第六章___间壁式热质交换设备的热工计算

1、第六章第六章 间壁式热质交间壁式热质交换设备的热工计算换设备的热工计算热质交换设备热质交换设备l在暖通空调等许多工程应用中，经常需要在在暖通空调等许多工程应用中，经常需要在系统和它的周围环境之间或在同一系统的不同系统和它的周围环境之间或在同一系统的不同部分之间传递热量和质量。部分之间传递热量和质量。l这种以在两种流体之间传递热量和质量为基本这种以在两种流体之间传递热量和质量为基本目的的设备称为目的的设备称为热质交换设备热质交换设备。l在设备中，有时仅有热量传递，有时热量传递在设备中，有时仅有热量传递，有时热量传递与质量传递同时发生。与质量传递同时发生。本章主要内容本章主要内容l间壁式热质交换设

2、备的形式和结构间壁式热质交换设备的形式和结构l间壁两侧流体传热过程分析间壁两侧流体传热过程分析l总传热系数与总传热热阻总传热系数与总传热热阻l间壁式热质交换设备热工计算常用计算方法间壁式热质交换设备热工计算常用计算方法l表面式冷却器的热工计算表面式冷却器的热工计算l其他间壁式热质交换设备的热工计算其他间壁式热质交换设备的热工计算6.1 热质交换设备的形式和结构热质交换设备的形式和结构表冷器、喷淋室、蒸汽加湿器、吸收吸附设备、表冷器、喷淋室、蒸汽加湿器、吸收吸附设备、转轮除湿机、风机盘管等转轮除湿机、风机盘管等蒸发器、冷凝器、冷却塔等蒸发器、冷凝器、冷却塔等散热器、暖风机、蒸汽加热器、热水加热器

3、散热器、暖风机、蒸汽加热器、热水加热器过热器、省煤器、空气预热器、除氧器等过热器、省煤器、空气预热器、除氧器等如何分类？如何分类？1.按工作原理分类：按工作原理分类：l间壁式（表面式）：热、冷介质在各自的流道间壁式（表面式）：热、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，不掺混。不掺混。l表面式冷却器、过热器、省煤器、散热器、暖风机、表面式冷却器、过热器、省煤器、散热器、暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器燃气加热器、冷凝器、蒸发器l直接接触式（混合式）：两种流体直接接触相直接接触式（混合式）：两种流体直接接触相互掺混，传递热量和质量后，在

4、理论上应变成互掺混，传递热量和质量后，在理论上应变成同温同压的混合介质流出，因而传热传质效率同温同压的混合介质流出，因而传热传质效率高。高。l喷淋室、蒸汽喷射泵、冷却塔、蒸汽加湿器、热力喷淋室、蒸汽喷射泵、冷却塔、蒸汽加湿器、热力除氧器除氧器按工作原理分类：按工作原理分类：l蓄热式（回热式、再生式）：借助由固体构件蓄热式（回热式、再生式）：借助由固体构件（填充物）组成的蓄热体传递热量。（填充物）组成的蓄热体传递热量。l炼钢厂的热风炉、锅炉的中间热式空气预热器、全炼钢厂的热风炉、锅炉的中间热式空气预热器、全热回收式空调器热回收式空调器l热管换热器：以热管为换热元件的换热器。热管换热器：以热管为换

5、热元件的换热器。l多用于各种余热回收工程中多用于各种余热回收工程中水表冷器水表冷器散热器散热器间壁式（表面式）：间壁式（表面式）：间壁式（表面式）：间壁式（表面式）：间壁式（表面式）：间壁式（表面式）：二二.间壁式换热器的形式与结构间壁式换热器的形式与结构l管壳式l肋片管式l板式l板翘式l螺旋板式用于显热交换的间壁式换热器，也可用于既用于显热交换的间壁式换热器，也可用于既有显热交换又有潜热交换的场合，只是考虑到有显热交换又有潜热交换的场合，只是考虑到换热设备两端流体的不同，使用的间壁式换热换热设备两端流体的不同，使用的间壁式换热器种类和型式有所不同器种类和型式有所不同 。如何提高换热系数呢？如

6、何提高换热系数呢？Tw6.2间壁两侧流体传热过程分析间壁两侧流体传热过程分析 tttbtwTbTT温度冷流体热流体l机理：机理：l由热流体主体以对流的方式传递到间壁内侧；由热流体主体以对流的方式传递到间壁内侧；l以导热的方式穿过间壁；以导热的方式穿过间壁；l由间壁外侧以对流的方式传递至冷流体主体。由间壁外侧以对流的方式传递至冷流体主体。l温度分布曲线：温度分布曲线：l间壁内热传导只有一种分布规律；间壁内热传导只有一种分布规律；l间壁两侧呈三种分布规律：直线间壁两侧呈三种分布规律：直线曲线曲线较平较平坦曲线坦曲线l实际应用：有效膜内导热，温度分布为直线。实际应用：有效膜内导热，温度分布为直线。间

7、壁两侧流体传热过程分析间壁两侧流体传热过程分析6.3总传热系数与总传热热阻总传热系数与总传热热阻面积为面积为A的总传热热阻：的总传热热阻：单位管长总热阻：单位管长总热阻：对外表面对外表面 对内表面对内表面 其中其中K0A0=KiAi 单位管长的内外表面积分别为单位管长的内外表面积分别为di和和d0对于平壁，考虑其两侧的污垢热阻后，总热阻为对于平壁，考虑其两侧的污垢热阻后，总热阻为 把管子内、外表面的污垢热阻包括进去之后，对于外把管子内、外表面的污垢热阻包括进去之后，对于外表面，总传热系数可表示为表面，总传热系数可表示为 注：注：Rf取决于运行温度、流体速度及换热器工作时取决于运行温度、流体速度

8、及换热器工作时间。间。利用数据采集系统可以测定壁面和流体的温利用数据采集系统可以测定壁面和流体的温度，从而获得平均温差，度，从而获得平均温差，利用热平衡方程式获得热流量，利用热平衡方程式获得热流量，换热面积可以根据设计情况获得，换热面积可以根据设计情况获得，通过传热方程式计算出总表面传热系数。通过传热方程式计算出总表面传热系数。总传热热阻中的对流换热热阻和污垢热阻通总传热热阻中的对流换热热阻和污垢热阻通过实验求得。过实验求得。确定传热过程分热阻的威尔逊图确定传热过程分热阻的威尔逊图解法解法ioifwooddhRRhk111工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺工业换热器中的管内流体的流动一

9、般都是处于旺盛湍流状态，盛湍流状态，h hi i 与流速与流速u u0.80.8成正比，因此，可以写成正比，因此，可以写成成 的形式，带入上式：的形式，带入上式：ioifwoodducRRhk8 . 01118 .0iiiuch 总表面传热系数可以表示成：总表面传热系数可以表示成：8 . 011umbko上式右边的前三项可认为是常数，用上式右边的前三项可认为是常数，用 b b 表示，物性表示，物性不变的情况下，不变的情况下， 可以认为是常数，用可以认为是常数，用m m表示，表示，于是上式可变为于是上式可变为改变管内流速改变管内流速u u，则可以测得一系列的总表面传热系，则可以测得一系列的总表面

10、传热系数，然后绘制成图，则是一条直线，如图数，然后绘制成图，则是一条直线，如图(6-3)(6-3)所示所示ioiddc18 . 011umbko从这个图中可以获得从这个图中可以获得b b，m m，和，和c ci i，从而，管子内，从而，管子内侧的对流换热系数侧的对流换热系数这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来，然这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来，然后，当换热器运行一段时间后，再进行同样过程后，当换热器运行一段时间后，再进行同样过程的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻分离出距之差就是污垢热阻，这样又把污垢

11、热阻分离出来了。来了。8.0iiiuch威尔逊图解法可以求解分热阻威尔逊图解法可以求解分热阻l由由b求解出壳侧换热系数求解出壳侧换热系数h0；l由由m求出求出Ci，从而得到管内侧换热系数，从而得到管内侧换热系数hi；l污垢热阻污垢热阻Rf。8 . 01uarctanmbRfok16.4换热器热工计算常用计算方法换热器热工计算常用计算方法 l对数平均温差法（对数平均温差法（LMTD）l效能效能传热单元数法（传热单元数法（-NTU）l基本公式：基本公式：mtKAQ)()(2 2221111ttcGttcGQ1.平均温度差法平均温度差法 顺流顺流 (a) 和逆流和逆流 (b) 其中：其中： (a)

12、顺流：顺流： (b) 逆流：逆流： minmaxminmaxtlnttttm平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即2minmax,tttm算术minmaxminmax,tlnttttm对数算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当同进出口温度下的对数平均温差，当 时，两者的差时，两者的差别小于别小于4 4；当；当 时，两者的差别小于时，两者的差别小于2.32.3。2minmaxtt7 . 1minmaxtt算术平均温差算术平均温差壳管式

13、及交叉流换热器的平均温壳管式及交叉流换热器的平均温差计算方法差计算方法ctfmmtt查图求查图求值：值：l值取决于两个无量纲参数值取决于两个无量纲参数P及及R。l物理意义：物理意义：l参数参数R代表两种流体热容量之比。代表两种流体热容量之比。l参数参数P代表该换热器中流体代表该换热器中流体2的实际温升与理论上所能达到的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比。的最大温升之比。l对于壳管式换热器查图时注意流动的对于壳管式换热器查图时注意流动的“程程”数。数。l当当R接近接近4时时,用用PR和和1/R分别代替分别代替P和和R查图。查图。设计计算：设计计算： (1) 根据能量守恒算出所缺少的一个温度值

14、。根据能量守恒算出所缺少的一个温度值。 (2) 如果给出了总传热系数，可以直接进入下一步；如果给出了总传热系数，可以直接进入下一步；如果没有给出总传热系数，则进入迭代程序，首先如果没有给出总传热系数，则进入迭代程序，首先初选应道布置方案初选应道布置方案 ( 包括选取管径、管数及流程数，包括选取管径、管数及流程数，确定流速等确定流速等 ) ，并计算两侧流体的表面传热系数和，并计算两侧流体的表面传热系数和总传热系数。总传热系数。 (3) 根据进出口温度和流道布置，求出平均传热温差。根据进出口温度和流道布置，求出平均传热温差。 (4) 由传热方程算出换热面积，并与初选面积比较。由传热方程算出换热面积

15、，并与初选面积比较。若不一致，修改布局方案重新计算，直到两者基本若不一致，修改布局方案重新计算，直到两者基本一致为止。一致为止。 校核计算：校核计算： (1)假设任意一侧流体的出口温度，通过热平衡方程假设任意一侧流体的出口温度，通过热平衡方程即可确定另一个出口温度。即可确定另一个出口温度。 (2) 根据流量、传热面积和已知的流道布局，求出对根据流量、传热面积和已知的流道布局，求出对数平均温差并确定总传热系数。数平均温差并确定总传热系数。 (3) 分别按式分别按式 计算传热量，如果两个结果不一致，修改原出口温度假计算传热量，如果两个结果不一致，修改原出口温度假设值，重新计算直至两者在允许的误差范

16、围内一致为止。设值，重新计算直至两者在允许的误差范围内一致为止。这个选代过程仅对出口温度进行，而不牵涉换热面的布这个选代过程仅对出口温度进行，而不牵涉换热面的布局，因此选代次数有限。也可以通过编程实现自动迭代局，因此选代次数有限。也可以通过编程实现自动迭代运算。运算。 2.效能效能 - 传热单元数法传热单元数法 1 ) 换热器效能换热器效能 为换热器实际传热量为换热器实际传热量与最大可能传热量与最大可能传热量 max 之比。之比。即：即： )()(21minmaxttGc21 112111 11112211)()(,ttttttcGttcGcGcG212 221222 2221122)()(,

17、ttttttcGttcGcGcG大温差换热器中可能发生的最值冷热流体实际温差的大2121,maxtttt2 ) 传热单元数传热单元数 NTU ： 传热单元数传热单元数 NTU 可理解为换热器传热能力大小的可理解为换热器传热能力大小的某种度量。某种度量。 3 )与与 NTU 的关系的关系 任何换热器都存在以下形式的无量纲函数关系：任何换热器都存在以下形式的无量纲函数关系： 4 ) 计算步骤计算步骤 设计计算：设计计算： (1) 根据能量守恒关系求出未知出口温度；根据能量守恒关系求出未知出口温度； (2) 初选流道布置方案并计算两侧表面传热系数和总初选流道布置方案并计算两侧表面传热系数和总传热系数

18、；传热系数； (3) 根据进出口温度求出换热器的效能以及两侧流体根据进出口温度求出换热器的效能以及两侧流体的热容比；的热容比； (4) 根据指定或选定的流动方式选择相应的函数关系根据指定或选定的流动方式选择相应的函数关系式或图线，求出式或图线，求出 NTU 值，进而得到换热面积；值，进而得到换热面积； (5) 与初选面积比较，若不一致，修改流道布局方案与初选面积比较，若不一致，修改流道布局方案并重新计算，直到两者基本一致为止。并重新计算，直到两者基本一致为止。 校核计算：校核计算： (1) 根据已知传热面积、总传热系数和较小侧根据已知传热面积、总传热系数和较小侧热容可直接求出热容可直接求出 N

19、TU 值；值； (2) 由热容比和由热容比和 NTU 值，选取对应的公式或值，选取对应的公式或者曲线求得换热器效能；者曲线求得换热器效能；(3) 由效能直接求出小热容侧流体的出口温度，由效能直接求出小热容侧流体的出口温度，再由能量守恒关系式得到另一个出口温度。再由能量守恒关系式得到另一个出口温度。 3.两种方法比较两种方法比较l相同点：相同点：l设计计算设计计算l校核计算校核计算l不同点：不同点：lLMTD法：逆流法：逆流温差修正系数（有利于流动形式温差修正系数（有利于流动形式的改进；但对数计算较麻烦）的改进；但对数计算较麻烦）l-NTU法：法：K已知时求解方便。已知时求解方便。6.5表面式冷

20、却器的热工计算表面式冷却器的热工计算1.表冷器处理空气时发生的热质交换的特点表冷器处理空气时发生的热质交换的特点l等湿冷却过程或干冷过程等湿冷却过程或干冷过程(干工况干工况) l减湿冷却过程或湿冷过程减湿冷却过程或湿冷过程(湿工况湿工况) dAiichdAiihdQbpbmt)()(dAtthdQb)( 反映了表冷器上凝反映了表冷器上凝结水析出的多少，结水析出的多少，因此，又称为析湿因此，又称为析湿系数。显然，干工系数。显然，干工况的况的=1。 总热交换量：总热交换量：显热交换量：显热交换量：析湿系数析湿系数理论表达式理论表达式)(2, 1wtthdAdQ)(2, 12, 1wwmdqiidd

21、dAhdQ)()(2, 12, 10wmdwwpvqdddAhctctrdQ)()()(1 )()(12, 12, 12, 102, 12, 102, 1wwpwwpvwwwpvwmdqrttddcctctrtthctctrddhdQdQdQ2.表冷器的传热系数表冷器的传热系数 （干工况）（干工况）（湿工况）（湿工况）结论：结论：对于既定结构的表冷器，影响其传热系数的主要对于既定结构的表冷器，影响其传热系数的主要因素为其内、外表面的换热系数和析湿系数。因素为其内、外表面的换热系数和析湿系数。 （实际工况）（实际工况）3.表冷器的热工计算表冷器的热工计算 l表冷器的热交换效率表冷器的热交换效率

22、（同时考虑空气和水（同时考虑空气和水的状态变化）的状态变化）实质：换热器的传热效能实质：换热器的传热效能表冷器的热交换效率表冷器的热交换效率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。 （逆流）（逆流）),(),(1wVfCNTUfyr流动形式表冷器的接触系数表冷器的接触系数 只考虑空气的状态变化只考虑空气的状态变化 或因为-Gdi=hm(i-i3)dA和hmhw/cp如果将如果将G=AyVy代入上式，则：代入上式，则： 肋通系数肋通系数 代入上式代入上式即即2=f（Vy，N）结论：结论：增加排数和降低迎面风速都能增加表冷器增加排数和降低迎面风速都能增加表冷器的接触系数。的

23、接触系数。表冷器热工计算的主要原则表冷器热工计算的主要原则l该冷却器能达到的该冷却器能达到的1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；l该冷却器能达到的该冷却器能达到的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2；l该冷却器能吸收的热量应该等于空气放出的热该冷却器能吸收的热量应该等于空气放出的热量。量。表冷器热工计算的主要原则表冷器热工计算的主要原则 定义式定义式空气处理需要的空气处理需要的计算式计算式冷却器能达到的冷却器能达到的实际影响因素实际影响因素表冷器的设计计算步骤表冷器的设计计算步骤 l计算需要的接触系数计算需要的接触系数2，确定表冷器的排数，确定表冷器的

24、排数 、型号、台数；型号、台数；l求析湿系数求析湿系数l求传热系数求传热系数l求冷水量求冷水量l求表冷器能达到的求表冷器能达到的1 l求水温求水温 l求空气阻力和水阻力求空气阻力和水阻力 【例5-1】【例5-2】（原则（原则1）（原则（原则2）（原则（原则3）表冷器的设计计算思路表冷器的设计计算思路l由已知条件计算由已知条件计算2，查附录，查附录5-4，确定表冷器，确定表冷器型号；型号；假定迎风速度范围：假定迎风速度范围： 23m/sl计算析湿系数，为计算计算析湿系数，为计算NTU和和Cr；l求求K，去计算，去计算NTU，从而求，从而求；假定水流速范假定水流速范围围:14m/sl求冷水质量流量

25、；求冷水质量流量；l计算计算NTU和和Cr，查图得，查图得 ；l求水初终温求水初终温【例例6-1】简化和要点简化和要点 已知被处理的空气量已知被处理的空气量G G为为8.33kg/s8.33kg/s；空气初参数为空气初参数为t t1 1、i i1 1、t ts1s1、1 1；终参；终参数为数为t t2 2、i i2 2、t ts2s2、2 2；选择；选择JWJW型表冷型表冷器，已知其迎面风速是器，已知其迎面风速是2.7m/s,2.7m/s,水流速水流速1.2m/s,1.2m/s,通水截面积为通水截面积为0.00553m0.00553m2 2，热交，热交换效率为换效率为0.740.74，接触系数

26、为，接触系数为0.9500.950，求，求此表冷器的吸湿系数、进出水温和水此表冷器的吸湿系数、进出水温和水量。量。五、其它间壁式热质交换设备的热工计算五、其它间壁式热质交换设备的热工计算1.空气加热器的热工计算空气加热器的热工计算mtKAQ空气加热器：空气加热器：以热水为热媒的空气加热器：以热水为热媒的空气加热器：以蒸汽为热媒的空气加热器：以蒸汽为热媒的空气加热器：【例6-3】计算原则：计算原则：Q需需=Q供供 对数平均温差法对数平均温差法 【例例6-3】空气加热器设计计算空气加热器设计计算l初选加热器型号：初选加热器型号：l假设空气质量流速（假设空气质量流速（v）=8kg/(m2s)l计算加热器通风有效截面积计算加