第六章-間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算選編課件

第六章間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算第六章間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算熱質(zhì)交換設(shè)備

在暖通空調(diào)等許多工程應(yīng)用中，經(jīng)常需要在系統(tǒng)和它的周圍環(huán)境之間或在同一系統(tǒng)的不同部分之間傳遞熱量和質(zhì)量。這種以在兩種流體之間傳遞熱量和質(zhì)量為基本目的的設(shè)備稱為熱質(zhì)交換設(shè)備。在設(shè)備中，有時僅有熱量傳遞，有時熱量傳遞與質(zhì)量傳遞同時發(fā)生。

熱質(zhì)交換設(shè)備

在暖通空調(diào)等許多工程應(yīng)用中，經(jīng)常需要在系統(tǒng)和它本章主要內(nèi)容間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的形式和結(jié)構(gòu)間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備熱工計算常用計算方法表面式冷卻器的熱工計算其他間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算本章主要內(nèi)容間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的形式和結(jié)構(gòu)6.1熱質(zhì)交換設(shè)備的形式和結(jié)構(gòu)表冷器、噴淋室、蒸汽加濕器、吸收吸附設(shè)備、轉(zhuǎn)輪除濕機、風(fēng)機盤管等蒸發(fā)器、冷凝器、冷卻塔等散熱器、暖風(fēng)機、蒸汽加熱器、熱水加熱器過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、除氧器等如何分類？6.1熱質(zhì)交換設(shè)備的形式和結(jié)構(gòu)表冷器、噴淋室、蒸汽加濕器、1.按工作原理分類：間壁式（表面式）：熱、冷介質(zhì)在各自的流道中連續(xù)流動完成熱量傳遞任務(wù)，彼此不接觸，不摻混。表面式冷卻器、過熱器、省煤器、散熱器、暖風(fēng)機、燃氣加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器直接接觸式（混合式）：兩種流體直接接觸相互摻混，傳遞熱量和質(zhì)量后，在理論上應(yīng)變成同溫同壓的混合介質(zhì)流出，因而傳熱傳質(zhì)效率高。噴淋室、蒸汽噴射泵、冷卻塔、蒸汽加濕器、熱力除氧器1.按工作原理分類：間壁式（表面式）：熱、冷介質(zhì)在各自的流道按工作原理分類：蓄熱式（回?zé)崾?、再生式）：借助由固體構(gòu)件（填充物）組成的蓄熱體傳遞熱量。煉鋼廠的熱風(fēng)爐、鍋爐的中間熱式空氣預(yù)熱器、全熱回收式空調(diào)器熱管換熱器：以熱管為換熱元件的換熱器。多用于各種余熱回收工程中按工作原理分類：蓄熱式（回?zé)崾健⒃偕剑航柚晒腆w構(gòu)件（填水表冷器散熱器間壁式（表面式）：水表冷器散熱器間壁式（表面式）：間壁式（表面式）：間壁式（表面式）：間壁式（表面式）：間壁式（表面式）：二.間壁式換熱器的形式與結(jié)構(gòu)管殼式肋片管式板式板翹式螺旋板式

用于顯熱交換的間壁式換熱器，也可用于既有顯熱交換又有潛熱交換的場合，只是考慮到換熱設(shè)備兩端流體的不同，使用的間壁式換熱器種類和型式有所不同。如何提高換熱系數(shù)呢？二.間壁式換熱器的形式與結(jié)構(gòu)管殼式如何提高換熱系數(shù)呢？第六章___間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算選編課件第六章___間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算選編課件Tw6.2間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析tt’tbtwTbTT’溫度冷流體熱流體Tw6.2間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析tt’tbtwTbTT’機理：由熱流體主體以對流的方式傳遞到間壁內(nèi)側(cè)；以導(dǎo)熱的方式穿過間壁；由間壁外側(cè)以對流的方式傳遞至冷流體主體。溫度分布曲線：間壁內(nèi)熱傳導(dǎo)只有一種分布規(guī)律；間壁兩側(cè)呈三種分布規(guī)律：直線——曲線——較平坦曲線實際應(yīng)用：有效膜內(nèi)導(dǎo)熱，溫度分布為直線。間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析機理：間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析6.3總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻面積為A的總傳熱熱阻：單位管長總熱阻：6.3總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻面積為A的總傳熱熱阻：單位管長總對外表面對內(nèi)表面其中K0A0=KiAi

單位管長的內(nèi)外表面積分別為πdi和πd0對外表面對內(nèi)表面其中K0A0=KiAi單位管長的內(nèi)外表對于平壁，考慮其兩側(cè)的污垢熱阻后，總熱阻為把管子內(nèi)、外表面的污垢熱阻包括進去之后，對于外表面，總傳熱系數(shù)可表示為注：Rf取決于運行溫度、流體速度及換熱器工作時間。對于平壁，考慮其兩側(cè)的污垢熱阻后，總熱阻為把管子內(nèi)、外表面利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測定壁面和流體的溫度，從而獲得平均溫差，利用熱平衡方程式獲得熱流量，換熱面積可以根據(jù)設(shè)計情況獲得，通過傳熱方程式計算出總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。總傳熱熱阻中的對流換熱熱阻和污垢熱阻通過實驗求得。確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測定壁面和流體的溫度，從而獲得平均溫差，工業(yè)換熱器中的管內(nèi)流體的流動一般都是處于旺盛湍流狀態(tài)，hi

與流速u0.8成正比，因此，可以寫成的形式，帶入上式：總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以表示成：工業(yè)換熱器中的管內(nèi)流體的流動一般都是處于旺盛湍流狀態(tài)，hi上式右邊的前三項可認為是常數(shù)，用b表示，物性不變的情況下，可以認為是常數(shù)，用m表示，于是上式可變?yōu)楦淖児軆?nèi)流速u，則可以測得一系列的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后繪制成圖，則是一條直線，如圖(6-3)所示上式右邊的前三項可認為是常數(shù)，用b表示，物性不變的情況下從這個圖中可以獲得b，m，和ci，從而，管子內(nèi)側(cè)的對流換熱系數(shù)這樣就將內(nèi)部熱阻從總傳熱系數(shù)中分離出來，然后，當換熱器運行一段時間后，再進行同樣過程的測量，可以獲得另外一條曲線，則兩條曲線截距之差就是污垢熱阻，這樣又把污垢熱阻分離出來了。從這個圖中可以獲得b，m，和ci，從而，管子內(nèi)側(cè)的對流換熱系威爾遜圖解法可以求解分熱阻由b求解出殼側(cè)換熱系數(shù)h0；由m求出Ci，從而得到管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)hi；污垢熱阻Rf。arctanmbRf威爾遜圖解法可以求解分熱阻由b求解出殼側(cè)換熱系數(shù)h0；arc6.4換熱器熱工計算常用計算方法對數(shù)平均溫差法（LMTD）效能—傳熱單元數(shù)法（ε-NTU）基本公式：6.4換熱器熱工計算常用計算方法對數(shù)平均溫差法（LMTD）1.平均溫度差法1.平均溫度差法⑴順流(a)和逆流(b)其中：(a)順流：(b)逆流：⑴順流(a)和逆流(b)其中：(a)順流：平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即算術(shù)平均溫差相當于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相同進出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當時，兩者的差別小于4％；當時，兩者的差別小于2.3％。算術(shù)平均溫差平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即算術(shù)平均溫差殼管式及交叉流換熱器的平均溫差計算方法查圖求Ψ值：Ψ值取決于兩個無量綱參數(shù)P及R。物理意義：參數(shù)R代表兩種流體熱容量之比。參數(shù)P代表該換熱器中流體2的實際溫升與理論上所能達到的最大溫升之比。對于殼管式換熱器查圖時注意流動的“程”數(shù)。當R接近4時,用PR和1/R分別代替P和R查圖。殼管式及交叉流換熱器的平均溫差計算方法查圖求Ψ值：設(shè)計計算：(1)根據(jù)能量守恒算出所缺少的一個溫度值。(2)如果給出了總傳熱系數(shù)，可以直接進入下一步；如果沒有給出總傳熱系數(shù)，則進入迭代程序，首先初選應(yīng)道布置方案(包括選取管徑、管數(shù)及流程數(shù)，確定流速等)，并計算兩側(cè)流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)。(3)根據(jù)進出口溫度和流道布置，求出平均傳熱溫差。(4)由傳熱方程算出換熱面積，并與初選面積比較。若不一致，修改布局方案重新計算，直到兩者基本一致為止。設(shè)計計算：(1)根據(jù)能量守恒算出所缺少的一個溫度值。(校核計算：假設(shè)任意一側(cè)流體的出口溫度，通過熱平衡方程即可確定另一個出口溫度。(2)根據(jù)流量、傳熱面積和已知的流道布局，求出對數(shù)平均溫差并確定總傳熱系數(shù)。(3)分別按式計算傳熱量，如果兩個結(jié)果不一致，修改原出口溫度假設(shè)值，重新計算直至兩者在允許的誤差范圍內(nèi)一致為止。這個選代過程僅對出口溫度進行，而不牽涉換熱面的布局，因此選代次數(shù)有限。也可以通過編程實現(xiàn)自動迭代運算。校核計算：假設(shè)任意一側(cè)流體的出口溫度，通過熱平衡方程(2)2.效能-傳熱單元數(shù)法

1)換熱器效能εε為換熱器實際傳熱量Φ與最大可能傳熱量Φmax

之比。即：2.效能-傳熱單元數(shù)法1)換熱器效能εε為換2)傳熱單元數(shù)NTU：傳熱單元數(shù)NTU可理解為換熱器傳熱能力大小的某種度量。3)ε與NTU的關(guān)系任何換熱器都存在以下形式的無量綱函數(shù)關(guān)系：2)傳熱單元數(shù)NTU：傳熱單元數(shù)NTU可理解為4)計算步驟設(shè)計計算：(1)根據(jù)能量守恒關(guān)系求出未知出口溫度；(2)初選流道布置方案并計算兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)；(3)根據(jù)進出口溫度求出換熱器的效能以及兩側(cè)流體的熱容比；(4)根據(jù)指定或選定的流動方式選擇相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式或圖線，求出NTU值，進而得到換熱面積；(5)與初選面積比較，若不一致，修改流道布局方案并重新計算，直到兩者基本一致為止。4)計算步驟設(shè)計計算：(1)根據(jù)能量守恒關(guān)系求出未校核計算：(1)根據(jù)已知傳熱面積、總傳熱系數(shù)和較小側(cè)熱容可直接求出NTU值；(2)由熱容比和NTU值，選取對應(yīng)的公式或者曲線求得換熱器效能；(3)由效能直接求出小熱容側(cè)流體的出口溫度，再由能量守恒關(guān)系式得到另一個出口溫度。校核計算：(1)根據(jù)已知傳熱面積、總傳熱系數(shù)和較小側(cè)熱容3.兩種方法比較相同點：設(shè)計計算校核計算不同點：LMTD法：逆流×溫差修正系數(shù)（有利于流動形式的改進；但對數(shù)計算較麻煩）ε-NTU法：K已知時求解方便。3.兩種方法比較相同點：6.5表面式冷卻器的熱工計算1.表冷器處理空氣時發(fā)生的熱質(zhì)交換的特點

等濕冷卻過程或干冷過程(干工況)減濕冷卻過程或濕冷過程(濕工況)反映了表冷器上凝結(jié)水析出的多少，因此，又稱為析濕系數(shù)。顯然，干工況的ξ=1。總熱交換量：顯熱交換量：6.5表面式冷卻器的熱工計算1.表冷器處理空氣時發(fā)生的熱質(zhì)交析濕系數(shù)ξ理論表達式析濕系數(shù)ξ理論表達式2.表冷器的傳熱系數(shù)（干工況）（濕工況）結(jié)論：對于既定結(jié)構(gòu)的表冷器，影響其傳熱系數(shù)的主要因素為其內(nèi)、外表面的換熱系數(shù)和析濕系數(shù)。（實際工況）2.表冷器的傳熱系數(shù)（干工況）（濕工況）結(jié)論：對于既定結(jié)構(gòu)3.表冷器的熱工計算表冷器的熱交換效率（同時考慮空氣和水的狀態(tài)變化）實質(zhì)：換熱器的傳熱效能3.表冷器的熱工計算表冷器的熱交換效率（同時考慮空氣和水表冷器的熱交換效率表明相當于空氣的熱容量增大了ξ倍。（逆流）表冷器的熱交換效率表明相當于空氣的熱容量增大了ξ倍。（逆流表冷器的接觸系數(shù)只考慮空氣的狀態(tài)變化表冷器的接觸系數(shù)只考慮空氣的狀態(tài)變化或因為-Gdi=hm(i-i3)dA和hm＝hw/cp或因為-Gdi=hm(i-i3)dA和hm＝hw/cp如果將G=AyVyρ代入上式，則：肋通系數(shù)代入上式即ε2=f（Vy，N）

結(jié)論：增加排數(shù)和降低迎面風(fēng)速都能增加表冷器的接觸系數(shù)。如果將G=AyVyρ代入上式，則：肋通系數(shù)代入上式即ε2表冷器熱工計算的主要原則該冷卻器能達到的ε1應(yīng)該等于空氣處理過程需要的ε1；該冷卻器能達到的ε2應(yīng)該等于空氣處理過程需要的ε2；該冷卻器能吸收的熱量應(yīng)該等于空氣放出的熱量。表冷器熱工計算的主要原則該冷卻器能達到的ε1應(yīng)該等于空氣處理表冷器熱工計算的主要原則定義式空氣處理需要的計算式冷卻器能達到的實際影響因素表冷器熱工計算的主要原則定義式計算式實際影響因素表冷器的設(shè)計計算步驟計算需要的接觸系數(shù)ε2，確定表冷器的排數(shù)、型號、臺數(shù)；求析濕系數(shù)求傳熱系數(shù)求冷水量求表冷器能達到的ε1

求水溫求空氣阻力和水阻力【例5-1】【例5-2】（原則1）（原則2）（原則3）表冷器的設(shè)計計算步驟計算需要的接觸系數(shù)ε2，確定表冷器的排表冷器的設(shè)計計算思路由已知條件計算ε2，查附錄5-4，確定表冷器型號；假定迎風(fēng)速度范圍：2~3m/s計算析濕系數(shù)，為計算NTU和Cr；求K，去計算NTU，從而求ε１；假定水流速范圍:1~4m/s求冷水質(zhì)量流量；計算NTU和Cr，查圖得ε１；求水初終溫表冷器的設(shè)計計算思路由已知條件計算ε2，查附錄5-4，確定表【例6-1】簡化和要點

已知被處理的空氣量G為8.33kg/s；空氣初參數(shù)為t1、i1、ts1、φ1；終參數(shù)為t2、i2、ts2、φ2；選擇JW型表冷器，已知其迎面風(fēng)速是2.7m/s,水流速1.2m/s,通水截面積為0.00553m2，熱交換效率為0.74，接觸系數(shù)為0.950，求此表冷器的吸濕系數(shù)、進出水溫和水量?！纠?-1】簡化和要點已知被處理的空氣量G為8.33k五、其它間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算1.空氣加熱器的熱工計算

空氣加熱器：以熱水為熱媒的空氣加熱器：以蒸汽為熱媒的空氣加熱器：【例6-3】計算原則：Q需=Q供對數(shù)平均溫差法

五、其它間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算1.空氣加熱器的熱工計算【例6-3】空氣加熱器設(shè)計計算初選加熱器型號：假設(shè)空氣質(zhì)量流速（vρ）’=8kg/(m2s)計算加熱器通風(fēng)有效截面積由此查樣本，確定合適加熱器，給出實際的有效截面積、并聯(lián)臺數(shù)等。計算傳熱系數(shù)K計算加熱器面積及串聯(lián)臺數(shù)檢查安全系數(shù)。【例6-3】空氣加熱器設(shè)計計算初選加熱器型號：2.散熱器的熱工計算熱工計算主要是決定供暖房間所需散熱器的散熱面積和片數(shù)。對數(shù)平均溫差法：Q=KAΔtm

影響散熱器散熱量的最主要因素是熱媒平均溫度與室內(nèi)空