热质交换原理与设备课件

第7章

7.1间壁式热质交换设备的热工计算

7.2混合式热质交换设备的热工计算

7.3燃烧装置的热工计算第一页，共八十四页。7.1间壁式热质交换设备的热工计算7.1.1热工计算的基本公式［1］

7.1.2热工计算的基本方法和基本类型

7.1.3散热器的热工计算

7.1.4管壳式换热器的热工计算

7.1.5板式热水换热器的热工计算

7.1.6空气加热器的热工计算

7.1.7空气冷却器的热工计算第二页，共八十四页。7.1.1热工计算的基本公式［1］1.传热方程式

2.传热面积

3.传热系数

4.传热温差第三页，共八十四页。3.传热系数(1)无污垢光管管壁

(2)有污垢光管管壁热质交换设备在运行过程中，由于流体的杂质、生锈或是流体与壁面材料之间的其他反应，换热表面常常会被污染。(3)平壁由于传热管壁的相对厚度很小，所以换热器壁面的传热系数可近似用平壁传热系数公式进行计算。

(4)干工况肋片管管壁为加强传热，有时在表面传热系数较小的一侧管壁上加装肋片，例如空调系统中使用的空气冷却器。

(5)湿工况肋片管壁在间壁式空气冷却器中，当壁面温度低于空气的露点温度，空气中水蒸气凝结，在肋片表面上形成一层水膜，这时传热系数与无凝结水时有所不同。

第四页，共八十四页。表7-1污垢热阻流体污垢热阻/(·K/W)硬度不大的井水、自来水1．8×1经处理后的冷却塔或喷水室循环水1．8×1未经处理的冷却塔或喷水室循环水5．0×150℃以下的经处理的锅炉给水1．0×150℃以上的经处理的锅炉给水2．0×1硬水5．0×1燃料油9．0×1制冷液2．0×1第五页，共八十四页。7.1.2热工计算的基本方法和基本类型1.对数平均温差法

2.效能传热单元数法

3.热工计算类型

4.两种计算方法的比较和适用范围第六页，共八十四页。表7-2各种不同形式换热器的传热效换热器类型关系式同心套管式顺流ε＝逆流ε=(＜1)ε=(=1)管壳式换热器单壳多管(管数为2，4，6，…)ε=2n壳多管(管数为2n,4n,…)ε＝叉流两种流体均不混流ε=1-expε=(1-exp｛-［1-exp(-NTU)］｝)ε=1-exp｛-［1-exp(-(-NTU))］｝所有的换热器（=0）ε=1-exp(-NTU)第七页，共八十四页。图7-1顺流同心套管式第八页，共八十四页。图7-2逆流同心套管式第九页，共八十四页。图7-3壳管式换热器单壳多管第十页，共八十四页。图7-4壳管式换热器n壳多管第十一页，共八十四页。图7-5叉流两种流体均不混流第十二页，共八十四页。图7-6叉流一种流体混流另一种流体不混流第十三页，共八十四页。7.1.3散热器的热工计算1.散热器的面积

2.散热器内热媒平均温度

3.散热器的传热系数

4.散热器片数或长度的确定第十四页，共八十四页。7.1.4管壳式换热器的热工计算1.传热温差

2.传热系数

3.换热器的阻力计算第十五页，共八十四页。图7-7换热器温度变化示意图第十六页，共八十四页。2.传热系数1)水在管内或管间沿管壁流动，流态处于紊流时

2)水横穿过管束流动，流态处于紊流时

3)蒸汽在竖壁或竖管上的膜状凝结

4)蒸汽在水平管束上的膜状凝结第十七页，共八十四页。3.换热器的阻力计算1)换热器内流速按推荐流速确定。

2)管程阻力计算，管内介质流动阻力计算公式为

3)壳程阻力计算，管间介质流动阻力计算公式为

4)局部阻力损失系数的确定，换热器内局部阻力系数按附录F选取。

2)计算用户循环水量和外网的蒸汽流量。

3)热网回水从水—水换热器出来进入汽—水换热器前的水温t2

4)汽—水换热器的选择计算。

5)水—水换热器的选择计算。第十八页，共八十四页。表7-3管壳式换热器推荐流速换热器种类流体速度/（m/s）

汽—水换热器

水—水换热器管内

1～3

1～3管间

10～15

0．5～1．5管内为水、管间为蒸汽第十九页，共八十四页。图7-8热力站内换热器加热系统第二十页，共八十四页。7.1.5板式热水换热器的热工计算2)外网进入热水供应用户的水流量

3)加热水的流通断面积。

4)被加热水的流通断面积。

5)选型。

6)实际流速。

7)传热系数。

8)传热温差

9)传热面积

10)需要的片数

11)实际片数。

12)流动阻力。第二十一页，共八十四页。7.1.6空气加热器的热工计算1.初选加热器型号

2.计算传热系数K

3.计算加热面积和所需台数

4.阻力计算第二十二页，共八十四页。7.1.7空气冷却器的热工计算1.计算类型

2.计算参数

3.计算公式

4.设计性计算的计算步骤

5.校核性计算的计算步骤第二十三页，共八十四页。表7-4空气冷却器热工计算类型计算类型已知条件待求内容设计性计算空气量、空气初状态、空气终状态空气冷却器型号、台数、排数、冷却水初温、终温、冷水量和冷量校核性计算空气量、空气初参数、冷却器型号、台数、排数、冷却水初温、冷水量空气终参数、冷却水终温第二十四页，共八十四页。2.计算参数(1)热交换效率系数

(2)接触系数

(3)传热系数对于既定结构的空气冷却器，其传热系数受内、外表面的表面传热系数和析湿系数的影响。第二十五页，共八十四页。图7-9空气冷却器热交换效率系数的线算图第二十六页，共八十四页。图7-10空气冷却器处理空气的状态变化第二十七页，共八十四页。图7-11接触系数推导图第二十八页，共八十四页。4.设计性计算的计算步骤(1)计算接触系数

(2)确定冷却器排数根据计算出的接触系数，查附录H，确定冷却器排数。

(3)确定冷却器型号和参数假定迎面风速，求迎风面积。

(4)校核接触系数按冷却器型号、排数和实际迎面风速，查附录H得出实际的接触系数，与第一步计算出来的接触系数比较，若相差较大，则改选别的型号。

(5)计算析湿系数

(6)计算传热系数根据冷却器型号和排数，查附录J冷却器传热系数计算公式，带入迎风速度和水的流速，可计算出传热系数。第二十九页，共八十四页。(7)计算冷却水量

(8)计算热交换效率系数计算传热单元数和水当量比，按公式或线算图计算热交换效率系数。

(9)计算水的初温和终温

(10)计算空气的阻力损失和冷却水的阻力损失查附录J计算空气和水的阻力损失。

(1)计算接触系数

(2)确定冷却器排数根据计算出的接触系数，查附录H，确定冷却器为JW6排。

(3)确定冷却器型号和参数假定迎面风速为2.0m/s，求迎风面积。第三十页，共八十四页。(4)校核接触系数此时空气冷却器可提供的接触系数为0.9，与第一步计算的接触系数相差不大。

(5)计算析湿系数

(6)计算传热系数假定水流速取1.0m/s。

(7)计算冷却水量

(8)计算热交换效率系数

(9)计算水的初温和终温

(10)计算空气的阻力损失和冷却水的阻力损失第三十一页，共八十四页。5.校核性计算的计算步骤(1)计算迎面风速和水流速由已知的空气冷却器样本或附录I查出迎风面积Ay、每排的传热面积Ad和通水截面积fw。

(2)确定接触系数按附录H，由迎面风速和排数查出接触系数。

(3)确定空气终状态

(4)计算析湿系数

(5)计算传热系数按附录I查传热系数计算公式进行计算。

(6)计算热交换效率系数计算传热单元数和水当量比，由线算图7-9确定热交换效率系数。

(7)计算水的终温第三十二页，共八十四页。(2)确定接触系数按附录H，由迎面风速和排数查出接触系数为0.911。

(3)确定空气终状态

(4)计算析湿系数

(5)计算传热系数

(6)计算热交换效率系数

(7)重新假定再计算

(8)计算水的终温第三十三页，共八十四页。7.2混合式热质交换设备的热工计算7.2.1喷水室的热工计算

7.2.2冷却塔的热工计算

7.2.3喷射泵的热工计算第三十四页，共八十四页。7.2.1喷水室的热工计算1.影响喷水室处理效果的因素

2.喷水室的热交换效率系数和接触系数

3.喷水室热工计算类型和方法

4.喷水室设计性计算步骤和例题

5.喷水室校核性计算步骤和例题第三十五页，共八十四页。1.影响喷水室处理效果的因素(1)空气质量流速在喷水室内空气与水的热质交换效果与空气的流动状况即空气的质量流速有关。

(2)喷水系数

(3)喷水室结构特性

(4)空气与水的初参数被处理的空气与水的初参数决定了喷水室内热质交换的动力大小和方向。第三十六页，共八十四页。(3)喷水室结构特性1)喷嘴排数。

2)喷嘴密度。

3)喷水方向。

4)排管间距。

5)喷嘴孔径。第三十七页，共八十四页。2.喷水室的热交换效率系数和接触系数(1)热交换效率系数热交换效率系数又叫第一热交换效率或全热交换效率，它同时考虑了空气和水的状态变化。

(2)接触系数接触系数又称第二热交换效率系数或通用热交换效率系数，它只考虑空气的状态变化。第三十八页，共八十四页。图7-12冷却干燥过程的焓湿图第三十九页，共八十四页。3.喷水室热工计算类型和方法(1)喷水室的计算类型本节介绍以两个热交换效率的实验公式为基础的计算方法，即双效率法。

(2)喷水室的计算公式选择的喷水室应达到下列要求：喷水室能达到的热交换效率系数应该等于空气处理过程需要的热交换效率系数；喷水室能达到的接触系数应该等于空气处理过程需要的接触系数；喷水室喷出的水能够吸收的热量应该等于空气失去的热量。(3)喷水室的阻力计算喷水室的阻力包括前、后挡水板的阻力，喷嘴排管的阻力和水苗的阻力，计算公式如下。

第四十页，共八十四页。表7-5空气的焓和湿球温度的比值大气压力/Pa湿球温度/℃510152025281013253．732．932．812．873．063．21993253．772．982．842．903．083．23973253．903．012．912．973．143．28953253．943．062．942．983．183．31第四十一页，共八十四页。图7-13喷水室热平衡图第四十二页，共八十四页。4.喷水室设计性计算步骤和例题1)用空气的参数计算接触系数

2)选用喷水室结构，喷嘴形式、喷嘴直径、喷嘴密度，取空气质量流速。

3)查接触系数的实验公式

4)求喷水量

5)查热交换效率系数的实验公式，求出热交换效率系数

6)用空气和水的参数计算热交换效率系数

7)列出热平衡方程式

8)联立求解以上两个方程，求水的初温和终温。

9)冷源方式的选择。

10)阻力计算。第四十三页，共八十四页。1)计算接触系数

2)选用喷水室结构。

3)查接触系数的实验公式

4)求喷水量

5)查热交换效率系数的实验公式，求出热交换效率系数

6)用空气和水的参数计算热交换效率系数

7)列出热平衡方程式

8)联立求解以上两个方程

9)冷源方式的选择。

10)喷嘴前水压。

11)阻力计算。第四十四页，共八十四页。图7-14Y-1型离心喷嘴喷水量与喷水压力和喷嘴直径的关系第四十五页，共八十四页。5.喷水室校核性计算步骤和例题1)计算喷水系数

2)根据已知的喷水室结构，用实验公式求出热交换效率系数和接触系数

3)求空气的湿球温度和水的终温，计算公式如下

4)利用下式求空气的终温

2)根据已知的喷水室结构，用实验公式求出热交换效率系数和接触系数

3)求空气的湿球温度和水的终温

1.05×4.19×(tw2-8.45)=2.94×22.5-2.82ts2第四十六页，共八十四页。7.2.2冷却塔的热工计算1.冷却塔内的传热过程

2.冷却塔的热工计算公式和参数

3.冷却塔通风阻力计算

4.计算类型第四十七页，共八十四页。2.冷却塔的热工计算公式和参数(1)计算公式焓差法是利用麦凯尔方程和水空气的热平衡方程，求解水温t和比焓h的方法。

(2)冷却数的确定冷却数的定义式是很难求解的，一般采用近似求解法求出。

(3)特性数的确定

(4)表面传热系数与传质系数

(5)气水比的确定气水比是指冷却单位质量的水所需的空气的质量，用λ表示。第四十八页，共八十四页。图7-15塑料斜波55×12.5×60°—1000型容积传质系数

为淋水密度，为塔内平均风速第四十九页，共八十四页。图7-16纸质蜂窝—1000型容积传质系数第五十页，共八十四页。图7-17两种填料的特性曲线第五十一页，共八十四页。图7-18气水比及冷却数的确定第五十二页，共八十四页。3.冷却塔通风阻力计算第五十三页，共八十四页。7.2.3喷射泵的热工计算1.喷射泵的类型

2.水喷射泵的结构

3.水喷射泵的热工计算公式和方法第五十四页，共八十四页。图7-19水喷射泵结构示意图第五十五页，共八十四页。2)确定水喷射器的最佳截面比和最佳压降比。

3)根据最佳压降比，求热网需要提供的最小供、回水管的资用压差值。

4)确定喷管出口截面面积和直径。

5)确定圆筒形混合室的截面积和直径

6)混合室长度

7)喷管出口截面与混合室入口截面之间的距离

8)确定扩压管出口截面积和直径。

9)确定扩压管长度，取扩散角θ=8°第五十六页，共八十四页。表7-6最大压降比和最佳截面比与喷射系数的关系u0．20．40．60．81．01．21．41．61．82．02．20．48690．36730．29300．24190．20460．17610．15380．13580．12110．10870．09831．92．63．23．84．55．25．96．77．58．39．20．08950．68180．07510．06930．06420．05960．05550．05180．04860．04560．041910．111．011．912．914．015．016．117．218．419．620．8第五十七页，共八十四页。7.3燃烧装置的热工计算7.3.1扩散式燃烧器的热工计算

7.3.2部分预混式燃烧器的热工计算

7.3.3完全预混式燃烧器的热工计算第五十八页，共八十四页。7.3.1扩散式燃烧器的热工计算1.自然引风式管式燃烧器的设计计算

表7-7自然引风式扩散燃烧器火孔热强度

2.鼓风式套管燃烧器的设计计算

3.鼓风式旋流式燃烧器的设计计算第五十九页，共八十四页。1.自然引风式管式燃烧器的设计计算(1)确定火孔直径dp和间距S一般取火孔直径为1～4mm，若火孔直径过大不容易燃烧完全，过小容易堵塞。

(2)确定火孔热强度qp和计算火孔出口速度vp火孔热强度应根据火孔直径和燃气种类来确定，可根据表7-7确定。第六十页，共八十四页。表7-7自然引风式扩散燃烧器火孔热强度(3)计算火孔总面积Ap

(4)计算火孔数目n

(5)计算燃烧器头部燃气分配管的截面积Ag

(6)计算燃烧器前燃气压力p

第六十一页，共八十四页。表7-7自然引风式扩散燃烧器火孔热强度燃气种类人工煤气天然气石油液化气火孔直径/mm123412341234火孔热强度

/（kW/m）0．93～

1．0470．465～

0．5820．233～

0．2790．174～

0．2330．4650．3490．2230．1160．1160．0350．0170．009第六十二页，共八十四页。2)确定火孔热强度p和计算火孔出口速度vp。

3)计算火孔总面积Ap

4)计算火孔数目n

5)计算燃烧器头部燃气分配管的截面积Ag和内径

6)计算燃烧器前燃气压力p

7)火管布置和火管长度。第六十三页，共八十四页。2.鼓风式套管燃烧器的设计计算1)计算燃烧所需空气量。

2)计算出口截面处燃气和空气的流速。

3)计算空气。

4)计算燃烧器出口直径。

2)计算出口截面处燃气和空气的流速。

3)计算空气套管直径和燃气喷口的直径

4)计算燃烧器出口直径第六十四页，共八十四页。3.鼓风式旋流式燃烧器的设计计算(1)计算圆柱形空气通道直径

(2)涡壳结构参数比涡壳结构形式有两种：一种是等速涡壳供气，该种方式应用较多，如图7-20所示；一种是切向供气，如图7-21所示。

(3)确定空气实际通道宽度空气在通道内作螺旋向前运动，在圆柱形通道中心形成一个回流区，回流烟气预热空气和燃气，从而提高了燃烧速度。(4)计算空气的实际流速

第六十五页，共八十四页。图7-20等速涡壳供气第六十六页，共八十四页。图7-21切向涡壳供气第六十七页，共八十四页。表7-8涡壳式扩散燃烧器回流区尺寸结构比ab/0．600．450．390．350．25回流区直径与喷头直径比/周边供燃气（无缩口）0．410．410．470．69中心供燃气（有缩口）0．380．390．400．43切向配风器，回流区直径与喷头直径比/0．260．300．330．38第六十八页，共八十四页。(5)计算燃烧器前空气所需压力

(6)计算燃气分配室尺寸燃气入口管内流速vq取15～20m/s。

(7)确定燃气射流穿透深度H

(8)确定燃气喷孔数目

(9)确定燃气喷孔尺寸

(10)燃气孔口出口流速

(11)计算燃烧器前燃气所需压力

(2)涡壳结构参数比取=0.35，b=Dp=250mm。

(3)确定空气实际通道宽度

(4)计算空气的实际流速

(5)计算燃烧器前空气所需压力

(6)计算燃气分配室尺寸燃气入口管内流速vq取20m/s。第六十九页，共八十四页。(7)确定燃气射流穿透深度H

(8)确定最大直径喷孔燃气喷孔数目

(9)确定燃气喷孔尺寸

(10)燃气孔口出口流速

(11)计算燃烧器前燃气所需压力第七十页，共八十四页。表7-9空气螺旋运动的平均上升角β(°)结构比ab/0．600．450．390．350．25涡壳配风器33302926切向配风器48413626第七十一页，共八十四页。7.3.2部分预混式燃烧器的热工计算1.部分预混式燃烧器的结构参数

2.大气式燃烧器热工计算步骤第七十二页，共八十四页。1.部分预混式燃烧器的结构参数(1)火孔尺寸根据火焰传播及稳定燃烧理论，火孔尺寸越小，越容易脱火；火孔尺寸越大，越容易回火。

(2)火孔深度增加火孔深度可使脱火极限增加，有利于提高燃烧的稳定性，但孔深增加到某一数值后，脱火极限就趋于定值。

(3)火孔间距当火孔间距增大时，对脱火和光焰极限并无显著影响。

第七十三页，共八十四页。(4)火孔排数火孔排数在四排之内，排数对脱火极限以及燃烧器设计参数无明显影响，但对二次空气的供给产生影响。

(5)火孔燃烧能力及火孔总面积火孔的燃烧能力指保证火孔稳定、完全燃烧的燃气量，通常用火孔热强度或燃气、空气混合物离开火孔时的速度来表示。

(6)燃烧器头部所需的压力为保证达到选定的出口气流速度和火孔热强度，燃气空气混合物在燃烧器头部必须具有一定的压力。

(7)敞开燃烧的大气式燃烧器二次空气口截面积的计算第七十四页，共八十四页。表7-10大气式燃烧器的设计参数燃气种类焦炉煤气天然气液化石油气火孔尺寸/mm圆形孔2．5～3．02．9～3．22．9～3．2条形孔2．0×1．2

1．5×5．02．0×3．0

2．4×1．62．0×3．0

2．4×1．6火孔中心间距/mm—(2～3)—火孔深度/mm—(2～3)—额定火孔热强度/（kW/m）11．6～19．85．8～8．77．0～9．3额定火孔出口流速/（m/s）2．0～3．51．0～1．31．2～1．5一次空气系数0．55～0．600．60～0．650．60～0．65第七十五页，共八十四页。2.大气式燃烧器热工计算步骤(1)选择火孔热强度，确定火孔总面积按照表7-9来确定火孔热强度，利用式(7-130)计算火孔总面积。

(2)确定火孔尺寸和火孔数目按照表7-9确定火孔直径、火孔数目、火孔深度和火孔排数。

(3)头部截面积计算燃烧器头部截面积等于燃烧器火孔总面积的1.5倍。

(4)引射管计算喉部截面积与火孔总面积的比值范围取0.35～0.6。

(5)一次空气入口

(6)喷嘴计算

(7)一次空气系数的确定第七十六页，共八十四页。(8)燃烧器头部混合气体的能量损失燃烧器头部气体能量损失可按式(7-132)计算。

(2)确定火孔尺寸和火孔数目

(3)头部截面积计算

(4)引射器计算

(5)一次空气入口

(6)喷嘴计算喷嘴型式采用固定喷嘴。

(7)一次空气系数第七十七页，共八十四页。7.3.3完全预混式燃烧器的热工计算1.头部的设计计算

2.引射器的设计计算第七十八页，共八十四页。1.头部的设计计算(1)喷头的设计

(2)火道的设计火道应由耐高温和耐急冷急热材料制成，分为单火道和多火道。第七十九页，共八十四页。2.引射器的设计计算(1)引射器的引射系数u

(2)最佳截面比Azj

(3)引射器喉部直径dt

(4)扩压管出口直径dk和扩压管长度Lk

(5)引射器总长度L

(6)引射器喷嘴截面积Aj和直径dj

复习思考题和习题

1.空气冷却器可以实现哪些空气处理过程？

2.喷水室可以实现哪些空气处理过程？

3.空气冷却器除湿有什么缺点？

4.空气冷却器的肋片应加在哪侧？为什么？第八十页，共八十四页。5.空气冷却器接触系数与哪些因素有关，如何受到影响？

6.影响喷水室热交换效果的因素主要有哪些？

7.空气冷却器设计性计算要确定哪些参数？

8.空气冷却器的接触系数和喷水室接触系数物理意义相同吗？计算公式是否一致？