、2；该冷却器能吸收的热量应该等于空气放出的热量该冷却器能吸收的热量应该等于空气放出的热量 计算可利用的公式：计算可利用的公式：计算可利用的公式：计算可利用的公式：2024/7/871-46表冷器设计计算步骤：表冷器设计计算步骤：表冷器设计计算步骤：表冷器设计计算步骤：设计计算：设计计算：设计计算：设计计算：已知：空气的已知：空气的G,(t1,i1),(t2,i2)求表冷器的求表冷器的KA（型号、结构、台数、排数等）、冷水（型号、结构、台数、排数等）、冷水tw1,tw2(或冷水量或冷水量w、冷量、冷量Q等等)校核计算：校核计算：校核计算：校核计算：已知：空气的已知：空气的G,(t1,i1),表冷器的表冷器的KA（型号、结构、台数、排（型号、结构、台数、排数等）、冷水数等）、冷水tw1,冷水量冷水量w求空气求空气(t2,i2),冷水冷水tw2,(冷量冷量Q)无论哪种类型，未知数一般为无论哪种类型，未知数一般为3个，可以进行计算。个，可以进行计算。表冷器表冷器阻力计算阻力计算部分公式见部分公式见p282附录附录6-3。P180例题例题4)关于安全系数的考虑关于安全系数的考虑 增大面积增大面积或或降低水温降低水温2024/7/871-47 1 1、空气加热器的热工计算、空气加热器的热工计算 空气加热器中所用热媒可以是空气加热器中所用热媒可以是热水或蒸汽热水或蒸汽。因此。因此只有显热交换，故热工计算较简单。只要只有显热交换，故热工计算较简单。只要加热器供给加热器供给的热量等于加热空气需要的热量的热量等于加热空气需要的热量即可。即可。以热水为热媒的空气加热器，其传热系数公式为以热水为热媒的空气加热器，其传热系数公式为:实际工程中，也可整理成右上式的形式（实际工程中，也可整理成右上式的形式（=1=1），6.6 其它间壁式热质交换设备的热工计算其它间壁式热质交换设备的热工计算由于空气被加热时温度度化导致的由于空气被加热时温度度化导致的密度变化较大密度变化较大，故，故一般用质量流速一般用质量流速vv较之于迎面风速较之于迎面风速v vy y更多，故实际更多，故实际应用中，以应用中，以热水为热媒时热水为热媒时传热系数整理如下形式；传热系数整理如下形式；对于以对于以蒸汽蒸汽为热媒的空气加热器，可不考虑蒸汽流为热媒的空气加热器，可不考虑蒸汽流速的影响，故传热系数整理成：速的影响，故传热系数整理成：式中：式中：都由实验给出的常数，无因次都由实验给出的常数，无因次 空气加热器的热工计算也分为设计计算和校核计空气加热器的热工计算也分为设计计算和校核计算，计算方法有算，计算方法有平均温差法平均温差法和和热交换效率法热交换效率法两种：两种：1）平均温差法）平均温差法已知被加热空气量已知被加热空气量G kg/sG kg/s，加热前后空气温度，加热前后空气温度t t1 1，t t2 2，则加热空气所，则加热空气所需热量需热量为：为：Q=GCQ=GCp p（t t2 2t t1 1）而空气加热器的而空气加热器的供热量供热量为：为：Q Q/=KAt=KAtm m，t tm m一般常用算术平均温度一般常用算术平均温度t tp p当热媒为当热媒为热水热水时：时：当热媒为当热媒为蒸汽蒸汽时：时：（tq为蒸汽温度）为蒸汽温度）计算步骤：（设计计算）计算步骤：（设计计算）初选加热器的型号初选加热器的型号 先先假定假定空气质量流速空气质量流速v，则加热器的有效截面积为，则加热器的有效截面积为f=G/v 从传热系数实验公式知，从传热系数实验公式知，vkA设备初投资设备初投资，另一方面，另一方面，v阻力阻力p运行费运行费，故应采用，故应采用“经济质经济质量流速量流速”，一般在一般在8kg/m2.s左右左右。型号选定后可求得实际截。型号选定后可求得实际截面积和实际的面积和实际的v。计算传热系数计算传热系数 依据经验公式计算传热系数（附录）依据经验公式计算传热系数（附录）关于热水流速的确定：关于热水流速的确定：k电耗电耗，故低温热水系统，故低温热水系统=0.6-1.8m/s，高温热水可更小些。，高温热水可更小些。则加热器的水量：则加热器的水量：W=f103 kg/s计算所需的加热面积和台数计算所需的加热面积和台数 考虑安全系数考虑安全系数 取（取（1.11.2）A例题例题6-3 P1856-3 P185 2)2)、热交换效率法、热交换效率法 只用一个热交换效率只用一个热交换效率1 根据根据和和,求传热系数求传热系数k 根据水流速根据水流速,求热水流量：求热水流量：w=f103kg/s求求Cr,NTU,1求水初温：求水初温：求需要的加热量：求需要的加热量：Q=GCP(t2-t1)求水终温：求水终温：tw2=tw1-Q/wc二、散热器的热工计算二、散热器的热工计算 此种换热器较之前面介绍的此种换热器较之前面介绍的最大不同之处在最大不同之处在于，于，流过其一侧的空气不再是受迫流动，而流过其一侧的空气不再是受迫流动，而基本是处于一种自然对流状态。基本是处于一种自然对流状态。工程上散热器散热量公式：工程上散热器散热量公式：2024/7/871-53 散热面积的计算散热面积的计算Q散热器的散热量散热器的散热量tpj内部热媒平均温度内部热媒平均温度tn 供暖室内计算温度供暖室内计算温度k散热器的传热系数散热器的传热系数1 组装片数修正系数组装片数修正系数2连接形式修正系数连接形式修正系数3安装形式修正系数安装形式修正系数供暖系统的散热设备供暖系统的散热设备2024/7/871-54The EndThe End