第六章間壁式熱質交換設備的熱工計算第六章間壁式熱質交換設備的熱工計算熱質交換設備

在暖通空調等許多工程應用中，經常需要在系統和它的周圍環境之間或在同一系統的不同部分之間傳遞熱量和質量。這種以在兩種流體之間傳遞熱量和質量為基本目的的設備稱為熱質交換設備。在設備中，有時僅有熱量傳遞，有時熱量傳遞與質量傳遞同時發生。

熱質交換設備

在暖通空調等許多工程應用中，經常需要在系統和它本章主要內容間壁式熱質交換設備的形式和結構間壁兩側流體傳熱過程分析總傳熱系數與總傳熱熱阻間壁式熱質交換設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交換設備的熱工計算本章主要內容間壁式熱質交換設備的形式和結構6.1熱質交換設備的形式和結構表冷器、噴淋室、蒸汽加濕器、吸收吸附設備、轉輪除濕機、風機盤管等蒸發器、冷凝器、冷卻塔等散熱器、暖風機、蒸汽加熱器、熱水加熱器過熱器、省煤器、空氣預熱器、除氧器等如何分類？6.1熱質交換設備的形式和結構表冷器、噴淋室、蒸汽加濕器、1.按工作原理分類：間壁式（表面式）：熱、冷介質在各自的流道中連續流動完成熱量傳遞任務，彼此不接觸，不摻混。表面式冷卻器、過熱器、省煤器、散熱器、暖風機、燃氣加熱器、冷凝器、蒸發器直接接觸式（混合式）：兩種流體直接接觸相互摻混，傳遞熱量和質量后，在理論上應變成同溫同壓的混合介質流出，因而傳熱傳質效率高。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、冷介質在各自的流道按工作原理分類：蓄熱式（回熱式、再生式）：借助由固體構件（填充物）組成的蓄熱體傳遞熱量。煉鋼廠的熱風爐、鍋爐的中間熱式空氣預熱器、全熱回收式空調器熱管換熱器：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（回熱式、再生式）：借助由固體構件（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構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。如何提高換熱系數呢？二.間壁式換熱器的形式與結構管殼式如何提高換熱系數呢？第六章___間壁式熱質交換設備的熱工計算選編課件第六章___間壁式熱質交換設備的熱工計算選編課件Tw6.2間壁兩側流體傳熱過程分析tt’tbtwTbTT’溫度冷流體熱流體Tw6.2間壁兩側流體傳熱過程分析tt’tbtwTbTT’機理：由熱流體主體以對流的方式傳遞到間壁內側；以導熱的方式穿過間壁；由間壁外側以對流的方式傳遞至冷流體主體。溫度分布曲線：間壁內熱傳導只有一種分布規律；間壁兩側呈三種分布規律：直線——曲線——較平坦曲線實際應用：有效膜內導熱，溫度分布為直線。間壁兩側流體傳熱過程分析機理：間壁兩側流體傳熱過程分析6.3總傳熱系數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表面其中K0A0=KiAi

單位管長的內外表面積分別為πdi和πd0對外表面對內表面其中K0A0=KiAi單位管長的內外表對于平壁，考慮其兩側的污垢熱阻后，總熱阻為把管子內、外表面的污垢熱阻包括進去之后，對于外表面，總傳熱系數可表示為注：Rf取決于運行溫度、流體速度及換熱器工作時間。對于平壁，考慮其兩側的污垢熱阻后，總熱阻為把管子內、外表面利用數據采集系統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，換熱面積可以根據設計情況獲得，通過傳熱方程式計算出總表面傳熱系數?？倐鳠釤嶙柚械膶α鲹Q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據采集系統可以測定壁面和流體的溫度，從而獲得平均溫差，工業換熱器中的管內流體的流動一般都是處于旺盛湍流狀態，hi

與流速u0.8成正比，因此，可以寫成的形式，帶入上式：總表面傳熱系數可以表示成：工業換熱器中的管內流體的流動一般都是處于旺盛湍流狀態，hi上式右邊的前三項可認為是常數，用b表示，物性不變的情況下，可以認為是常數，用m表示，于是上式可變為改變管內流速u，則可以測得一系列的總表面傳熱系數，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，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，管子內側的對流換熱系數這樣就將內部熱阻從總傳熱系數中分離出來，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，管子內側的對流換熱系威爾遜圖解法可以求解分熱阻由b求解出殼側換熱系數h0；由m求出Ci，從而得到管內側換熱系數hi；污垢熱阻Rf。arctanmbRf威爾遜圖解法可以求解分熱阻由b求解出殼側換熱系數h0；arc6.4換熱器熱工計算常用計算方法對數平均溫差法（LMTD）效能—傳熱單元數法（ε-NTU）基本公式：6.4換熱器熱工計算常用計算方法對數平均溫差法（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平均溫差，即算術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％。算術平均溫差平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術平均溫差，即算術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P及R。物理意義：參數R代表兩種流體熱容量之比。參數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。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：設計計算：(1)根據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，可以直接進入下一步；如果沒有給出總傳熱系數，則進入迭代程序，首先初選應道布置方案(包括選取管徑、管數及流程數，確定流速等)，并計算兩側流體的表面傳熱系數和總傳熱系數。(3)根據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。設計計算：(1)根據能量守恒算出所缺少的一個溫度值。(校核計算：假設任意一側流體的出口溫度，通過熱平衡方程即可確定另一個出口溫度。(2)根據流量、傳熱面積和已知的流道布局，求出對數平均溫差并確定總傳熱系數。(3)分別按式計算傳熱量，如果兩個結果不一致，修改原出口溫度假設值，重新計算直至兩者在允許的誤差范圍內一致為止。這個選代過程僅對出口溫度進行，而不牽涉換熱面的布局，因此選代次數有限。也可以通過編程實現自動迭代運算。校核計算：假設任意一側流體的出口溫度，通過熱平衡方程(2)2.效能-傳熱單元數法

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-傳熱單元數法1)換熱器效能εε為換2)傳熱單元數NTU：傳熱單元數NTU可理解為換熱器傳熱能力大小的某種度量。3)ε與NTU的關系任何換熱器都存在以下形式的無量綱函數關系：2)傳熱單元數NTU：傳熱單元數NTU可理解為4)計算步驟設計計算：(1)根據能量守恒關系求出未知出口溫度；(2)初選流道布置方案并計算兩側表面傳熱系數和總傳熱系數；(3)根據進出口溫度求出換熱器的效能以及兩側流體的熱容比；(4)根據指定或選定的流動方式選擇相應的函數關系式或圖線，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)計算步驟設計計算：(1)根據能量守恒關系求出未校核計算：(1)根據已知傳熱面積、總傳熱系數和較小側熱容可直接求出NTU值；(2)由熱容比和NTU值，選取對應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流體的出口溫度，再由能量守恒關系式得到另一個出口溫度。校核計算：(1)根據已知傳熱面積、總傳熱系數和較小側熱容3.兩種方法比較相同點：設計計算校核計算不同點：LMTD法：逆流×溫差修正系數（有利于流動形式的改進；但對數計算較麻煩）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生的熱質交換的特點

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水析出的多少，因此，又稱為析濕系數。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生的熱質交析濕系數ξ理論表達式析濕系數ξ理論表達式2.表冷器的傳熱系數（干工況）（濕工況）結論：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。（實際工況）2.表冷器的傳熱系數（干工況）（濕工況）結論：對于既定結構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變化）實質：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只考慮空氣的狀態變化表冷器的接觸系數只考慮空氣的狀態變化或因為-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：肋通系數代入上式即ε2=f（Vy，N）

結論：增加排數和降低迎面風速都能增加表冷器的接觸系數。如果將G=AyVyρ代入上式，則：肋通系數代入上式即ε2表冷器熱工計算的主要原則該冷卻器能達到的ε1應該等于空氣處理過程需要的ε1；該冷卻器能達到的ε2應該等于空氣處理過程需要的ε2；該冷卻器能吸收的熱量應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計計算步驟計算需要的接觸系數ε2，確定表冷器的排數、型號、臺數；求析濕系數求傳熱系數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）表冷器的設計計算步驟計算需要的接觸系數ε2，確定表冷器的排表冷器的設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；假定迎風速度范圍：2~3m/s計算析濕系數，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求冷水質量流量；計算NTU和Cr，查圖得ε１；求水初終溫表冷器的設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；空氣初參數為t1、i1、ts1、φ1；終參數為t2、i2、ts2、φ2；選擇JW型表冷器，已知其迎面風速是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，接觸系數為0.950，求此表冷器的吸濕系數、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、其它間壁式熱質交換設備的熱工計算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供對數平均溫差法

五、其它間壁式熱質交換設備的熱工計算1.空氣加熱器的熱工計算【例6-3】空氣加熱器設計計算初選加熱器型號：假設空氣質量流速（vρ）’=8kg/(m2s)計算加熱器通風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、并聯臺數等。計算傳熱系數K計算加熱器面積及串聯臺數檢查安全系數?！纠?-3】空氣加熱器設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。對數平均溫差法：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空