热值交换第6章

第6章

间壁式热质交换设备的热工计算71-12023/2/6内容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6.2总传热系数与总传热热阻2023/2/6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表面式冷却器的热工计算6.36.46.56.671-2

套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形。顺流逆流6.1间壁式热质交换设备的型式与结构2023/2/671-3管壳式换热器：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，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。单壳程、单管程2023/2/671-4增加管程单壳程、双管程2023/2/671-5进一步增加管程和壳程2-4型3-6型双壳程、四管程2023/2/671-6交叉流换热器：其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。2023/2/671-72023/2/671-8(c)板翅式交叉流换热器2023/2/671-9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。2023/2/671-10螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成。优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。1211222023/2/671-11

例如，空调工程中处理空气的表冷器，一般在空气侧加装各种形式的肋片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2023/2/671-122023/2/671-13表冷器工作过程2023/2/671-14hiho内部对流：圆柱面导热：外部对流：三式相加：6.2间壁两侧流体传热过程分析2023/2/671-156.3总传热系数与总传热热阻其中：单位管长的总热阻为:其中i表示内表面，o表示外表面hiho2023/2/671-166.4换热器热工计算常用的计算方法一、换热器热工计算的基本公式传热方程式:

Q=KAΔtm

热平衡方程式:

Q=G1c1（t1’-t1”）=G2c2（t2”-t2’）

通常：1-热流体；2-冷流体2023/2/671-1718顺流逆流二、

对数平均温差法(LMTD法）2023/2/671-18传热方程的一般形式：当温差沿整个壁面不是常数时，比如等壁温条件下的管内对流换热，以及我们现在遇到的换热器等，需要用到平均温差。dthdtcthtc2023/2/671-19对数平均温差2023/2/671-20顺流和逆流的区别在于：将对数平均温差写成统一形式(顺流和逆流都适用):顺流：逆流：2023/2/671-21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相当于温度呈直线变化的情况，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当

时，两者的差别小于4％(3.8%)；当

时，两者的差别小于2.3％。2023/2/671-22三、效能-传热单元数法（ε-NTU法）换热器热工计算的基本公式:Q=KAΔtm;

Q=G1c1（t1’-t1”）=G2c2（t2”-t2’）

将方程式无因次化：ε-NTU法八个变量:Q，KA，G1c1，G2c2，t1’，t1”，t2”，t2’。2023/2/671-23三个无因次量：热容比（或水当量比Cr

）：G2C2<G1C1时G2C2>G1C1时传热单元数NTU：传热效能ε：2023/2/671-24换热器的效能定义:物理意义：如果已知了效能和冷热流体的进口温差，则Q：ε-NTU法推导：2023/2/671-25

平均温差法;效能-传热单元数平均温差法步骤：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：设计计算：1）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、出口温度中的那个待定的温度；3）由冷热流体的4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A，并核算换热面流体的流动阻力；5）如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。（已知G1,c1,G2,c2，及进出口温度中的三个,求K,A

）2023/2/671-26校核计算：（已知A,G1,c1,G2,c2，两个进口温度，求t”1,t”2）1）先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度;2）根据4个进出口温度求得平均温差Δtm;3）根据换热器结构，算出相应工作条件下的总传热系数k;4）已知k，A和Δtm，按传热方程式计算在假设出口温度下的Q；5）根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个Q，这个值和上面的Q，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量；6）比较两个Q值，满足精度要求，则结束;否则，重新假定出口温度，重复(1)～(6)，直至满足精度。2023/2/671-27用效能-传热单元数法计算换热器的步骤设计计算:及进出口温度中的三个，求已知显然，利用已知条件可以计算出，而待求的k，A则包含在NTU内，因此，对于设计计算是已知，求NTU，求解过程与平均温差法相似，不再重复。校核计算:及两个进口温度，求已知由于k事先不知，故仍需假设一出口温度，具体如下：2023/2/671-28②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k③利用k,A计算NTU④利用NTU计算⑤分别利用Q=kAΔtm和Q＝ε(Gc)min(t’1-t’2)计算Q⑥比较两个Q，是否满足精度，否则重复以上步骤①假设一个出口温度t”，利用热平衡式计算另一个t”2023/2/671-29效能-传热单元数法，假设的出口温度对传热量Q的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响Q值。而平均温差法的假设温度直接用于计算Q

值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。四、对数平均温差法与效能-传热单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动形式与逆流的差距。而-NTU法不能。对数平均温差法反复进行对数计算，较-NTU法麻烦2023/2/671-306.5表面式冷却器的热工计算一、表冷器处理空气时发生的热质交换特点湿工况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。该过程称为等湿冷却过程或干冷过程。湿工况

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。这种过程称为减湿冷却过程或湿冷过程。2023/2/671-31热质交换规律符合刘伊斯关系式这时推动总热交换的动力是焓差，而不是温差。即总热交换量为（麦凯尔方程）由温差引起的热交换量为换热扩大系数（析湿系数）表示由于存在湿交换而增大了的换热量2023/2/671-32湿工况时换热公式:干工况时换热公式:干、湿工况换热公式表明: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ξ倍。2023/2/671-33通过肋壁的传热肋壁面积：稳态下换热情况：肋面总效率二、表冷器的传热系数2023/2/671-34干工况下以内表面积为计算基准时：肋化系数:湿工况时换热公式:可认为由于水分凝结，外表面换热系数比干工况增大了ξ倍。2023/2/671-35因此，湿工况条件下，以内表面积计算时，传热系数的表达式为：2023/2/671-36

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，而外表面的换热系数与空气的迎面风速Vy有关，内表面的换热系数与管内的水流速ω有关，析湿系数与被处理空气的初状态和管内水温有关。表冷器传热系数的实验公式：其中：Vy-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，m/s2023/2/671-37三、表冷器的热工计算分为设计性计算和校核性计算两种类型。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。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）2023/2/671-38t1，t2：处理前，后空气的干球温度℃；

tw1：冷却水初温℃ε1的定义式同时考虑了空气和水的状态.热容比Cr

传热单元数NTU表冷器一般可视为逆流流动，故：2023/2/671-39

ε1实质上就是换热器的传热效能ε

对于表冷器的湿工况而言，由于质交换使总换热量增加了ζ倍，即dQt=ζdQ=ζGCpdt，表明：相当于空气的热容量增大了ζ倍.123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12）表冷器接触系数其中t3为接触时间足够长时空气终态的干球温度。利用相似三角形上式也可写成2023/2/671-40只考虑了空气的状态变化物理意义？？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：123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12’1’2023/2/671-41在表冷器上取一微元面积dA代入刘伊斯关系式得：ii1i2i3i3dAdiA积分得：2023/2/671-422023/2/671-43肋通系数a给定表冷器，则肋通系数a为定值，空气物性近似为常数，hw通常与Vy成正比，因此：见p285附录6-42023/2/671-44即ε2随着N的增加而变大，随着υy的增加而变小。虽然ε2随N增加和Vy减小而增大，但：（1）N增加也将使空气阻力增加。而N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传热作用，故排数不宜过多。一般多用4-8排。（2）Vy过低，则冷却器尺寸变大，初投资增加。

Vy过高，ε2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Vy值为2～3m/s，当Vy>2.5m/s时，一般在表冷器的后面要装挡水板。2023/2/671-453）表冷器热工计算的主要原则计算选择的表冷器应满足：①该冷却器能达到的ε1、ε2应该等于空气处理过程需要的ε1

、ε2

；②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：2023/2/671-46表冷器设计计算步骤：设计计算：已知：空气的G,(t1,i1),(t2,i2)求表冷器的KA（型号、结构、台数、排数等）、冷水tw1,tw2(或冷水量w、冷量Q等)校核计算：已知：空气的G,(t1,i1),表冷器的KA（型号、结构、台数、排数等）、冷水tw1,

冷水量w求空气(t2,i2),冷水tw2,(冷量Q)无论哪种类型，未知数一般为3个，可以进行计算。表冷器阻力计算部分公式见p282附录6-3。P180例题4)关于安全系数的考虑

增大面积或降低水温2023/2/671-47

1、空气加热器的热工计算空气加热器中所用热媒可以是热水或蒸汽。因此只有显热交换，故热工计算较简单。只要加热器供给的热量等于加热空气需要的热量即可。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（ζ=1），6.6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密度变化较大，故一般用质量流速vρ较之于迎面风速vy更多，故实际应用中，以热水为热媒时传热系数整理如下形式；

对于以蒸汽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：式中：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算，计算方法有平均温差法和热交换效率法两种：1）平均温差法已知被加热空气量Gkg/s，加热前后空气温度t1，t2，则加热空气所需热量为：Q=GCp（t2－t1）而空气加热器的供热量为：Q/=KA△tm，△tm一般常用算术平均温度△tp当热媒为热水时：当热媒为蒸汽时：（tq为蒸汽温度）

计算步骤：（设计计算）①初选加热器的型号先假定空气质量流速vρ，则加热器的有效截面积为f=G/vρ

从传热系数实验公式知，vρ↑→k↑→A↓→设