1、熱質交換原理與設備課程第五章熱質交換原理與設備課程第五章3 3表表面式冷卻器的熱工計算面式冷卻器的熱工計算對于既定結構的肋管式換熱器，其傳熱系數為：由于則：nwhh11K)tt (ciibpbdA)tt (hdQbwtdAiichdAiihdQbpbmt)( hw表冷器外表面的換熱系數。說明：當表冷器上出現凝結水時，外表面的換熱系數比干工況時增大了 倍；此時表冷器的傳熱系數 ： W/m2K 濕工況下表冷器的傳熱系數，W/m2K。sKnwshh11KsKo對于既定結構的表冷器，影響其傳熱系數的主要因素為其內、外表面的換熱系數和析濕系數。o外表面的換熱系數與空氣的迎面風速 或質量流速 有關；o水為

2、傳熱介質時，內表面換熱系數與水的流速 有關；o析濕系數與被處理空氣的（初）狀態和管內水溫有關。wyVv實際工作中，將表冷器的傳熱系數整理成以下形式的公式： 被處理空氣通過表冷器時的迎面風速，m/s；水在表冷器管內的流速，m/sA、B由實驗得出的系數，無因次；m、p、n由實驗得出的指數，無因次。1npmysB1AV1KyVW/m2K三三. .表冷器的設計計算表冷器的設計計算表面式冷卻器處理空氣可分為：o設計性計算：設計性計算：選擇表冷器，以滿足已知初、終參數的空氣處理要求；o校核性計算：校核性計算：檢查已確定了型號的表冷器，將具有一定初參數的空氣能處理到什么樣的終參數。表5-2是最常見的計算類型

3、。表表5-2 5-2 表面冷卻器的熱工計算類型表面冷卻器的熱工計算類型 冷卻器型號、臺數、排數（冷卻面積A) 冷水初溫tw1（或冷水量W)終溫tw2 （冷量Q)空氣終參數t2，i2（ts2）冷水終溫tw2，（冷量Q)設計性計算校核性計算已知條件空氣量G空氣初狀態t1，i1（ts1）計算內容計算類型空氣終狀態t2，i2（ts2) )空氣量G空氣初參數t1，i1（ts1)冷卻器型號、臺數、排數 （冷卻面積A)冷水初溫tw1，冷水量W水冷式表冷器的設計計算水冷式表冷器的設計計算（效能-傳熱單元數法）1.1.表冷器的熱交換效率表冷器的熱交換效率( (全熱交換效率）全熱交換效率）定義式為： 處理前空氣的

4、干球溫度，； 處理后空氣的干球溫度，； 冷水初溫，。上式同時考慮了空氣和水的狀態變化。11211wtttt1t2t1wt12=100%t1t2t3twlts1i1i2ts23圖圖 表冷器處理空氣時的各個參數表冷器處理空氣時的各個參數o t1-tw1 表冷器中可能發生的最大溫差。將式分子分母同時乘以空氣的熱容量有：實質上 就是前面講的換熱器的傳熱效能傳熱效能。)()(11211wppttGcttGc量表冷器中最大可能換熱表冷器中的實際換熱量1o在表冷器的某微元面上，由于存在溫差，空氣溫度下降 放出的熱量為： 冷卻過程中的平均析濕系數冷卻過程中的平均析濕系數o溫差一定，表冷器表面上有凝結水時，傳熱

5、系數由K Ks。o上式表明相當于空氣的熱容量增大 了倍。dtdtGcdQp所表示的無因次量有：熱容比：傳熱單元數：式中W為冷水量，單位是kg/s。WcGc)Gc()Gc(Cpr水空氣pssGcAK)Gc(AKNTU空氣空調工程中用表冷器處理空氣時，可視為逆流流動，其熱交換效率1 按逆流傳熱效能公式可得：與空氣調節教材中的熱交換效率系數1的表達式是完全一樣的。)C1 (NTUexpC1)C1 (NTUexp1rrr12.2.表冷器的接觸系數表冷器的接觸系數( (通用熱交換效率通用熱交換效率) )接觸系數為： 表冷器在理想條件下工作時，空氣終狀態的干球溫度，。 只考慮空氣的狀態變化。 根據定義：或

6、：31212tttt3t23132312121tttttttt3132312121iiiiiiii12=100%t1t2t3twlts1i1i2ts23 表冷器處理空氣時的各個參數表冷器處理空氣時的各個參數3132312121tttttttt3132312121iiiiiiii如上圖，在微元面積dA上由于存在熱交換，空氣放出的熱量-Gdi應該等于冷卻器表面吸收的熱量hm (i-i3)dA，即：-Gdi hm(i-i3)dA將hm hw/cp代入上式，經整理后可得：假定冷卻器的表面溫度恒定為其平均值，可認為i3是一常數。dAGchiidipw3將上式從0到A積分之得：即：pw3132GcAhii

7、iiln)GcAhexp(iiiipw3132pw2GcAhexp1ii1i2i30dAAdii3如果將 GAyVy代入上式，則：每排肋片管外表面面積與迎風面積之比稱做肋通系數a：式中，N為肋片管的排數。pyyw2cVAAhexp1yNAAa 將a值代入則： 對于結構特性一定的表面冷卻器來說，由于肋通系數是個定值，空氣密度也可看成常數，而hw一般是正比于Vym的。所以2就成了Vy和N的函數，即：2=f（Vy,N)pyw2cVaNhexp1o2將隨冷卻器排數N的增加而變大，并隨Vy的增加而變小。o當N與Vy確定之后，再求得hw；就可算出表面冷卻器的2值。此外，表面冷卻器的2值也可通過實測得到。o

8、一般多用一般多用48排排。o比較合適的比較合適的Vy值是值是2-3ms。3.3.表冷器熱工計算的主要原則表冷器熱工計算的主要原則進行表面冷卻器熱工計算的主要目的:該冷卻器能達到的1應該等于空氣處理過程需要的1；該冷卻器能達到的2應該等于空氣處理過程需要的2；該冷卻器能吸收的熱量應該等于空氣放出的熱量。上面三個條件可以用下面三個方程式來表示 ),V( f)C1 (NTUexpC1)C1 (NTUexp1ttttyrrr1w1211)N,V(fGcAhexp1tttt1ypw1s12s22)tt (Wc)ii (GQ1w2w21(1)設計計算時：v根據給定的空氣初、終態參數計算所需的2 ；v根據2

9、再確定冷卻器的型號、臺數與排數；v求出該冷卻器能夠達到的1 ；v確定冷卻水的初溫twl：Ctttt12111w (2)已知條件中給定了冷水初溫tw1，則1已定，計算目的在于通過調整水流速（改變水量W)或者調整迎面風速Vy和排數N（改變傳熱系數KS和傳熱面積A)等，使所選擇的冷卻器能達到處理過程需要的1。說明說明：熱平衡式實際包括QG（i1-i2）和QWc（tw2-tw1)兩個方程。4.4.關于安全系數的考慮關于安全系數的考慮o在選擇計算時考慮一定的安全系數。(1)增加傳熱面積，做法有兩種：一是在保證Vy情況下增加排數；二是減少Vy增加Ay，保持排數不變。(2)保持傳熱面積不變，降低水初溫twl

10、。o表面冷卻器的阻力計算工程上是利用實驗公式進行的。國產的部分水冷式表面冷卻器的阻力計算公式見附錄。5.5.表冷器的設計計算步驟舉例表冷器的設計計算步驟舉例例例5-1 已知被處理的空氣量G為30000kgh（8.33kgs)；當地大氣壓力為101325Pa；空氣的初參數為t1=25.6、i1=50.9kJkg、ts1=18、1=47。空氣的終參數為t2=11、i2=30.7kJkg、ts210.6、295。試選擇JW型表面冷卻器，并確定水溫水量（JW型表面冷卻器的技術數據見附錄5-5)。解解 計算需要的接觸系數2，確定冷卻器的排數；根據 得 根據附錄5-4可知，在常用的Vy范圍內，JW型8排表

11、面冷卻器能滿足2=0.947的要求，所以決定選用8排。112221sstttt947. 0186 .256 .101112圖圖 例例5-15-1圖圖123t1= 2 5 . 6t2= 1 1ts 1= 1 8i1= 5 0 . 9ts 2= 1 0 . 6i2= 3 0 . 7tw 1= ?tw 2= ?= 1 0 0 %確定表面冷卻器的型號o假定一個Vy，計算迎風面積Ay，再根據Ay選擇合適的冷卻器型號及并聯臺數，并算出實際的Vy值。o假定Vy2.5ms： o根據Ay2.8m2，查附錄5-5，選用JW30-4型表面冷卻器一臺，其Ay2.57m2，所以實際的Vy 為： yyVGA2m8 . 2

12、2 . 15 . 233. 8s/m7 . 22 . 157. 233. 8AGVyyo再查附錄5-4，在Vy2.7ms時，8排JW型表面冷卻器實際的2=0.950，與需要的2=0.947差別不大，可繼續計算。o若二者差別較大(10%)，應改選其它型號表冷器或在設計允許范圍內調整空氣的一個終參數，變成已知冷卻面積及一個空氣終參數求解另一個空氣終參數的問題。o由附錄5-5可知，所選表冷器的每排傳熱面積：Ad=33.40m2,通水截面積Aw=0.00553m2 。求析濕系數求傳熱系數未給出水初溫或水量，缺少一個已知條件，故采用假定水流速的辦法補充一個已知數。假定水流速=1.2m/s，根據附錄5-3

13、中的相應公式可計算出傳熱系數： 38. 1)116 .25(01. 17 .309 .50)(2121ttciip求冷水量根據W=Aw103得： w=0.005531.2103=6.64kg/s)/(712 . 16 .353138. 17 . 25 .3516 .35315 .351218 . 00 . 158. 018 . 00 . 158. 0CmWVKys 求表冷器能達到的1先求傳熱單元數及水當量比根據式(6-45)根據NTU和Cr值查圖或按式計算可得1=0.74 。65. 11001. 133. 838. 184 .3371342. 01019. 464. 61001. 133. 8

14、38. 133WcGcCprpsGcAKNTU求水溫由公式（6-41）得冷水初溫： Ctw9 . 574. 0116 .256 .251CWiiGttcww9 .1119. 464. 6)7 .309 .50(33. 89 . 5)(211212111ttttw)tt (Wc)ii (GQ1w2w21冷水終溫：根據熱平衡方程式求空氣阻力和水阻力查附錄5-3中JW型8排表冷器的阻力計算公式可得：空氣側阻力：水側阻力：Pa2357 . 256.70V56.70H21. 121. 1ysPa6 .282 . 119.2019.20h93. 193. 1四四. .表冷器的校核計算表冷器的校核計算 表冷

15、器的校核計算要滿足同其設計計算一樣的三個條件： 式（6-38）、（6-39）和（6-40）。校核計算中，在空氣終參數未求出之前，尚不知道過程的析濕系數，在這種情況下采用試算法較為方便，具體做法將通過下面例題說明。 例例5-2 已知被處理的空氣量為16000kgh（4.44kgs)；當地大氣壓力為101325Pa；空氣的初參數為：t1=25、i1=59.1kJkg、ts120.5；冷水量為W23500kgh（6.53kgs)、冷水初溫為tw15。試求用JW20-4型6排冷卻器處理空氣所能達到的終狀態和水終溫。解解 如圖所示。求冷卻器迎面風速Vy及水流速由附錄5-5知JW20-4型表面冷卻器迎風面

16、積Ay1.87m2，每排散熱面積Ad24.05m2，通水斷面Aw=0.00407m2，所以 s/m98. 12 . 187. 144. 4AGVyys/m6 . 11000407. 053. 610AW33w12t1= 2 5t2= ?ts 1= 2 0 . 5i1= 5 9 . 1ts 2= ?i2= ?tw 1= 5= 1 0 0 %例例5-25-2圖圖求冷卻器可提供的2根據附錄5-4，當Vy1.98m/s、N6排時：20.911假定t2，確定空氣終狀態假定t210.5，(一般可按t2tw1十(46)。根據ts2t2-(t1-ts1)(1-2)可得：ts2=10.5-(25-20.5)(1

17、-0.911)=10.1 查i-d圖，當ts2=10.1時，i229.7 kJkg。求析濕系數求傳熱系數根據附錄5-3，對于JW型6排冷卻器01. 2)5 .1025(01. 17 .291 .59)tt (cii21p21)Cm/(W2 .966 .325101. 298. 15 .4116 .3251V5 .411K218 . 002. 152. 018 . 002. 152. 0y 求表面冷卻器能達到的1值傳熱單元數： 水當量比 根據NTU和Cr值查圖或計算得：10.7354. 11001. 144. 401. 2605.242 .96333. 01019. 453. 61001. 144. 401. 2WcGcC33prpsGcAKNTU 求需要的1并與上面得到的1比較兩個1值相差不多，證明所設t210.