重庆大学热质交换原理与设备(chapter5)

1、本章重点：1 间壁式换热器设备的构造及热工计算5.1 热质交换设备的分类(演示)换热器原理与设计余建祖热交换器原理与设计史美中1 按照工作原理(认识实习、生产实习)1）间壁式（表面式）：相互不接触，表冷器、省煤器、冷凝器、蒸发器等。2）直接接触式（混合式）：喷淋室、冷却塔等。动画演示动画演示间壁式换热器的主要型式间壁式换热器的主要型式 套管式换热器：套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺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流和逆流两种，适用于传热量不大或流 体流量不大的情形体流量不大的情形Cold fluidHot fluidCold fluidHo

2、t fluid顺流顺流逆流逆流xTThTcT1T2xTTh (Hot)Tc (cold)T1T2(2)2)壳管式换热器：壳管式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热面由最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管束组成，管子两端固定在管板管板上，管束与管板再封装在外上，管束与管板再封装在外壳内。壳内。outBT,side) (shell ,inBTside) (tube ,inAToutAT,side) (tube ,inAToutAT,side) (shell ,inBToutBT,管程？管程？增加管程增加管程side) (shell ,inBToutBT,side) (tu

3、be,inAToutAT,进一步增加管程和壳程进一步增加管程和壳程壳程？壳程？(3) (3) 交叉流换热器：交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管管束式束式、管翅式管翅式和和板翅式板翅式三种。三种。(c) 板翅式交叉流换热器板翅式交叉流换热器(4) (4) 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

4、便，故适用于含有易结垢物的流体。洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。(5) 5) 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，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。优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。1 1出出2 2出出3按照用途分类:表冷器、加热器、过热器等4按照制造材料分类金属材料、非金属材料及稀有金属材料等类型。 5.2 间壁式热质交换器的热工计算5.2.1间壁式两侧流体传热过程分析（讨论）模型介绍模型介绍平均与主体温度的大小关系？平均与主体温度的大小关系？为什么引入平均为什么引入平均? ?5.2.2 传热系数与总传热热阻总传热热阻tKt

5、RRthhttqff1112121单位面积单位面积热阻热阻KR1RK1KAttAKhhAtthhttAQffff1)11(11121212121考虑面积时的考虑面积时的总热阻总热阻差异？差异？单位面积热单位面积热阻和总热阻阻和总热阻的关系的关系？总热阻（单位长度的管道）总热阻（单位长度的管道）id0dlRttAKQlRKA1ARKl1讨论？讨论？外表面内表面内表面id面积面积0d已知：ARKl1对于对于平壁平壁，考虑其两侧的，考虑其两侧的污垢热阻污垢热阻后，后，由于两侧面积相同，可以串连成一个热阻由于两侧面积相同，可以串连成一个热阻类似的将管子污垢热阻包括进去之后ifR,0,fR 内表面单位面

6、积的污垢热阻内表面单位面积的污垢热阻单位长度外表面单位面积的污垢热阻外表面单位面积的污垢热阻ifiRd,10,01fRd0011hdiihd11 单位长度与类比理解单位长度：相当于考虑面积后的情况ifiRd,10,01fRd类似的将管子污垢热阻包括进去之后 外表面 0didARKl15.2.3 换热器热工计算的基本原理1 传热方程式（2）热平衡方程式（能量平衡原理）热平衡方程式（能量平衡原理）mt由于温差不断变化，所以采用平均温差由于温差不断变化，所以采用平均温差t讨论？讨论？5.2 对数平均温差法换热器中流体温度沿程变化示意图换热器中流体温度沿程变化示意图同一位置上同一位置上对应的温差对应的

7、温差顺流时平均温差的推导作如下假设作如下假设：(1)(1)冷热流体的质量流量冷热流体的质量流量G2G2、G1G1以及比热容以及比热容c c2 2,c,c1 1是常数；是常数；(2)(2)传热系数是常数；传热系数是常数；(3)(3)换热器无散热损失；换热器无散热损失；(4)(4)换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。)(xxAft 要计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道要计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道局部温局部温差随换热面积的变化差随换热面积的变化，即，即 ，然后再沿整个，然后再沿整个换热面积进行平均换热面积进行平均在前面假设的基础上，并已知冷

8、热流体的进出口温度，分在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，分析微元换热面析微元换热面dAdA的传热。温差为：的传热。温差为：在传热微元面在传热微元面dAdA内，两种流体的换热量为内，两种流体的换热量为: :21ttt ddtAkQ对于热流体对于热流体 1 1和冷流体和冷流体 2:2:QcGttcGQd1ddd111111QcGttcGQd1ddd222222讨论？讨论？对等对等dAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln)exp(txxkAtQQcGcGtttdd11ddd221121 ddtAkQ221111cGcGtdAdkt21ttt可见，可见，当地温差当地温差随换热

9、面随换热面(Ax)呈指数变化，则沿整个换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：的平均温差为：)exp(txxkAtxxAxAmkAAAt)dAexp(t1 dAt10 x0讨论？讨论？1-)exp(t)dAexp(t10kAkAkAAtxxAmxxkAttlnkAt tlnAAx)exp(tkAt tttttttm tlnttlnt1-ttlnt21ttt21ttt tttm tlnt顺流：顺流：逆流时采用类似的方法求解逆流时采用类似的方法求解21ttt 21ttt maxmaxt21ttt 21ttt ()minmint21ttt 21ttt ()minmaxminmaxtlntttt

10、m两端同一位置温差两端同一位置温差由于顺流：由于顺流：顺流时采用类似的表示方法顺流时采用类似的表示方法顺流、逆流统一写成如下形式：顺流、逆流统一写成如下形式：minmaxminmaxtlnttttm当当2/ )t(minmaxt2t/minmaxt可以采用算可以采用算数平均温差数平均温差tt P169170应用示例应用示例壳管式换热器的温差？逆流)(mmtt逆流)(mt将冷热流体进出温度考虑成逆流对数平均温差修正系数通过下列P、R参数在图中查到例：壳侧1程，管侧2程，求温差？2122ttttP 2211ttttR 501 t451 t302 t402 t 1壳侧，2管侧，入口和出口热媒热媒2实

11、际温差与其可能的实际温差与其可能的最大理论温差的比值最大理论温差的比值5.2.3效能-传热单元数法三个无因次的定义 （1）热工计算涉及的8个量1t2t1t 2t KAQ11cG22cG （2）采用无因次方程，组合各个变量，减少求解 方程。5.2.3效能-传热单元数法三个无因次的定义（1）热容比maxmin)()(GcGcCr （2）传热单元数min)(GcKANTU 无量纲参数无量纲参数2无量纲参数无量纲参数1在最后的推导结果中出现，当热媒确定的情况下，可以视为对KA的度量 （3）传热效能效能2122tttt 1122cGcG1122cGcG 2111tttt 温升较大者的实际温差与换热器中可

12、能存在的最大温差比值无量纲参数无量纲参数321max)(tttt 22max)(tttt 11max)(tttt )()()()(21minmaxminttGcttGcQ 效能改写为或Gc？ 对于顺流1122cGcG)(2111tttt )()(22221111ttcGttcG 如果（1）（2）)(11221122ttcGcGtt )()()()(112211212211ttcGcGtttttt （1 1）（）（2 2）（3）)1 ()(122112121cGcGtttt )exp(t -t2121kAtt 22111)exp(1cGcGkA(3(3）因为)(1 ()()(2122112121

13、ttcGcGtttt )()(212211112211ttcGcGttcGcG 因为：上节的结论上节的结论)()()()(112211212211ttcGcGtttttt 变形为：)exp(tkAt 2111tttt 22111)exp(1cGcGkA221111cGcG22112211111)1 (exp1cGcGcGcGcGkA11221122221)1 (exp1cGcGcGcGcGkA合并maxminmaxminmin)()(1)()(1 ()(exp1GcGcGcGcGckA当1122cGcG用相同的方法推导如下结论与前式的差异？与前式的差异？22112211111)1 (exp1c

14、GcGcGcGcGkA根据结论返回去理根据结论返回去理解无量纲的定义解无量纲的定义maxminmaxminmin)()(1)()(1 ()(exp1GcGcGcGcGckA令NTUGcKAmin)(rrCCNTU1)1 (exp1逆流)1 (exp1)1 (exp1rrrCNTUCCNTU与设备自身相关的量设备自身相关的量顺流小结：传热效能 表示实际传热量与可能最大换热量的比值，已整理成相应的图表，供查询。当求得 后，可以根据它的定义求得传热量)()(21minttGcQP173)()()()(21minmaxminttGcttGcQ 示例示例:30)(1Gc40)(2Gc90KA601 t3

15、02 t 求顺流换热量求顺流换热量Q，图，图6-11求逆流换热量求逆流换热量Q，图，图6-12P173应用示例应用示例 5.2.45.2.4表面式冷却器的热工计算表面式冷却器的热工计算表冷器处理空气时发生热质交换的特点表冷器处理空气时发生热质交换的特点总热交换量为总热交换量为温差引起的显热交换量温差引起的显热交换量刘伊斯关系pmdchhdAiihdQbmdt)( 换热扩大系数显热传递显热传递潜热传热量潜热传热量以下针对整个表冷器设备整个表冷器设备的分析：空气在设备中的平均温度空气在设备中的平均温度水膜表面温度水膜表面温度空气在设备中的平均含湿量空气在设备中的平均含湿量水膜表面空气含湿量水膜表面

16、空气含湿量水蒸气平均焓值水蒸气平均焓值水膜上水的焓值水膜上水的焓值0r？析湿系数可以表示如下形式：表冷器的传热系数（表冷器的传热系数（湿工况湿工况）干工况下的传热系数干工况下的传热系数222AAA )(2222fwttAh肋化系数肋化系数表冷器的传热系数（表冷器的传热系数（湿工况湿工况）对肋管式换热器，其传热系数（干工况）表示如下：干工况干工况肋化系数（肋壁总面积/光管面积）肋壁总效率肋化侧肋化侧wh肋化侧换热系数nh光管侧换热系数光管侧光管侧wnhhK111因为dAiihdQbmdt)( 所以dAttchdQbpmdt)( pmdwchh 因为wh外表面换热系数干工况干工况湿工况湿工况干工况

17、干工况肋化侧肋化侧？所以可以认为湿工况下，空气侧换热系数比干工况高 倍湿工况下表冷器传热系数可以改写为：增大的倍数增大的倍数其他条件不变其他条件不变表冷器的热工计算（表冷器的热工计算（湿工况湿工况）（1）表冷器的热交换效率（效能效能）定义定义t1、t2空气处理前后的温度，空气处理前后的温度，tw1水初温水初温空气热容（干、湿工况下有差异）空气热容（干、湿工况下有差异）空气温度下降dt放出的总热量（湿工况下湿工况下）热容比：热容比：传热单元数：传热单元数：析湿系数Ks湿工况按dt前的整体考虑视为逆流，所以表冷器视为逆流，所以表冷器热交换效率可写为热交换效率可写为：与设备相关设备相关的量t（2）表冷器的接触系数接触系数的定义式为：t3理想情况下（时间无限）空理想情况下（时间无限）空气饱和温度气饱和温度空气状态空气状态5467平行线等比例定理平行线等比例定理112221sstttt也可写为：也可写为：234与与135相似相似264与与175相似相似表冷器能量分析在dA上空气放热（空气）Gdi表冷器吸热（表冷器）dAiihmd)(3所以dAiihmd)(3Gdi=表冷器液膜表层表冷器液膜表层空气焓近似不变空气焓近似不变pwmdchh因为所以与设备设备和风速相关的量dAiihmd)(3Gdi=(2)表冷器设备的 等于空气处理的表冷器计算的原则(1) 表冷