热能与动力机械基础第2版 王中铮 主编 1 第八章 换热与蓄热装置新

总目录返回本章下一页上一页结束第八章换热与蓄热装置81换热器的结构与传热计算83热能储存原理82换热器设计计算基本方法84蓄热技术的应用及蓄热器热设计总目录返回本章下一页上一页结束81换热器的结构与传热计算811换热器分类随冷、热流体接触的方式不同，换热器分为间壁式也称表面式直接接触式和蓄热式三种。间壁式换热器其工作原理是热流体将热量传递给冷流体要通过一层固体壁，如锅炉中的省煤器，各种废热锅炉以及油冷却器等。直接接触式换热器如图81，火力发电站用的双曲线壳体型循环水冷却塔。总目录返回本章下一页上一页结束图81自然通风循环水冷却塔示图1冷却水喷淋装置2填料3冷却风总目录返回本章下一页上一页结束插图81火电厂用双曲线型循环水冷却塔总目录返回本章下一页上一页结束蓄热式或称再生式、回热式换热器利用固体壁面的蓄热作用，让冷、热流体交替流过固体壁面，达到热量传递的目的。如图239所示空气预热器就属回转型。蓄热式换热器还可分为回转型、阀门切换型和蓄热体颗粒移动型三种型式。总目录返回本章下一页上一页结束812间壁式换热器的型式和基本构造间壁式换热器是应用最广泛的一类换热器，有多种分类法。按工作流体间的相对流动方向可分为顺流或并流、逆流、错流和混流多种方式，见图82；按流程数量可分为单程和多程换热器，如图83。按传热表面几何形状可分为很多种，见图84。总目录返回本章下一页上一页结束图82流体流动方式A顺流BB逆流CC错流DD总趋势为逆E流的四次错流FE先顺后逆的平行混流GF先逆后顺的串联混流总目录返回本章下一页上一页结束图83单程和多程换热器A11型单程换热器B12型多程换热器总目录返回本章下一页上一页结束总目录返回本章下一页上一页结束图84间壁式换热器的结构型式A盘管形B螺旋板式C板式换热器BD板翅式换热器E翅片式换热器F热管式换热器CG针形换热器H蜂窝形换热器I组合式换热器J板壳式换热器总目录返回本章下一页上一页结束管壳式换热器是最常用的一种结构型式。最常见的管壳式换热器有固定管板式列管式、浮头式、U形管和双套管式几种，见图85。总目录返回本章下一页上一页结束图85管壳式换热器结构型式A列管式B双套管式CU形管式D浮头式总目录返回本章下一页上一页结束插图82管壳式换热器换热器端盖已打开总目录返回本章下一页上一页结束插图83U形管换热器总目录返回本章下一页上一页结束总目录返回本章下一页上一页结束插图84螺旋板式换热器总目录返回本章下一页上一页结束总目录返回本章下一页上一页结束插图85板式换热器总目录返回本章下一页上一页结束插图86板翅式换热器总目录返回本章下一页上一页结束插图87翅片管式换热器总目录返回本章下一页上一页结束813换热器传热计算的基本公式换热器传热计算的基本公式为传热方程和热平衡方程，即传热方程热平衡方程总目录返回本章下一页上一页结束换热器计算中，传热系数K的计算式因不同型式而异。对于管壳式换热器，可按以下近似式计算上式是在壁面清洁的情况下，若壁有结垢时还应考虑垢层的热阻。当换热器材质为金属时，通常甚小，通常可略去，这时传热系数K为总目录返回本章下一页上一页结束换热器内流体的换热有对流换热和辐射换热，通常可只考虑对流换热，但在有高温气体时，则高温气体侧应同时考虑对流和辐射，即式中，为对流放热系数；为辐射放热系数。总目录返回本章下一页上一页结束1对流换热系数（1）流体在管内流动时1层流适用范围为总目录返回本章下一页上一页结束2湍流式中，流体被加热时，；流体被冷却时，。适用范围为光滑管道不大。总目录返回本章下一页上一页结束（2）流体在非园管内如方形、锯凿形、波纹形等流道及在具有折流板的流道内为管壳式换热器中壳侧流道流动时。每一种流道都有它各自的计算对流换热系数的关系式，读者可查阅专门书籍。（3）流体定向冲刷管束时不同情况下其计算式也就不同。总目录返回本章下一页上一页结束今举一例为气流横向冲刷顺列管束，此时的对流放热系数为为考虑管束相对节距影响的修正系数，按下式计算总目录返回本章下一页上一页结束为烟气行程方向上管排数的修正系数，当时，当时，、亦可按线算图86查取和确定。总目录返回本章下一页上一页结束图86气流横向冲刷顺列光管管束的对流放热系数总目录返回本章下一页上一页结束2辐射换热系数取管壁黑度，然后用管束黑度代替管壁黑度来考虑烟气与管壁之间的多次反射和吸收；计算烟气黑度时，对于气体和液体燃料只考虑三原子气体，对于固体燃料则应同时考虑三原子气体和气流中的灰粒辐射，得出总目录返回本章下一页上一页结束对含灰气流对不含灰气流总目录返回本章下一页上一页结束（1）烟气黑度的计算按下式进行式中，KPS为烟气的辐射吸收率，其值用下式计算总目录返回本章下一页上一页结束1烟气中三原子气体辐射减弱系数用下式计算2飞灰的辐射减弱系数用下式计算总目录返回本章下一页上一页结束3有效辐射层厚度根据具体情况用以下几个公式计算对对流管束受热面对转弯室空间对管式空气预热器总目录返回本章下一页上一页结束（2）管壁灰污温度为温度附加值，烟温大于400时取，烟温小于等于400时，燃用气体燃料时。图87是辐射放热系数的线算图，根据所求值和图中所查值便可得到辐射放热系数。总目录返回本章下一页上一页结束对含灰气流对不含灰气流图87辐射放热系数总目录返回本章下一页上一页结束82换热器设计计算基本方法821设计计算与平均温差法换热器设计中，无论采用何种方法均基于两个基本方程，即传热方程热平衡方程换热器设计中，两种方法平均温差法（LMTD法）常用于设计计算；效能传热单元数法法常用于校核计算。总目录返回本章下一页上一页结束平均温差法用于设计计算，其具体步骤如下1）由热平衡方程式求出冷热流体中另一个未知温度和传热量Q。2）求出传热的平均温差。3）求出传热系数K，用传热方程求出F总目录返回本章下一页上一页结束图88为换热器内顺流和逆流情况下，流体温度沿传热面积变化的示图，根据定义平均温差为821则可求得顺流、逆流的平均温差为或总目录返回本章下一页上一页结束A顺流B逆流图88流体温度沿传热面的变化总目录返回本章下一页上一页结束表81温差修正系数的确定总目录返回本章下一页上一页结束总目录返回本章下一页上一页结束当时，用算术平均温差，即其它流动方时，乘以修正系数，即式中，可用式823按逆流情况下求得。值可用表81和图89图811。总目录返回本章下一页上一页结束图89串联混流的温差修正系数总目录返回本章下一页上一页结束图810并联混流的温差修正系数1两个流程均顺流2三个流程中两个顺流，一个逆流3偶数流程，顺逆流各半4三个流程中一个顺流，两个逆流5两个流程均为逆流参阅表81总目录返回本章下一页上一页结束1一次错流2二次错流3三次错流4四次错流参阅表81图811错流温差修正系数总目录返回本章下一页上一页结束例81用流量，比热容入口温度出口温度的水，将比热容的产品流量为从冷却到。计算顺流和逆流时换热器冷凝器的对数平均温差及所需的冷却面积，传热系数。总目录返回本章下一页上一页结束解1顺流时所以总目录返回本章下一页上一页结束热负荷传热面积总目录返回本章下一页上一页结束2逆流时由本例可见，在相同流量、相同进出口流体温度下，逆流要比顺流所需的传热面积小。总目录返回本章下一页上一页结束822效能传热单元法法1、换热器效能实际换热量与最大可能换热量之比，称为换热器效能，通常以表示，即最大可能换热量为总目录返回本章下一页上一页结束如果，则为如果，则为总目录返回本章下一页上一页结束2、传热单元数在传热系数K为定值，不考虑热损失的情况下，根据热平衡及传热方程有则把两式中的数群定义为传热单元数。常以“NTU”表示，即总目录返回本章下一页上一页结束3、效能与传热单元数之间的关系根据对数平均温差的表达式和热平衡方程式可推导出顺流型效能与传热单元数之间的关系式为式中逆流时则为对于各种不同流动组合方式的换热器，都可推导出、NTU和之间的函数关系，并整理成图线，见图812、图813。总目录返回本章下一页上一页结束图812纯逆流型效能线算图总目录返回本章下一页上一页结束A两流体各自均有横向混合总目录返回本章下一页上一页结束B一流体有横向混合另一流体无横向混合总目录返回本章下一页上一页结束C两流体各自均无横向混合图813错流型效能线算图总目录返回本章下一页上一页结束例82有管式空气预热器，烟气在管内流动，并在管程间有横向混合，见图814。已知换热面积，传热系数，烟气热容量，入口温度，空气热容量，入口温度，求烟气及空气的出口温度。总目录返回本章下一页上一页结束图814管式空气预热器例图总目录返回本章下一页上一页结束解总传热单元数热容量比因二次交叉两段传热系数及传热面积相等，故每段分传热单元数总目录返回本章下一页上一页结束查与本题相应的一次交叉流型的线算图444B得分传热单元效能数由文献6知，对于本例所示两次错流情况，效能数为根据效能定义可得空气出口温度为总目录返回本章下一页上一页结束根据热平衡方程式总目录返回本章下一页上一页结束823换热器热力设计的方法与步骤设计计算给定的量通常为、及四个进口温度中的三个，求所需换热面积F。校核计算给定的量通常为F、及和，求出口温度和或者能传递的热量Q。平均温差法和效能传热单元数法的设计步骤见表82和表83。总目录返回本章下一页上一页结束法平均温压法1由给定的三个端部温度，利用热平衡方程式求出另一个未知端部温度；2确定换热器型式由端温计算效能及热容量比；3利用相应的关系求出传热单元数NTU；1由给定的三个端部温度，利用热平衡方程式求出另一个未知端部温度；2由热平衡方程式计算换热量；3选定换热器型式计算平均温差；表82换热器设计计算步骤总目录返回本章下一页上一页结束4取经验传热系数，估算传热面积，初步布置传热面，计算相应的传热系数K；5利用下式求出换热面积设4取经验传热系数，估算传热面积，初步布置传热面积，计算相应的传热系数K；5由传热方程式计算换热面积总目录返回本章下一页上一页结束法平均温压法1假定一个出口温度，依热平衡方程式求另一个出口温度；2依换热面具体情况计算相应的传热系数K；3计算传热单元数NTU及热容量比；4借助相应的关系式求效能；1假定一个出口温度，依热平衡方程式求另一个出口温度；2依换热面具体情况计算相应的传热系数K；3借助辅助参量P及R计算平均温差；4依传热方程式计算传热量；表83换热器校核计算步骤总目录返回本章下一页上一页结束5利用下式求得出口温度设与第一步相比，视计得的出口温度是否与假定值相一致。如不一致则需重新假定出口温度重复上述步骤，直到满意时为止。5用下式计算出口温度并与第一步假定值相比，视其是否一致。如不一致则需重新假定出口温度重复上述步骤，直到满意时为止。总目录返回本章下一页上一页结束83热能储存原理831儲能作用、方法与要求儲能，又称蓄能。儲能过程是一个充能或放能过程，其间要发生物理或化学反应。儲能（系统）的基本任务是克服能量的供应和需求之间在数量上形态上和时间上的差别。总目录返回本章下一页上一页结束儲能（系统）作用1、满足用能的需要，提供所需求的能量。2、防止能量品质的自动恶化。3、适应负荷的变化，改善能源转换过程的性能。4、有利于方便经济地使用能量。5、有利于新能源的利用，减少污染，保护环境。总目录返回本章下一页上一页结束儲能的方法如按被储存的能量形式的不同来分，则有1、热能显热储存、潜热储存、热化学法储存。2、电能有以势能及动能形式储存的飞轮儲能；电容器储存；对蓄电池充电的化学儲能等。3、化学能如合成燃料、化石燃料。4、电磁能超导线圈儲能。总目录返回本章下一页上一页结束儲能系统应具有如下特性1、单位容积所储存的能量要高，即系统尽可能储存多的能量。2、良好的负荷调节性能，以随时满足用能方的需要。3、高的能源储存效率。4、系统成本低、长期运行可靠。总目录返回本章下一页上一页结束832热能储存原理热能储存又称蓄热。有低温蓄热（温度100），中温蓄热（100250）和高温蓄热（250以上）及蓄冷（低于环境温度时的热能储存，如冰蓄冷）。热能储存方法物理方法显热储存、潜热储存化学方法热化学法储存。总目录返回本章下一页上一页结束（一）显热储存在无相变的条件下，利用物质因温度变化而发生吸热（或放热）来进行储热。设储能物质的质量为M，比热容为C，温度变化为（T2T1）,则显热为QMC（T2T1）总目录返回本章下一页上一页结束显热储存为最简单、最成熟、材料来源最丰富、成本最低廉，应用最普遍。根据所用材料的不同可分为液体显热储存和固体显热储存。常用的显热储存物质是水、土壤、岩石和溶盐等。部分显热蓄热物质的热性能参数可参见表84及表85。总目录返回本章下一页上一页结束物质密度/KGM3比热容/KJKGK1体积热容/KJM3K1导热系数/WMK1导温系数/M2S1水100042460005814花刚岩2700080220027127表84显热蓄热物质例表总目录返回本章下一页上一页结束岩石1900260008091550氧化铝400008434002575氧化镁（90）300010456土壤16001800168（平均）总目录返回本章下一页上一页结束物质类型温度范围/比热容/KJKGK1备注CALORIAHT43THERMINOL55THERMINOL66油油油9310183169343250250需要无氧化气氛，高温时有和非溶解聚合体聚合的可能，THERMINOL55在大于288时，由于过度挥发会使质量减少表85液体显热蓄热物质的使用温度范围总目录返回本章下一页上一页结束HITECDRAWSALT熔融岩熔融岩205540260550156156550以上长时间的稳定性，尚不清楚，450以上需要SUS容器，需要惰性气体NANAK液体金属液体金属12576049760130105需要SUS等容器，密闭系统,与水、氧等有激烈反应总目录返回本章下一页上一页结束图815所示的以水箱为蓄热器的太阳能系统就是显热储存的典型实例。水箱的热平衡方程为该式表明，水箱内热量的增量等于集热器中水传给水箱的热量与热负荷和水箱热损失之差。式中仅水箱水温为未知数，用数值解法即可求得水箱水温随时间变化的关系。总目录返回本章下一页上一页结束图815以水箱为储热器的太阳能系统总目录返回本章下一页上一页结束（二）潜热储存利用物质发生相变时需要吸收（或放出）热量的特性来进行储热。这种相变有以下四种情况1、固体物质的晶体结构发生变化。如六方晶格的锆，在871的温度下，晶格变成体心立方，此时相当于吸收了53KJ/KG的热量。2、固、液相间的相变，即熔解、凝固（相应的熔化潜热、凝固潜热）。如冰的溶化，水的结冰。表86列出了部分蓄热物质的熔解热数据。总目录返回本章下一页上一页结束蓄热物质迁移点/熔化热/KJKG1NAF992702NACL803514LIOH462431KCL776343NAOH318167表86利用熔解热的蓄热物质例表总目录返回本章下一页上一页结束3、液、气相的相变即气化、冷凝（相应的气化潜热、凝结热）。如水的蒸发和蒸汽的冷凝。4、固相直接变成气相即升华。升华热量大体等于熔解热和气化热的和。如萘和碘等物质具有这种现象。目前有实际应用价值的是固液相变储热，即利用熔解热。总目录返回本章下一页上一页结束与显热储存相比，潜热储存时容积储热密度大，储热设备的温度波动小。设物质的熔解热为，则质量为M的物质在相变时所吸收（或凝固时放出）的热量为总目录返回本章下一页上一页结束对于固液相变储热，储热物质在热力学和化学方面应主要具有下列性质具有合适的熔点温度。有较大的熔解热。密度大。稳定性好。腐蚀性没有或很小。从储热的温度范围可将储热物质分为高温（120850）和中低温（0120）两种。目前，使用最多的是低温用的无机水合盐类和石蜡等有机物。总目录返回本章下一页上一页结束（三）热化学法储存可分为三种化学反应蓄热、浓度差蓄热及化学结构变化蓄热。化学反应蓄热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能。这些反应有气相催化反应、气固反应、气液反应、液液反应等等。用于蓄热的化学反应必须满足下列条件在放热温度附近的反应热大；反应系数对温度敏感；反应速度快；反应剂稳定；对容器的腐蚀性小等。总目录返回本章下一页上一页结束化学反应热是储存在物质内部的化学能，通过化学反应以热的形式释放出的能量。化学反应热通常在恒压下测定，则反应热就等于反应焓，即反应热H生成物焓之和反应物焓之和可见，如果H是正值，则为吸热反应。反之，为放热反应。总目录返回本章下一页上一页结束例如，己醇CH3OH的热分解储存热能反应为气/气的催化反应（温度420K）CH3OH（气）2H2（气）CO（气）H921KJ/MOL己醇CH3OH储存和利用热能的过程为先生成气态的H2和CO再储存或输送到反应器中H2和CO重新化合成气态CH3OH并放出热量产生的高温蒸气可用于发电等。总目录返回本章下一页上一页结束潜热储存最具有实际发展前途，也是目前研究和应用最多、最重要的储能方法。热化学法储存具有储能密度高的优点。但系统很复杂，价格也高。总目录返回本章下一页上一页结束84蓄热技术的应用及蓄热器热设计841蓄热技术的应用主要有以下几方面1、工业热能储存。2、太阳能热储存。对于太阳能供热、制冷、供电等系统，必须要储能。3、电力调峰及电热余热储存。4、交通及武器装备等许多特殊场合。5、在太空中的应用。总目录返回本章下一页上一页结束今以蒸汽蓄热系统为列作一说明。为了使蒸汽的供求关系能基本保持平衡，对负荷较大的系统，应设置（蒸汽）蓄热器，建立蒸汽蓄热系统。蒸汽蓄热器是蓄积热量的压力容器。它是以水为载热体间接储蓄蒸汽的蓄热装置。图816为常见的卧式蒸汽蓄热器的结构，在该图中它与锅炉并联。这是一种压力并非恒定的蓄热器，称为变压式蓄热器。蓄热器的最高压力和最低压力之差决定了蓄热器的蓄热容量。蓄热器的使用能使锅炉的产汽量与使用侧的负荷变化无关，锅炉能按平均负荷运行，燃烧稳定，实现经济运行。总目录返回本章下一页上一页结束1锅炉；2高压分汽缸；3高压侧自动控制阀；4低压侧控制阀；5低分汽缸；6蓄热本体；7汽水分离器；8炉水循环套管；9蒸汽喷嘴；10水位计；11压力计；12保温层罩壳；13保温层图816卧式蒸汽蓄热器结构总目录返回本章下一页上一页结束图817是两种实用的蓄热器供汽系统。它的特点是有高、低压蒸汽两类用户。蓄热器连接在高、低压蒸汽母管之间。其中（A）是高压蒸汽负荷稳定，而低压蒸汽负荷有变动。系统（B）是高压蒸汽负荷有波动，而低压蒸汽负荷无变化。不论那个系统，蓄热器依靠热量的储存和释放起到调节负荷平衡的作用。总目录返回本章下一页上一页结束A高压负荷稳定；B低压负荷稳定A稳定热流；B波动热流1锅炉；2高压管路；3充蓄调节器；4稳定负荷热用户；5减压调节器；6蓄热器；7被动负荷；8低压管路；9溢流调节阀图817蓄热器供汽系统总目录返回本章下一页上一页结束插图88总目录返回本章下一页上一页结束842蒸汽蓄热器的热设计计算蒸汽蓄热器的热设计计算主要是根据供热系统的蒸汽产出情况，正确计算蒸汽蓄热器的单位容积蓄热量Q及蓄热器容积V这两个参数值，从而选定合适的蓄热器。（一）储热量的确定蒸汽蓄热器容积的的大小决定于用于平衡负荷波动所必须的储热量。储热量的确定（即储汽量的计算）有三种方法总目录返回本章下一页上一页结束近似全日积分曲线法当蒸汽蓄热器用于平衡锅炉蒸发量和连续的波动负荷时，可用积分曲线法来确定储汽量。图818A是以一昼夜为一个周期的平均负荷KG/H为基准的全日负荷曲线。图818B为由A得到的近似全日积分曲线。在0，T一昼夜时间周期内蓄热器应有的储汽量（即储热量），它为曲线上的最高点和最低点间的绝对差值，即KG总目录返回本章下一页上一页结束图818负荷曲线和积分曲线总目录返回本章下一页上一页结束分段积分曲线法用于一昼夜内一些时段之间的平均用汽量相差较大的情况。用积分曲线法分别求出各分段所需的储汽量，以其中最大的储汽量为确定蓄热器容积的依据。高峰负荷计算法该法是按用汽设备在高峰时间内的用汽量减去同一时间内锅炉的供汽量作为蓄热器的储汽量，即在采用蓄热器与锅炉并联的系统中，这种计算方法适用于以蒸汽蓄热器主要作为保存大量蒸汽供短时间内使用的场合。总目录返回本章下一页上一页结束二单位容积储热量（即单位容积储汽量）及蓄