重慶大學(xué)熱質(zhì)交換原理與設(shè)備(chapter5)

1、本章重點(diǎn)：1 間壁式換熱器設(shè)備的構(gòu)造及熱工計(jì)算5.1 熱質(zhì)交換設(shè)備的分類(演示)換熱器原理與設(shè)計(jì)余建祖熱交換器原理與設(shè)計(jì)史美中1 按照工作原理(認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí))1）間壁式（表面式）：相互不接觸，表冷器、省煤器、冷凝器、蒸發(fā)器等。2）直接接觸式（混合式）：噴淋室、冷卻塔等。動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式(1)(1)套管式換熱器：套管式換熱器：最簡(jiǎn)單的一種間壁式換熱器，流體有順最簡(jiǎn)單的一種間壁式換熱器，流體有順 流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流 體流量不大的情形體流量不大的情形Cold fluidHot fluidCold fl

2、uidHot fluid順流順流逆流逆流xTThTcT1T2xTTh (Hot)Tc (cold)T1T2(2)2)殼管式換熱器：殼管式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由管束組成，管子兩端固定在管束組成，管子兩端固定在管板管板上，管束與管板再封裝在外上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)。殼內(nèi)。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

3、) (tube,inAToutAT,進(jìn)一步增加管程和殼程進(jìn)一步增加管程和殼程殼程？殼程？(3) (3) 交叉流換熱器：交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要形式。其間壁式換熱器的又一種主要形式。其主要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動(dòng)。交叉流換熱器又分主要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動(dòng)。交叉流換熱器又分管管束式束式、管翅式管翅式和和板翅式板翅式三種。三種。(c) 板翅式交叉流換熱器板翅式交叉流換熱器(4) (4) 板式換熱器：板式換熱器：由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成，冷熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)，其特點(diǎn)是拆卸清組成，冷熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)，其特點(diǎn)是

4、拆卸清洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體。洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體。(5) 5) 螺旋板式換熱器：螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，優(yōu)點(diǎn)：換熱效果好；缺點(diǎn)：密封比較困難。優(yōu)點(diǎn)：換熱效果好；缺點(diǎn)：密封比較困難。1 1出出2 2出出3按照用途分類:表冷器、加熱器、過熱器等4按照制造材料分類金屬材料、非金屬材料及稀有金屬材料等類型。 5.2 間壁式熱質(zhì)交換器的熱工計(jì)算5.2.1間壁式兩側(cè)流體傳熱過程分析（討論）模型介紹模型介紹平均與主體溫度的大小關(guān)系？平均與主體溫度的大小關(guān)系？為什么引入平均為什么引入平均? ?5.2.2 傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻總傳熱

5、熱阻tKtRRthhttqff1112121單位面積單位面積熱阻熱阻KR1RK1KAttAKhhAtthhttAQffff1)11(11121212121考慮面積時(shí)的考慮面積時(shí)的總熱阻總熱阻差異？差異？單位面積熱單位面積熱阻和總熱阻阻和總熱阻的關(guān)系的關(guān)系？總熱阻（單位長(zhǎng)度的管道）總熱阻（單位長(zhǎng)度的管道）id0dlRttAKQlRKA1ARKl1討論？討論？外表面內(nèi)表面內(nèi)表面id面積面積0d已知：ARKl1對(duì)于對(duì)于平壁平壁，考慮其兩側(cè)的，考慮其兩側(cè)的污垢熱阻污垢熱阻后，后，由于兩側(cè)面積相同，可以串連成一個(gè)熱阻由于兩側(cè)面積相同，可以串連成一個(gè)熱阻類似的將管子污垢熱阻包括進(jìn)去之后ifR,0,fR 內(nèi)

6、表面單位面積的污垢熱阻內(nèi)表面單位面積的污垢熱阻單位長(zhǎng)度外表面單位面積的污垢熱阻外表面單位面積的污垢熱阻ifiRd,10,01fRd0011hdiihd11 單位長(zhǎng)度與類比理解單位長(zhǎng)度：相當(dāng)于考慮面積后的情況ifiRd,10,01fRd類似的將管子污垢熱阻包括進(jìn)去之后 外表面 0didARKl15.2.3 換熱器熱工計(jì)算的基本原理1 傳熱方程式（2）熱平衡方程式（能量平衡原理）熱平衡方程式（能量平衡原理）mt由于溫差不斷變化，所以采用平均溫差由于溫差不斷變化，所以采用平均溫差t討論？討論？5.2 對(duì)數(shù)平均溫差法換熱器中流體溫度沿程變化示意圖換熱器中流體溫度沿程變化示意圖同一位置上同一位置上對(duì)應(yīng)的

7、溫差對(duì)應(yīng)的溫差順流時(shí)平均溫差的推導(dǎo)作如下假設(shè)作如下假設(shè)：(1)(1)冷熱流體的質(zhì)量流量冷熱流體的質(zhì)量流量G2G2、G1G1以及比熱容以及比熱容c c2 2,c,c1 1是常數(shù)；是常數(shù)；(2)(2)傳熱系數(shù)是常數(shù)；傳熱系數(shù)是常數(shù)；(3)(3)換熱器無散熱損失；換熱器無散熱損失；(4)(4)換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。)(xxAft 要計(jì)算沿整個(gè)換熱面的平均溫差，首先需要知道要計(jì)算沿整個(gè)換熱面的平均溫差，首先需要知道局部溫局部溫差隨換熱面積的變化差隨換熱面積的變化，即，即 ，然后再沿整個(gè)，然后再沿整個(gè)換熱面積進(jìn)行平均換熱面積進(jìn)行平均在前面假設(shè)的基礎(chǔ)上

8、，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，分在前面假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，分析微元換熱面析微元換熱面dAdA的傳熱。溫差為：的傳熱。溫差為：在傳熱微元面在傳熱微元面dAdA內(nèi)，兩種流體的換熱量為內(nèi)，兩種流體的換熱量為: :21ttt ddtAkQ對(duì)于熱流體對(duì)于熱流體 1 1和冷流體和冷流體 2:2:QcGttcGQd1ddd111111QcGttcGQd1ddd222222討論？討論？對(duì)等對(duì)等dAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln)exp(txxkAtQQcGcGtttdd11ddd221121 ddtAkQ221111cGcGtdAdkt21ttt可見，可見，當(dāng)?shù)販夭町?dāng)?shù)?/p>

9、溫差隨換熱面隨換熱面(Ax)呈指數(shù)變化，則沿整個(gè)換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個(gè)換熱面的平均溫差為：的平均溫差為：)exp(txxkAtxxAxAmkAAAt)dAexp(t1 dAt10 x0討論？討論？1-)exp(t)dAexp(t10kAkAkAAtxxAmxxkAttlnkAt tlnAAx)exp(tkAt tttttttm tlnttlnt1-ttlnt21ttt21ttt tttm tlnt順流：順流：逆流時(shí)采用類似的方法求解逆流時(shí)采用類似的方法求解21ttt 21ttt maxmaxt21ttt 21ttt ()minmint21ttt 21ttt ()minmaxminmaxtl

10、nttttm兩端同一位置溫差兩端同一位置溫差由于順流：由于順流：順流時(shí)采用類似的表示方法順流時(shí)采用類似的表示方法順流、逆流統(tǒng)一寫成如下形式：順流、逆流統(tǒng)一寫成如下形式：minmaxminmaxtlnttttm當(dāng)當(dāng)2/ )t(minmaxt2t/minmaxt可以采用算可以采用算數(shù)平均溫差數(shù)平均溫差tt P169170應(yīng)用示例應(yīng)用示例殼管式換熱器的溫差？逆流)(mmtt逆流)(mt將冷熱流體進(jìn)出溫度考慮成逆流對(duì)數(shù)平均溫差修正系數(shù)通過下列P、R參數(shù)在圖中查到例：殼側(cè)1程，管側(cè)2程，求溫差？2122ttttP 2211ttttR 501 t451 t302 t402 t 1殼側(cè)，2管側(cè)，入口和出口熱

11、媒熱媒2實(shí)際溫差與其可能的實(shí)際溫差與其可能的最大理論溫差的比值最大理論溫差的比值5.2.3效能-傳熱單元數(shù)法三個(gè)無因次的定義 （1）熱工計(jì)算涉及的8個(gè)量1t2t1t 2t KAQ11cG22cG （2）采用無因次方程，組合各個(gè)變量，減少求解 方程。5.2.3效能-傳熱單元數(shù)法三個(gè)無因次的定義（1）熱容比maxmin)()(GcGcCr （2）傳熱單元數(shù)min)(GcKANTU 無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)2無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)1在最后的推導(dǎo)結(jié)果中出現(xiàn)，當(dāng)熱媒確定的情況下，可以視為對(duì)KA的度量 （3）傳熱效能效能2122tttt 1122cGcG1122cGcG 2111tttt 溫升較大者的實(shí)際溫差與

12、換熱器中可能存在的最大溫差比值無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)321max)(tttt 22max)(tttt 11max)(tttt )()()()(21minmaxminttGcttGcQ 效能改寫為或Gc？ 對(duì)于順流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?yàn)?(1 ()()(21221

13、12121ttcGcGtttt )()(212211112211ttcGcGttcGcG 因?yàn)椋荷瞎?jié)的結(jié)論上節(jié)的結(jié)論)()()()(112211212211ttcGcGtttttt 變形為：)exp(tkAt 2111tttt 22111)exp(1cGcGkA221111cGcG22112211111)1 (exp1cGcGcGcGcGkA11221122221)1 (exp1cGcGcGcGcGkA合并maxminmaxminmin)()(1)()(1 ()(exp1GcGcGcGcGckA當(dāng)1122cGcG用相同的方法推導(dǎo)如下結(jié)論與前式的差異？與前式的差異？22112211111)1 (

14、exp1cGcGcGcGcGkA根據(jù)結(jié)論返回去理根據(jù)結(jié)論返回去理解無量綱的定義解無量綱的定義maxminmaxminmin)()(1)()(1 ()(exp1GcGcGcGcGckA令NTUGcKAmin)(rrCCNTU1)1 (exp1逆流)1 (exp1)1 (exp1rrrCNTUCCNTU與設(shè)備自身相關(guān)的量設(shè)備自身相關(guān)的量順流小結(jié)：傳熱效能 表示實(shí)際傳熱量與可能最大換熱量的比值，已整理成相應(yīng)的圖表，供查詢。當(dāng)求得 后，可以根據(jù)它的定義求得傳熱量)()(21minttGcQP173)()()()(21minmaxminttGcttGcQ 示例示例:30)(1Gc40)(2Gc90KA6

15、01 t302 t 求順流換熱量求順流換熱量Q，圖，圖6-11求逆流換熱量求逆流換熱量Q，圖，圖6-12P173應(yīng)用示例應(yīng)用示例 5.2.45.2.4表面式冷卻器的熱工計(jì)算表面式冷卻器的熱工計(jì)算表冷器處理空氣時(shí)發(fā)生熱質(zhì)交換的特點(diǎn)表冷器處理空氣時(shí)發(fā)生熱質(zhì)交換的特點(diǎn)總熱交換量為總熱交換量為溫差引起的顯熱交換量溫差引起的顯熱交換量劉伊斯關(guān)系pmdchhdAiihdQbmdt)( 換熱擴(kuò)大系數(shù)顯熱傳遞顯熱傳遞潛熱傳熱量潛熱傳熱量以下針對(duì)整個(gè)表冷器設(shè)備整個(gè)表冷器設(shè)備的分析：空氣在設(shè)備中的平均溫度空氣在設(shè)備中的平均溫度水膜表面溫度水膜表面溫度空氣在設(shè)備中的平均含濕量空氣在設(shè)備中的平均含濕量水膜表面空氣含濕

16、量水膜表面空氣含濕量水蒸氣平均焓值水蒸氣平均焓值水膜上水的焓值水膜上水的焓值0r？析濕系數(shù)可以表示如下形式：表冷器的傳熱系數(shù)（表冷器的傳熱系數(shù)（濕工況濕工況）干工況下的傳熱系數(shù)干工況下的傳熱系數(shù)222AAA )(2222fwttAh肋化系數(shù)肋化系數(shù)表冷器的傳熱系數(shù)（表冷器的傳熱系數(shù)（濕工況濕工況）對(duì)肋管式換熱器，其傳熱系數(shù)（干工況）表示如下：干工況干工況肋化系數(shù)（肋壁總面積/光管面積）肋壁總效率肋化側(cè)肋化側(cè)wh肋化側(cè)換熱系數(shù)nh光管側(cè)換熱系數(shù)光管側(cè)光管側(cè)wnhhK111因?yàn)閐AiihdQbmdt)( 所以dAttchdQbpmdt)( pmdwchh 因?yàn)閣h外表面換熱系數(shù)干工況干工況濕工況濕

17、工況干工況干工況肋化側(cè)肋化側(cè)？所以可以認(rèn)為濕工況下，空氣側(cè)換熱系數(shù)比干工況高 倍濕工況下表冷器傳熱系數(shù)可以改寫為：增大的倍數(shù)增大的倍數(shù)其他條件不變其他條件不變表冷器的熱工計(jì)算（表冷器的熱工計(jì)算（濕工況濕工況）（1）表冷器的熱交換效率（效能效能）定義定義t1、t2空氣處理前后的溫度，空氣處理前后的溫度，tw1水初溫水初溫空氣熱容（干、濕工況下有差異）空氣熱容（干、濕工況下有差異）空氣溫度下降dt放出的總熱量（濕工況下濕工況下）熱容比：熱容比：傳熱單元數(shù)：傳熱單元數(shù)：析濕系數(shù)Ks濕工況按dt前的整體考慮視為逆流，所以表冷器視為逆流，所以表冷器熱交換效率可寫為熱交換效率可寫為：與設(shè)備相關(guān)設(shè)備相關(guān)的量t（2）表冷器的接觸系數(shù)接觸系數(shù)的定義式為：t3理想情況下（時(shí)間無限）空理想情況下（時(shí)間無限）空氣飽和溫度氣飽和溫度空氣狀態(tài)空氣狀態(tài)5467平行線等比例定理平行線等比例定理112221sstttt也可寫為：也可寫為：234與與135相似相似264與與175相似相似表冷器能量分析在dA上空氣放熱（空氣）Gdi表冷器吸熱（表冷器）dAiihmd)(3所以dAiihmd)(3Gdi=表冷器液膜表層表冷器液膜表層空氣焓近似不變空氣焓近似不變pwmdchh因?yàn)樗耘c設(shè)備設(shè)備和風(fēng)速相關(guān)的量dAiihmd)(3Gdi=(2)表冷器設(shè)備的 等于空氣處理的表冷器計(jì)算的原則(1) 表冷