热能与动力机械基础第2版 教学课件 王中铮 主编 4 换热与蓄热装置

在线教务辅导网：://教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187或者直接输入下面地址：第八章换热与蓄热装置8.1换热器的结构与传热计算8.3热能储存原理8.2换热器设计计算根本方法8.4蓄热技术的应用及蓄热器热设计8.1换热器的结构与传热计算8.1.1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(也称外表式)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8-1，火力发电站用的双曲线壳体型循环水冷却塔。图8-1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

插图8-1火电厂用双曲线型循环水冷却塔

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，到达热量传递的目的。如图2-39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。8.1.2间壁式换热器的型式和根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8-2；按流程数量可分为单程和多程换热器，如图8-3。按传热外表几何形状可分为很多种，见图8-4。图8-2

流体流动方式

顺流b)逆流c)错流d)总趋势为逆流的四次错流e)先顺后逆的平行混流f)先逆后顺的串联混流图8-3单程和多程换热器(1-1型)单程换热器

b)(1-2型)多程换热器图8-4

间壁式换热器的结构型式

盘管形b)螺旋板式c)板式换热器d)板翅式换热器e)翅片式换热器f)热管式换热器g)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8-5。

图8

-5管壳式换热器结构型式a)列管式b)双套管式c)U形管式d)浮头式插图8-2管壳式换热器(换热器端盖已翻开)插图8-3

U形管换热器

插图8-4螺旋板式换热器

插图8-5板式换热器

插图8-6板翅式换热器

插图8-7翅片管式换热器

8.1.3换热器传热计算的根本公式 换热器传热计算的根本公式为传热方程和热平衡方程，即传热方程 热平衡方程

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，假设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：

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，那么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。1对流换热系数〔1〕流体在管内流动时1)层流适用范围为

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。〔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。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：

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8-6查取和确定。图8-6气流横向冲刷顺列光管管束的对流放热系数

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屡次反射和吸收；计算烟气黑度时，对于气体和液体燃料只考虑三原子气体，对于固体燃料那么应同时考虑三原子气体和气流中的灰粒辐射，得出：对含灰气流

对不含灰气流：

〔1〕烟气黑度α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

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

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〔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8-7是辐射放热系数的线算图，根据所求α值和图中所查值便可得到辐射放热系数。对含灰气流对不含灰气流

图8-7辐射放热系数8.2换热器设计计算根本方法 8.2.1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根本方程，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。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.

图8-8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 (8-21)那么可求得顺流、逆流的平均温差为：

或 a)顺流b)逆流图8-8流体温度沿传热面的变化

表8-1温差修正系数确实定当时，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(8-23)按逆流情况下求得。值可用表8-1和图8-9~图8-11。图8-9串联混流的温差修正系数图8-10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8-1)

1—一次错流2—二次错流3—三次错流4—四次错流(参阅表8-1)

图8-11错流温差修正系数

例8-1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。

解：1)顺流时 ℃℃

所以

热负荷

传热面积

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。

8.2.2效能—传热单元法(法)1、换热器效能实际换热量Φ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：

如果，那么为

如果，那么为

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：那么把两式中的数群定义为传热单元数。常以“NTU〞表示，即

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 逆流时那么为

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8-12、图8-13。图8-12纯逆流型效能线算图

a)两流体各自均有横向混合

b)一流体有横向混合另一流体无横向混合

c)两流体各自均无横向混合

图8-13错流型效能线算图

例8-2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8-14。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。图8-14管式空气预热器例图

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查与此题相应的一次交叉流型的线算图4-44b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根据热平衡方程式

8.2.3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8-2和表8-3。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Φ；3.选定换热器型式计算平均温差；表8-2换热器设计计算步骤

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：

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Φ；表8-3换热器校核计算步骤

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。8.3热能储存原理

8.3.1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响。儲能〔系统〕的根本任务是克服能量的供给和需求之间在数量上形态上和时间上的差异。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。儲能的方法如按被储存的能量形式的不同来分，那么有：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。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、系统本钱低、长期运行可靠。8.3.2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〔100~250℃〕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。〔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〔T2-T1〕,那么显热为

Q﹦mc〔T2-T1〕显热储存为最简单、最成熟、材料来源最丰富、本钱最低廉，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。局部显热蓄热物质的热性能参数可参见表8-4及表8-5。物质密度/kg•m-3比热容/KJ•(kg•K)-1体积热容/KJ•m-3•K-1

导热系数/W•(m•K)-1

导温系数/m2•s-1

水10004．246000．581．4花刚岩27000．8022002．71．27表8-4显热蓄热物质例表

岩石1900~26000.8~0.91.5~5.0氧化铝40000.8434002.57.5氧化镁（90%）30001.04.5~6土壤1600~18001.68（平均）物质类型温度范围/℃

比热容/KJ•(kg•K)-1备注CaloriaHT43Therminol55Therminol66

油

油

油

-9~310-18~316-9~343

2．502．50

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8-5液体显热蓄热物质的使用温度范围

HitecDrawsalt

熔融岩熔融岩

205~540260~550

1．561．56

550℃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125~76049~760

1．301．05

需要SUS等容器，密闭系统,与水、氧等有激烈反应

图8-15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说明，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τ变化的关系。图8-15以水箱为储热器的太阳能系统

〔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8-6列出了局部蓄热物质的熔解热数据。蓄热物质迁移点/℃熔化热/kJ•kg-1NaF992702NaCl803514LiOH462431KCl776343NaOH318167表8-6利用熔解热的蓄热物质例表

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。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λ，那么质量为m的物质在相变时所吸收〔或凝固时放出〕的热量为

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以下性质：①具有适宜的熔点温度。②有较大的熔解热。③密度大。④稳定性好。⑤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〔120~850℃〕和中低温〔0~120℃〕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。〔三〕热化学法储存可分为三种：化学反响蓄热、浓度差蓄热及化学结构变化蓄热。化学反响蓄热是指利用可逆化学反响的结合热储存热能。这些反响有气相催化反响、气固反响、气液反响、液液反响等等。用于蓄热的化学反响必须满足以下条件：在放热温度附近的反响热大；反响系数对温度敏感；反响速度快；反响剂稳定；对容器的腐蚀性小等。化学反响热是储存在物质内部的化学能，通过化学反响以热的形式释放出的能量。化学反响热通常在恒压下测定，那么反响热就等于反响焓，即反响热△H﹦生成物焓之和－反响物焓之和可见，如果△H是正值，那么为吸热反响。反之，为放热反响。例如，己醇CH3OH的热分解储存热能反响为气/气的催化反响〔温度420K〕CH3OH〔气〕2H2〔气〕+CO〔气〕△H﹦92.1kJ/mol己醇CH3OH储存和利用热能的过程为：先生成气态的H2和CO再储存或输送到反响器中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。潜热储存最具有实际开展前途，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。8.4蓄热技术的应用及蓄热器热设计

8.4.1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。

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根本保持平衡，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8-16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。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-汽水别离器；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8-16卧式蒸汽蓄热器结构

图8-17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。不管那个系统，蓄热器依靠热量的储存和释放起到调节负荷平衡的作用。(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8-17蓄热器供汽系统

插图8—8

8.4.2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，从而选定适宜的蓄热器。〔一〕储热量确实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。储热量确实定〔即储汽量的计算〕有三种方法：⑴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