《热质交换原理与设备》课件：第6章间壁式热质交换设备的热工计算.ppt

第6章 间壁式热质交换设备的热工计算,6-1 间壁式热质交换设备的形式与结构 6-2 间壁两侧流体传热过程分析 6-3 总传热系数与总传热热阻 6-4 间壁式热质交换设备热工计算常用计算方法 6-5 表面式冷却器的热工计算,6.1 间壁式换热器的形式与结构,间壁式换热器种类很多，从构造上主要可分为： 管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前三种用得最为广泛间壁式换热器的主要形式,（1）按结构来分 1、套管式,适用于传热量不大或流体流量不大的情形间壁式换热器的主要形式,（1）按结构来分 1、套管式 2、管壳式,管程、壳程、折流挡板,,间壁式换热器的主要形式,（2）按结构来分 1、套管式 2、管壳式,,间壁式换热器的主要形式,（2）按结构来分 1、套 管式 2、 管壳式,,,间壁式换热器的主要形式,（2）按结构来分 1、套管式 2、 管壳式,进一步增加管程和壳程,,,,,,,,,,,,,,,,3、交叉流换热器（ 分管束式、管翅式及板翅式）,间壁式换热器的主要形式,,,4、板式换热器,二、间壁式换热器的主要形式,板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的流体的换热。

5、螺旋板式换热器,二、间壁式换热器的主要形式,由两张平行金属板卷制两个螺旋通道组成的间壁式换热器加热介质和被加热介质分别在螺旋板两侧流动换热器换热效果较好，缺点是换热器的清洗和密封比较困难6.2 间壁两侧流体传热过程分析,以套管式换热器为例，热流体走管程放出热量，温度从初温降到终温；冷流体走壳程吸收热量，温度从初温升到终温 传热机理：热量首先有热流体以对流方式传递到间壁内侧；然后以导热方式穿过间壁；最后由间壁外侧以对流方式传递至冷流体主体温度分布： 实际应用中，将流体主体与壁面间的对流传热虚拟为有效膜内的导热问题，有效膜内温度分布为直线，有效膜外流体的温度取其平均温度6.3 总传热系数与总传热热阻,对于换热器的分析与计算来说，确定总传热系数是最基本但也是最不容易的根据传热学知识，总传热系数可以用一个类似于牛顿冷却定律的表达式来定义，即,式中的t是总温差总传热系数与总热阻成反比，即,式中，Rt为换热面积为A时的总传热热阻，/W如果两种流体被一管壁所隔开，则单位管长的总热阻为,其中，,单位管长的内外表面积分别为 ，此时传热系数具有如下形式,对内表面,对外表面,应该注意，以上公式仅适用于清洁表面。

通常的换热器在运行时，由于流体的杂质、生锈或是流体与壁面材料之间的其他反应，换热表面常常会被污染表面上沉积的膜或是垢层会大大增加流体之间的传热阻力这种影响可以引进一个附加热阻来处理，这个热阻就称为污垢热阻把管子内、外表面的污垢热阻包括进去之后，对于外表面，总传热系数可表示为,对于平壁，考虑其两侧的污垢热阻后，总热阻为,对于内表面则为,由上式就可以确定总传热系数了应注意，公式中壁面的传导热阻项是可以忽略的，这是因为通常采用的都是材料的导热系数很高的薄壁此外，经常出现某一项对流换热热阻比其它项大得多的情况，这时它对总传热系数起支配作用空气与水的换热，强化传热应减小哪一侧的对流换热热阻？,（1）传热方程式,6.4 间壁式热质交换设备热工计算常用计算方法,6.4.1 基本公式,（2）热平衡方程式,各项温度的角标意义为：“1”是指热流体，“2”是指冷流体；“”指进口端温度，“”指出口端温度应用对数平均温差法计算的基本计算公式就是传热方程式，式中平均温差对于顺流和逆流换热器，由传热学可得,tm是称为对数平均温差（简称LMTD)分别为换热器两端的冷、热流体温度差6.4.2 对数平均温差法,例题5：空气加热器传热面积为10m2，管内蒸汽凝结换热系数为5800W/(m2C)，管外空气总换热系数为50 W/(m2C），蒸汽为饱和蒸汽，并凝结为饱和水，饱和温度为120度，空气由10度加热到50度，管束为未加肋的光管，管壁很薄，其导热热阻可忽略不计，求： （1） 传热系数 （2）平均温差 （3）传热量。

例题9：在一台螺旋板式换热器中，热水流量为2000kg/h，热水流量为3000kg/h，热水进口温度为80度，冷水进口温度为10度，如果要求将冷水加热到30度，试求顺流和逆流的平均温差在相同的进出口的温度下，逆流比顺流平均温差大此外，顺流时冷流体的出口温度必然低于热流体的出口温度，而逆流则不受此限制故工程上换热器一般都尽可能采用逆流布置逆流换热器的缺点是高温部分集中在换热器一端,使得此处的壁温较高，影响换热器的机械强度 除顺流、逆流外，根据流体在换热器中的安排，还有交叉流、混合流等对于这些其它流动形式的平均温差，通常都把推导结果整理成温差修正系数图，计算时，先一律按逆流方式计算出对数平均温差，然后按流动方式乘以温差修正系数用对数平均温差计算虽然较精确，但稍显麻烦 当 用算术平均温差代替对数平均温差的误差不超过2.3%，一般当 即可用算术平均温差代替对数平均温差，这时误差小于4%，即,将方程式无因次化，可以大大减少方程中独立变量的数目NIU法正是利用推导对数平均温差时得出的无因次化方程建立的一种间壁式换热器热工计算法它通过定义了以下三个无因次量，推导得出了-NTU法6.4.3 效能-传热单元数法-NTU法,1）热容比或称水当量比Cr,2）传热单元数NTU,3）传热效能,传热效能也称为传热有效度，它表示换热器中的实际换热量与可能有的最大换热量的比值。

对于顺流换热器，传热效能为,更广泛地，对于不同形式的换热器，传热效能统一汇总在表6-1对于逆流换热器，传热效能为,顺流换热器,逆流换热器,当冷热流体之一发生相变，即(Gc)max趋于无穷大时，上面两式均可简化为：,利用上表的公式，可绘制-NTU和Cr的关系曲线，以方便应用，见书图6-11至图6-16所示6.4.4 对数平均温差法与效能-传热单元数法的比较,对数平均温差法(LMTD法)和效能-传热单元数法(-NTU法)均可用于换热器的设计计算或校核计算 设计计算主要求传热面积；校核计算通常求冷热流体的出口温度或热量这两种方法的设计计算繁琐程度差不多 采用LMTD法可从求出的温差修正系数的大小，看出选用的流动型式与逆流相比的差距，有助于流动型式的改进选择，这是-NTU法做不到的 对于校核计算，虽两种方法均需试算传热系数，但由于LMTD法需反复进行对数计算，比-NTU法要麻烦一些当传热系数已知时，由-NTU法可直接求得结果，要比LMTD法方便得多6.5 表面式冷却器的热工计算,用表冷器处理空气时，与空气进行热质交换的介质不和空气直接接触，热质交换是通过表冷器管道的金属壁面来进行的对于空气调节系统中常用的水冷式表冷器，空气与水的流动方式主要为逆交叉流，而当冷却器的排数达到4排以上时，又可将逆交叉流看成完全逆流。

6.5.1 表冷器处理空气时发生的热质交换的特点,（2）如果冷却器的表面温度低于空气的露点温度，则空气不但被冷却，而且其中所含水蒸气也将部分地凝结出来，并在冷却器的肋片管表面上形成水膜这种过程称为减湿冷却过程或湿冷过程（湿工况）在这个过程中，在水膜周围将形成一个饱和空气边界层，被处理空气与表冷器之间不但发生显热交换，而且也发生质交换和由此引起的潜热交换1）当冷却器表面温度低于被处理空气的干球温度，但尚高于其露点温度时，则空气只被冷却而并不产生凝结水这种过程称为等湿冷却过程或干冷过程（干工况）在减湿冷却过程中，紧靠冷却器表面形成的水膜处为湿空气的边界层，这时可认为与水膜相邻的饱和空气层的温度与冷却器表面上的水膜温度近似相等因此，空气的主体部分与冷却器表面的热交换是由于空气的主流与凝结水膜之间的温差而产生，质交换则是由于空气主流与凝结水膜相邻的饱和空气层中的水蒸气分压力差（即含湿量差）而引起的国内外大量的研究资料表明，在空气调节工程应用的表冷器中，热质交换规律符合刘伊斯关系式此时推动总热交换的动力是焓差，而不是温差即总热交换量为,由温差引起的热交换量为,现引入换热扩大系数来表示由于存在湿交换而增大了的换热量,该式即为的定义式。

其值的大小直接反映了表冷器上凝结水析出的多少，因此，又称为析湿系数显然，干工况的=16.5.2 表冷器的传热系数,当表冷器的传热面积和交换介质间的温差一定时，其热交换能力可归结于其传热系数的大小所以，下面分析表冷器的传热系数问题 前已述及，用肋片管制成的肋管式换热器在空调工程中得到了广泛的应用对于既定结构的此类换热器，其传热系数为：,另外，由,，可得,将其代入,式中，hw指表冷器的外表面的换热系数有：,该式表明，当表冷器上出现凝结水时，可认为其外表面的换热系数比干工况时增大了倍于是，此时表冷器的传热系数Ks的表达式可写成：,式中 Ks湿工况下表冷器的传热系数，W/(m2) 因此，对于既定结构的表冷器，影响其传热系数的主要因素为其内、外表面的换热系数和析湿系数表冷器外表面的换热系数与空气的迎面风速Vy或质量流量v有关，表冷器内表面的换热系数与水的流速w有关，析湿系数与被处理空气的（初）状态和管内水温有关在实际工作中，通常通过测定，将表冷器的传热系数Ks整理成如下形式：,6.1 间壁式换热器的形式与结构,间壁式换热器种类很多，从构造上主要可分为： 管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前三种用得最为广泛。

上节内容回顾,6.2 间壁两侧流体传热过程分析,6.3 总传热系数与总传热热阻,把管子内、外表面的污垢热阻包括进去之后，对于外表面，总传热系数可表示为,对于内表面则为,,6.4 间壁式热质交换设备热工计算常用计算方法,6.4.1 基本公式,（2）热平衡方程式,（1）传热方程式,,6.4.2 对数平均温差法,6.4.3 效能-传热单元数法-NTU法,1）热容比或称水当量比Cr,2）传热单元数NTU,3）传热效能,对于顺流换热器，传热效能为,对于逆流换热器，传热效能为,6.5 表面式冷却器的热工计算,6.5.1 表冷器处理空气时发生的热质交换的特点,6.5.2 表冷器的传热系数,6.5.3 表冷器的热工计算,用表面式冷却器处理空气，依据计算的目的不同，可分为设计性计算和校核性计算两种类型 设计性计算多用于选择表冷器，以满足已知初、终参数的空气处理要求； 校核性计算多用于检查已确定了型号的表冷器，将具有一定初参数的空气能处理到什么样的终参数终,常用于间壁式热质交换设备的对数平均温差法和效能-传热单元数法，均可用于表冷器的热工计算在此，用效能-传热单元数法说明水冷式表冷器的设计计算步骤 由于实际工程中，更多的使用热交换效率系数和接触系数，这里，首先介绍表冷器的热交换效率系数和接触系数。

1）表冷器的热交换效率 表冷器的热交换系数的定义式为：,式中，t1为处理前空气的干球温度，；t2为处理后空气的干球温度，；tw1为冷水初温， 上式同时考虑了空气和水的状态变化其中t1tw1表示了表冷器中可能发生的最大温差空调工程中所用的表冷器， 三个无因次量：,热容比：,传热单元数：,按逆流时热交换效率1（传热效能）：,在湿工况下，空气的温度下降dt所放出的热量,在湿工况下，空气的热容量比干工况增加了倍,（2）表冷器的接触系数 表冷器的接触系数的定义为,式中，t3为表冷器在理想条件下(接触时间非常充分) 工作时，空气终状态的干球温度， 2不象1，它只考虑空气的状态变化它的物理意义是，空气在表冷器中的实际温降与理想温降的接近程度，经推导可得，,由此可见，对于结构特性一定的表面冷却器来说，由于肋通系数a是个定值，空气密度也可看成常数，而hw是正比于 的，所以2就成了Vy和N的函数且2将随冷却器排数N的增加而变大，并随Vy的增加而变小当N与Vy确定之后，如再能求得hw；就可用上式算出表面冷却器的2值此外，表面冷却器的2值也可通过实测得到每排肋片管外表。