间壁式热质交换设备的热工计算

1、间壁式热质交换设备的热工计算第1页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四热质交换设备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部分之间传递热量和质量。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热质交换设备。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。 第2页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四本章主要内容间壁式热质交换设备的形式和结构间壁两侧流体传热过程分析总传热系数与总传热热阻间壁式热质交换设备热工计算常用计算方法表面式冷却器的热工计算其他间壁式热质交换设备的热工计算第3页，共52页，2022年

2、，5月20日，0点14分，星期四6.1 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、转轮除湿机、风机盘管等蒸发器、冷凝器、冷却塔等散热器、暖风机、蒸汽加热器、热水加热器过热器、省煤器、空气预热器、除氧器等如何分类？第4页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四1.按工作原理分类：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，不掺混。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，因而传热传质效率高。

3、喷淋室、蒸汽喷射泵、冷却塔、蒸汽加湿器、热力除氧器第5页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四按工作原理分类：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。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管换热器：以热管为换热元件的换热器。多用于各种余热回收工程中第6页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四水表冷器散热器间壁式（表面式）：第7页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四间壁式（表面式）：第8页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四间壁式（表面式）：第9页，共52页，2022年，5月

4、20日，0点14分，星期四二.间壁式换热器的形式与结构管壳式肋片管式板式板翘式螺旋板式 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 。如何提高换热系数呢？第10页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四第11页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四第12页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四Tw6.2间壁两侧流体传热过程分析 tttbtwTbTT温度冷流体热流体第13页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四机理：由热流体主体以对流的方式

5、传递到间壁内侧；以导热的方式穿过间壁；由间壁外侧以对流的方式传递至冷流体主体。温度分布曲线：间壁内热传导只有一种分布规律；间壁两侧呈三种分布规律：直线曲线较平坦曲线实际应用：有效膜内导热，温度分布为直线。间壁两侧流体传热过程分析第14页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四6.3总传热系数与总传热热阻面积为A的总传热热阻：单位管长总热阻：第15页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四对外表面 对内表面 其中K0A0=KiAi 单位管长的内外表面积分别为di和d0第16页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四对于平壁，考虑其两侧的污垢热阻后，总热阻

6、为 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 注：Rf取决于运行温度、流体速度及换热器工作时间。第17页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四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，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，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过实验求得。确定传热过程分热阻的威尔逊图解法第18页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍流状态，hi 与流速u0.8成正比，因此，可以写成 的形式，带入上式

7、：总表面传热系数可以表示成：第19页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四上式右边的前三项可认为是常数，用 b 表示，物性不变的情况下， 可以认为是常数，用m表示，于是上式可变为改变管内流速u，则可以测得一系列的总表面传热系数，然后绘制成图，则是一条直线，如图(6-3)所示第20页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四从这个图中可以获得b，m，和ci，从而，管子内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，则两条曲线截距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻分离出来了。第21页，共

8、52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四威尔逊图解法可以求解分热阻由b求解出壳侧换热系数h0；由m求出Ci，从而得到管内侧换热系数hi；污垢热阻Rf。arctanmbRf第22页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四6.4换热器热工计算常用计算方法 对数平均温差法（LMTD）效能传热单元数法（-NTU）基本公式：第23页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四1.平均温度差法 第24页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四 顺流 (a) 和逆流 (b) 其中： (a) 顺流： (b) 逆流： 第25页，共52页，2022年，5月20日，0

9、点14分，星期四平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即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 时，两者的差别小于4；当 时，两者的差别小于2.3。算术平均温差第26页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四壳管式及交叉流换热器的平均温差计算方法查图求值：值取决于两个无量纲参数P及R。物理意义：参数R代表两种流体热容量之比。参数P代表该换热器中流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比。对于壳管式换热器查图时注意流动的“程”数。当R接近4时,用PR和1/R分别代替P和R查图。第27页，共52页，2022年，5月20日，

10、0点14分，星期四设计计算： (1) 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 ( 包括选取管径、管数及流程数，确定流速等 ) ，并计算两侧流体的表面传热系数和总传热系数。 (3) 根据进出口温度和流道布置，求出平均传热温差。 (4) 由传热方程算出换热面积，并与初选面积比较。若不一致，修改布局方案重新计算，直到两者基本一致为止。 第28页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四校核计算： 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。 (2) 根据流量

11、、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。 (3) 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局，因此选代次数有限。也可以通过编程实现自动迭代运算。 第29页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四2.效能 - 传热单元数法 1 ) 换热器效能 为换热器实际传热量与最大可能传热量 max 之比。即： 第30页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四2 ) 传热单元数 NTU ： 传热单元数 NTU 可理解为换热器传热能力大小的某种度量

12、。 3 )与 NTU 的关系 任何换热器都存在以下形式的无量纲函数关系： 第31页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四4 ) 计算步骤 设计计算： (1) 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式或图线，求出 NTU 值，进而得到换热面积； (5) 与初选面积比较，若不一致，修改流道布局方案并重新计算，直到两者基本一致为止。 第32页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四校核计算： (1)

13、根据已知传热面积、总传热系数和较小侧热容可直接求出 NTU 值； (2) 由热容比和 NTU 值，选取对应的公式或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，再由能量守恒关系式得到另一个出口温度。 第33页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四3.两种方法比较相同点：设计计算校核计算不同点：LMTD法：逆流温差修正系数（有利于流动形式的改进；但对数计算较麻烦）-NTU法：K已知时求解方便。第34页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四6.5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 等湿冷却过程或干冷过程(干工况) 减

14、湿冷却过程或湿冷过程(湿工况) 反映了表冷器上凝结水析出的多少，因此，又称为析湿系数。显然，干工况的=1。 总热交换量：显热交换量：第35页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四析湿系数理论表达式第36页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四2.表冷器的传热系数 （干工况）（湿工况）结论：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。 （实际工况）第37页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四3.表冷器的热工计算 表冷器的热交换效率 （同时考虑空气和水的状态变化）实质：换热器的传热效能第38页，共52页，202

15、2年，5月20日，0点14分，星期四表冷器的热交换效率表明相当于空气的热容量增大了倍。 （逆流）第39页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四表冷器的接触系数 只考虑空气的状态变化 第40页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四或因为-Gdi=hm(i-i3)dA 和hmhw/cp第41页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四如果将G=AyVy代入上式，则： 肋通系数 代入上式即2=f（Vy，N） 结论：增加排数和降低迎面风速都能增加表冷器的接触系数。第42页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四表冷器热工计算的主要原则该冷却器能

16、达到的1应该等于空气处理过程需要的1；该冷却器能达到的2应该等于空气处理过程需要的2；该冷却器能吸收的热量应该等于空气放出的热量。第43页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四表冷器热工计算的主要原则 定义式空气处理需要的计算式冷却器能达到的实际影响因素第44页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四表冷器的设计计算步骤 计算需要的接触系数2，确定表冷器的排数 、型号、台数；求析湿系数求传热系数求冷水量求表冷器能达到的1 求水温 求空气阻力和水阻力 【例5-1】【例5-2】（原则1）（原则2）（原则3）第45页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四

17、表冷器的设计计算思路由已知条件计算2，查附录5-4，确定表冷器型号；假定迎风速度范围： 23m/s计算析湿系数，为计算NTU和Cr；求K，去计算NTU，从而求；假定水流速范围:14m/s求冷水质量流量；计算NTU和Cr，查图得 ；求水初终温第46页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四【例6-1】简化和要点 已知被处理的空气量G为8.33kg/s；空气初参数为t1、i1、ts1、1；终参数为t2、i2、ts2、2；选择JW型表冷器，已知其迎面风速是2.7m/s,水流速1.2m/s,通水截面积为0.00553m2，热交换效率为0.74，接触系数为0.950，求此表冷器的吸湿系数、

18、进出水温和水量。第47页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四五、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：以热水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：Q需=Q供 对数平均温差法 第48页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四【例6-3】空气加热器设计计算初选加热器型号：假设空气质量流速（v）=8kg/(m2s)计算加热器通风有效截面积 由此查样本，确定合适加热器，给出实际的有效截面积、并联台数等。 计算传热系数K计算加热器面积及串联台数检查安全系数。第49页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四2.散热器的热工计算 热工计算主要是决定供暖房间所需散热器的散热面积和片数。 对数平均温差法：Q=KAtm 影响散热器散热量的最主要因素是热媒平均温度与室内空气温度的差值 。Q=KA（tpj-tn）=KAtp 第50页，共52页，2022年，5月20日，0点14分，星期四Q=KA（tpj