熱能與動力機械基礎第2版 教學課件 王中錚 主編 4 換熱與蓄熱裝置

在線教務輔導網(wǎng)：://教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務輔導網(wǎng)QQ:349134187或者直接輸入下面地址：第八章?lián)Q熱與蓄熱裝置8.1換熱器的結構與傳熱計算8.3熱能儲存原理8.2換熱器設計計算根本方法8.4蓄熱技術的應用及蓄熱器熱設計8.1換熱器的結構與傳熱計算8.1.1換熱器分類隨冷、熱流體接觸的方式不同，換熱器分為間壁式(也稱外表式)直接接觸式和蓄熱式三種。間壁式換熱器——其工作原理是熱流體將熱量傳遞給冷流體要通過一層固體壁，如鍋爐中的省煤器，各種廢熱鍋爐以及油冷卻器等。直接接觸式換熱器——如圖8-1，火力發(fā)電站用的雙曲線殼體型循環(huán)水冷卻塔。圖8-1自然通風循環(huán)水冷卻塔示圖

1—冷卻水噴淋裝置2—填料3—冷卻風

插圖8-1火電廠用雙曲線型循環(huán)水冷卻塔

蓄熱式(或稱再生式、回熱式)換熱器——利用固體壁面的蓄熱作用，讓冷、熱流體交替流過固體壁面，到達熱量傳遞的目的。如圖2-39所示空氣預熱器就屬回轉(zhuǎn)型。蓄熱式換熱器還可分為回轉(zhuǎn)型、閥門切換型和蓄熱體顆粒移動型三種型式。8.1.2間壁式換熱器的型式和根本構造間壁式換熱器是應用最廣泛的一類換熱器，有多種分類法。按工作流體間的相對流動方向可分為順流(或并流)、逆流、錯流和混流多種方式，見圖8-2；按流程數(shù)量可分為單程和多程換熱器，如圖8-3。按傳熱外表幾何形狀可分為很多種，見圖8-4。圖8-2

流體流動方式

順流b)逆流c)錯流d)總趨勢為逆流的四次錯流e)先順后逆的平行混流f)先逆后順的串聯(lián)混流圖8-3單程和多程換熱器(1-1型)單程換熱器

b)(1-2型)多程換熱器圖8-4

間壁式換熱器的結構型式

盤管形b)螺旋板式c)板式換熱器d)板翅式換熱器e)翅片式換熱器f)熱管式換熱器g)針形換熱器h)蜂窩形換熱器i)組合式換熱器j)板殼式換熱器管殼式換熱器是最常用的一種結構型式。最常見的管殼式換熱器有固定管板式(列管式)、浮頭式、U形管和雙套管式幾種，見圖8-5。

圖8

-5管殼式換熱器結構型式a)列管式b)雙套管式c)U形管式d)浮頭式插圖8-2管殼式換熱器(換熱器端蓋已翻開)插圖8-3

U形管換熱器

插圖8-4螺旋板式換熱器

插圖8-5板式換熱器

插圖8-6板翅式換熱器

插圖8-7翅片管式換熱器

8.1.3換熱器傳熱計算的根本公式 換熱器傳熱計算的根本公式為傳熱方程和熱平衡方程，即傳熱方程 熱平衡方程

換熱器計算中，傳熱系數(shù)K的計算式因不同型式而異。對于管殼式換熱器，可按以下近似式計算：上式是在壁面清潔的情況下，假設壁有結垢時還應考慮垢層的熱阻。當換熱器材質(zhì)為金屬時，通常甚小，通常可略去，這時傳熱系數(shù)K為：

換熱器內(nèi)流體的換熱有對流換熱和輻射換熱，通?？芍豢紤]對流換熱，但在有高溫氣體時，那么高溫氣體側應同時考慮對流和輻射，即式中，為對流放熱系數(shù)；為輻射放熱系數(shù)。1對流換熱系數(shù)〔1〕流體在管內(nèi)流動時1)層流適用范圍為

2)湍流

式中，流體被加熱時，；流體被冷卻時，。適用范圍為

光滑管道不大?！?〕流體在非園管內(nèi)(如：方形、鋸鑿形、波紋形等流道)及在具有折流板的流道內(nèi)(為管殼式換熱器中殼側流道)流動時。每一種流道都有它各自的計算對流換熱系數(shù)的關系式，讀者可查閱專門書籍?！?〕流體定向沖刷管束時不同情況下其計算式也就不同。今舉一例為氣流橫向沖刷順列管束，此時的對流放熱系數(shù)為為考慮管束相對節(jié)距影響的修正系數(shù)，按下式計算：

為煙氣行程方向上管排數(shù)的修正系數(shù)，當時，

當時， 、、亦可按線算圖8-6查取和確定。圖8-6氣流橫向沖刷順列光管管束的對流放熱系數(shù)

2輻射換熱系數(shù) 取管壁黑度，然后用管束黑度代替管壁黑度來考慮煙氣與管壁之間的屢次反射和吸收；計算煙氣黑度時，對于氣體和液體燃料只考慮三原子氣體，對于固體燃料那么應同時考慮三原子氣體和氣流中的灰粒輻射，得出：對含灰氣流

對不含灰氣流：

〔1〕煙氣黑度α的計算按下式進行：式中，kps為煙氣的輻射吸收率，其值用下式計算

1)煙氣中三原子氣體輻射減弱系數(shù)用下式計算：2)飛灰的輻射減弱系數(shù)用下式計算

3)有效輻射層厚度根據(jù)具體情況用以下幾個公式計算：對對流管束受熱面對轉(zhuǎn)彎室空間對管式空氣預熱器〔2〕管壁灰污溫度為溫度附加值，煙溫大于400℃時取℃，煙溫小于等于400℃時℃，燃用氣體燃料時℃。圖8-7是輻射放熱系數(shù)的線算圖，根據(jù)所求α值和圖中所查值便可得到輻射放熱系數(shù)。對含灰氣流對不含灰氣流

圖8-7輻射放熱系數(shù)8.2換熱器設計計算根本方法 8.2.1設計計算與平均溫差法 換熱器設計中，無論采用何種方法均基于兩個根本方程，即傳熱方程 熱平衡方程 換熱器設計中，兩種方法：平均溫差法〔LMTD法〕——常用于設計計算；效能—傳熱單元數(shù)法(法)——常用于校核計算。平均溫差法用于設計計算，其具體步驟如下：1〕由熱平衡方程式求出冷熱流體中另一個未知溫度和傳熱量Q。2〕求出傳熱的平均溫差。3〕求出傳熱系數(shù)K，用傳熱方程求出F.

圖8-8為換熱器內(nèi)順流和逆流情況下，流體溫度沿傳熱面積變化的示圖，根據(jù)定義平均溫差為 (8-21)那么可求得順流、逆流的平均溫差為：

或 a)順流b)逆流圖8-8流體溫度沿傳熱面的變化

表8-1溫差修正系數(shù)確實定當時，用算術平均溫差，即其它流動方時，乘以修正系數(shù)，即

式中，可用式(8-23)按逆流情況下求得。值可用表8-1和圖8-9~圖8-11。圖8-9串聯(lián)混流的溫差修正系數(shù)圖8-10并聯(lián)混流的溫差修正系數(shù)

1—兩個流程均順流2—三個流程中兩個順流，一個逆流3—偶數(shù)流程，順逆流各半4—三個流程中一個順流，兩個逆流5—兩個流程均為逆流(參閱表8-1)

1—一次錯流2—二次錯流3—三次錯流4—四次錯流(參閱表8-1)

圖8-11錯流溫差修正系數(shù)

例8-1用流量，比熱容入口溫度℃出口溫度℃的水，將比熱容的產(chǎn)品(流量為)從℃冷卻到℃。計算順流和逆流時換熱器(冷凝器)的對數(shù)平均溫差及所需的冷卻面積，傳熱系數(shù)。

解：1)順流時 ℃℃

所以

熱負荷

傳熱面積

2)逆流時

由本例可見，在相同流量、相同進出口流體溫度下，逆流要比順流所需的傳熱面積小。

8.2.2效能—傳熱單元法(法)1、換熱器效能實際換熱量Φ與最大可能換熱量之比，稱為換熱器效能，通常以表示，即最大可能換熱量為：

如果，那么為

如果，那么為

2、傳熱單元數(shù)在傳熱系數(shù)K為定值，不考慮熱損失的情況下，根據(jù)熱平衡及傳熱方程有：那么把兩式中的數(shù)群定義為傳熱單元數(shù)。常以“NTU〞表示，即

3、效能與傳熱單元數(shù)之間的關系根據(jù)對數(shù)平均溫差的表達式和熱平衡方程式可推導出順流型效能與傳熱單元數(shù)之間的關系式為：

式中 逆流時那么為

對于各種不同流動組合方式的換熱器，都可推導出、NTU和之間的函數(shù)關系，并整理成圖線，見圖8-12、圖8-13。圖8-12純逆流型效能線算圖

a)兩流體各自均有橫向混合

b)一流體有橫向混合另一流體無橫向混合

c)兩流體各自均無橫向混合

圖8-13錯流型效能線算圖

例8-2有管式空氣預熱器，煙氣在管內(nèi)流動，并在管程間有橫向混合，見圖8-14。換熱面積，傳熱系數(shù)，煙氣熱容量，入口溫度℃，空氣熱容量，入口溫度℃，求煙氣及空氣的出口溫度。圖8-14管式空氣預熱器例圖

解：總傳熱單元數(shù) 熱容量比

因二次交叉兩段傳熱系數(shù)及傳熱面積相等，故每段分傳熱單元數(shù)查與此題相應的一次交叉流型的線算圖4-44b得分傳熱單元效能數(shù) 由文獻[6]知，對于本例所示兩次錯流情況，效能數(shù)為根據(jù)效能定義可得空氣出口溫度為根據(jù)熱平衡方程式

8.2.3換熱器熱力設計的方法與步驟 設計計算給定的量通常為：、及四個進口溫度中的三個，求所需換熱面積F。 校核計算給定的量通常為：F、、及和，求出口溫度和或者能傳遞的熱量Q。 平均溫差法和效能—傳熱單元數(shù)法的設計步驟見表8-2和表8-3。法平均溫壓法1.由給定的三個端部溫度，利用熱平衡方程式求出另一個未知端部溫度；2.確定換熱器型式由端溫計算效能及熱容量比；3.利用相應的關系求出傳熱單元數(shù)(NTU)；1.由給定的三個端部溫度，利用熱平衡方程式求出另一個未知端部溫度；2.由熱平衡方程式計算換熱量Φ；3.選定換熱器型式計算平均溫差；表8-2換熱器設計計算步驟

4.取經(jīng)驗傳熱系數(shù)，估算傳熱面積，初步布置傳熱面，計算相應的傳熱系數(shù)K；5.利用下式求出換熱面積：(設)

4.取經(jīng)驗傳熱系數(shù)，估算傳熱面積，初步布置傳熱面積，計算相應的傳熱系數(shù)K；5.由傳熱方程式計算換熱面積：

法平均溫壓法1.假定一個出口溫度，依熱平衡方程式求另一個出口溫度；2.依換熱面具體情況計算相應的傳熱系數(shù)K；3.計算傳熱單元數(shù)(NTU)及熱容量比；4.借助相應的關系式求效能；1.假定一個出口溫度，依熱平衡方程式求另一個出口溫度；2.依換熱面具體情況計算相應的傳熱系數(shù)K；3.借助輔助參量P及R計算平均溫差；4.依傳熱方程式計算傳熱量Φ；表8-3換熱器校核計算步驟

5.利用下式求得出口溫度(設)與第一步相比，視計得的出口溫度是否與假定值相一致。如不一致則需重新假定出口溫度重復上述步驟，直到滿意時為止。5.用下式計算出口溫度并與第一步假定值相比，視其是否一致。如不一致則需重新假定出口溫度重復上述步驟，直到滿意時為止。8.3熱能儲存原理

8.3.1儲能作用、方法與要求儲能，又稱蓄能。儲能過程是一個充能或放能過程，其間要發(fā)生物理或化學反響。儲能〔系統(tǒng)〕的根本任務是克服能量的供給和需求之間在數(shù)量上形態(tài)上和時間上的差異。儲能〔系統(tǒng)〕作用：1、滿足用能的需要，提供所需求的能量。2、防止能量品質(zhì)的自動惡化。3、適應負荷的變化，改善能源轉(zhuǎn)換過程的性能。4、有利于方便經(jīng)濟地使用能量。5、有利于新能源的利用，減少污染，保護環(huán)境。儲能的方法如按被儲存的能量形式的不同來分，那么有：1、熱能——顯熱儲存、潛熱儲存、熱化學法儲存。2、電能——有以勢能及動能形式儲存的飛輪儲能；電容器儲存；對蓄電池充電的化學儲能等。3、化學能——如合成燃料、化石燃料。4、電磁能——超導線圈儲能。儲能系統(tǒng)應具有如下特性：1、單位容積所儲存的能量要高，即系統(tǒng)盡可能儲存多的能量。2、良好的負荷調(diào)節(jié)性能，以隨時滿足用能方的需要。3、高的能源儲存效率。4、系統(tǒng)本錢低、長期運行可靠。8.3.2熱能儲存原理熱能儲存又稱蓄熱。有低溫蓄熱〔溫度＜100℃〕，中溫蓄熱〔100~250℃〕和高溫蓄熱〔250℃以上〕及蓄冷〔低于環(huán)境溫度時的熱能儲存，如冰蓄冷〕。熱能儲存方法：物理方法——顯熱儲存、潛熱儲存化學方法——熱化學法儲存。〔一〕顯熱儲存在無相變的條件下，利用物質(zhì)因溫度變化而發(fā)生吸熱〔或放熱〕來進行儲熱。設儲能物質(zhì)的質(zhì)量為m，比熱容為c，溫度變化為〔T2-T1〕,那么顯熱為

Q﹦mc〔T2-T1〕顯熱儲存為最簡單、最成熟、材料來源最豐富、本錢最低廉，應用最普遍。根據(jù)所用材料的不同可分為液體顯熱儲存和固體顯熱儲存。常用的顯熱儲存物質(zhì)是水、土壤、巖石和溶鹽等。局部顯熱蓄熱物質(zhì)的熱性能參數(shù)可參見表8-4及表8-5。物質(zhì)密度/kg?m-3比熱容/KJ?(kg?K)-1體積熱容/KJ?m-3?K-1

導熱系數(shù)/W?(m?K)-1

導溫系數(shù)/m2?s-1

水10004．246000．581．4花剛巖27000．8022002．71．27表8-4顯熱蓄熱物質(zhì)例表

巖石1900~26000.8~0.91.5~5.0氧化鋁40000.8434002.57.5氧化鎂（90%）30001.04.5~6土壤1600~18001.68（平均）物質(zhì)類型溫度范圍/℃

比熱容/KJ?(kg?K)-1備注CaloriaHT43Therminol55Therminol66

油

油

油

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

2．502．50

需要無氧化氣氛，高溫時有和非溶解聚合體聚合的可能，Therminol55在大于288℃時，由于過度揮發(fā)會使質(zhì)量減少表8-5液體顯熱蓄熱物質(zhì)的使用溫度范圍

HitecDrawsalt

熔融巖熔融巖

205~540260~550

1．561．56

550℃以上長時間的穩(wěn)定性，尚不清楚，450℃以上需要SUS容器，需要惰性氣體

NaNaK

液體金屬液體金屬125~76049~760

1．301．05

需要SUS等容器，密閉系統(tǒng),與水、氧等有激烈反應

圖8-15所示的以水箱為蓄熱器的太陽能系統(tǒng)就是顯熱儲存的典型實例。水箱的熱平衡方程為該式說明，水箱內(nèi)熱量的增量等于集熱器中水傳給水箱的熱量與熱負荷和水箱熱損失之差。式中僅水箱水溫為未知數(shù)，用數(shù)值解法即可求得水箱水溫隨時間τ變化的關系。圖8-15以水箱為儲熱器的太陽能系統(tǒng)

〔二〕潛熱儲存利用物質(zhì)發(fā)生相變時需要吸收〔或放出〕熱量的特性來進行儲熱。這種相變有以下四種情況：1、固體物質(zhì)的晶體結構發(fā)生變化。如六方晶格的鋯，在871℃的溫度下，晶格變成體心立方，此時相當于吸收了53kJ/kg的熱量。2、固、液相間的相變，即熔解、凝固〔相應的熔化潛熱、凝固潛熱〕。如冰的溶化，水的結冰。表8-6列出了局部蓄熱物質(zhì)的熔解熱數(shù)據(jù)。蓄熱物質(zhì)遷移點/℃熔化熱/kJ?kg-1NaF992702NaCl803514LiOH462431KCl776343NaOH318167表8-6利用熔解熱的蓄熱物質(zhì)例表

3、液、氣相的相變即氣化、冷凝〔相應的氣化潛熱、凝結熱〕。如水的蒸發(fā)和蒸汽的冷凝。4、固相直接變成氣相即升華。升華熱量大體等于熔解熱和氣化熱的和。如萘和碘等物質(zhì)具有這種現(xiàn)象。目前有實際應用價值的是固-液相變儲熱，即利用熔解熱。與顯熱儲存相比，潛熱儲存時容積儲熱密度大，儲熱設備的溫度波動小。設物質(zhì)的熔解熱為λ，那么質(zhì)量為m的物質(zhì)在相變時所吸收〔或凝固時放出〕的熱量為

對于固-液相變儲熱，儲熱物質(zhì)在熱力學和化學方面應主要具有以下性質(zhì)：①具有適宜的熔點溫度。②有較大的熔解熱。③密度大。④穩(wěn)定性好。⑤腐蝕性沒有或很小。從儲熱的溫度范圍可將儲熱物質(zhì)分為高溫〔120~850℃〕和中低溫〔0~120℃〕兩種。目前，使用最多的是低溫用的無機水合鹽類和石蠟等有機物?！踩碂峄瘜W法儲存可分為三種：化學反響蓄熱、濃度差蓄熱及化學結構變化蓄熱?；瘜W反響蓄熱是指利用可逆化學反響的結合熱儲存熱能。這些反響有氣相催化反響、氣固反響、氣液反響、液液反響等等。用于蓄熱的化學反響必須滿足以下條件：在放熱溫度附近的反響熱大；反響系數(shù)對溫度敏感；反響速度快；反響劑穩(wěn)定；對容器的腐蝕性小等?；瘜W反響熱是儲存在物質(zhì)內(nèi)部的化學能，通過化學反響以熱的形式釋放出的能量?；瘜W反響熱通常在恒壓下測定，那么反響熱就等于反響焓，即反響熱△H﹦生成物焓之和－反響物焓之和可見，如果△H是正值，那么為吸熱反響。反之，為放熱反響。例如，己醇CH3OH的熱分解儲存熱能反響為氣/氣的催化反響〔溫度420K〕CH3OH〔氣〕2H2〔氣〕+CO〔氣〕△H﹦92.1kJ/mol己醇CH3OH儲存和利用熱能的過程為：先生成氣態(tài)的H2和CO再儲存或輸送到反響器中H2和CO重新化合成氣態(tài)CH3OH并放出熱量產(chǎn)生的高溫蒸氣可用于發(fā)電等。潛熱儲存最具有實際開展前途，也是目前研究和應用最多、最重要的儲能方法。熱化學法儲存具有儲能密度高的優(yōu)點。但系統(tǒng)很復雜，價格也高。8.4蓄熱技術的應用及蓄熱器熱設計

8.4.1蓄熱技術的應用主要有以下幾方面：1、工業(yè)熱能儲存。2、太陽能熱儲存。對于太陽能供熱、制冷、供電等系統(tǒng)，必須要儲能。3、電力調(diào)峰及電熱余熱儲存。4、交通及武器裝備等許多特殊場合。5、在太空中的應用。

今以蒸汽蓄熱系統(tǒng)為列作一說明。為了使蒸汽的供求關系能根本保持平衡，對負荷較大的系統(tǒng)，應設置〔蒸汽〕蓄熱器，建立蒸汽蓄熱系統(tǒng)。蒸汽蓄熱器是蓄積熱量的壓力容器。它是以水為載熱體間接儲蓄蒸汽的蓄熱裝置。圖8-16為常見的臥式蒸汽蓄熱器的結構，在該圖中它與鍋爐并聯(lián)。這是一種壓力并非恒定的蓄熱器，稱為變壓式蓄熱器。蓄熱器的最高壓力和最低壓力之差決定了蓄熱器的蓄熱容量。蓄熱器的使用能使鍋爐的產(chǎn)汽量與使用側的負荷變化無關，鍋爐能按平均負荷運行，燃燒穩(wěn)定，實現(xiàn)經(jīng)濟運行。1-鍋爐；2-高壓分汽缸；3-高壓側自動控制閥；4-低壓側控制閥；5-低分汽缸；6-蓄熱本體；7-汽水別離器；8-爐水循環(huán)套管；9-蒸汽噴嘴；10-水位計；11-壓力計；12-保溫層罩殼；13-保溫層

圖8-16臥式蒸汽蓄熱器結構

圖8-17是兩種實用的蓄熱器供汽系統(tǒng)。它的特點是有高、低壓蒸汽兩類用戶。蓄熱器連接在高、低壓蒸汽母管之間。其中〔a〕是高壓蒸汽負荷穩(wěn)定，而低壓蒸汽負荷有變動。系統(tǒng)〔b〕是高壓蒸汽負荷有波動，而低壓蒸汽負荷無變化。不管那個系統(tǒng)，蓄熱器依靠熱量的儲存和釋放起到調(diào)節(jié)負荷平衡的作用。(a)高壓負荷穩(wěn)定；(b)低壓負荷穩(wěn)定A－穩(wěn)定熱流；B－波動熱流1－鍋爐；2－高壓管路；3－充蓄調(diào)節(jié)器；4－穩(wěn)定負荷熱用戶；5－減壓調(diào)節(jié)器；6－蓄熱器；7－被動負荷；8－低壓管路；9－溢流調(diào)節(jié)閥圖8-17蓄熱器供汽系統(tǒng)

插圖8—8

8.4.2蒸汽蓄熱器的熱設計計算蒸汽蓄熱器的熱設計計算主要是根據(jù)供熱系統(tǒng)的蒸汽產(chǎn)出情況，正確計算蒸汽蓄熱器的單位容積蓄熱量q及蓄熱器容積V這兩個參數(shù)值，從而選定適宜的蓄熱器?！惨弧硟崃看_實定蒸汽蓄熱器容積的的大小決定于用于平衡負荷波動所必須的儲熱量。儲熱量確實定〔即儲汽量的計算〕有三種方法：⑴近似全日積分曲線法當蒸汽蓄熱器用于平衡鍋爐蒸發(fā)量和連續(xù)的波動負荷時，可用積