第六章间壁式热质交换设备热工计算.ppt

第六章第六章 间壁式壁式热质交交换设备的的热工工计算算第六章---间壁式热质交换设备热工计算热质交交换设备l 在暖通空在暖通空调等等许多工程多工程应用中，用中，经常需要在常需要在系系统和它的周和它的周围环境之境之间或在同一系或在同一系统的不同的不同部分之部分之间传递热量和量和质量l这种以在两种流体之种以在两种流体之间传递热量和量和质量量为基本基本目的的目的的设备称称为热质交交换设备l在在设备中，有中，有时仅有有热量量传递，有，有时热量量传递与与质量量传递同同时发生 第六章---间壁式热质交换设备热工计算本章主要内容本章主要内容l间壁式壁式热质交交换设备的形式和的形式和结构构l间壁两壁两侧流体流体传热过程分析程分析l总传热系数与系数与总传热热阻阻l间壁式壁式热质交交换设备热工工计算常用算常用计算方法算方法l表面式冷却器的表面式冷却器的热工工计算算l其他其他间壁式壁式热质交交换设备的的热工工计算算第六章---间壁式热质交换设备热工计算6.1 热质交交换设备的形式和的形式和结构构表冷器、表冷器、喷淋室、蒸汽加湿器、吸收吸附淋室、蒸汽加湿器、吸收吸附设备、、转轮除湿机、除湿机、风机机盘管等管等蒸蒸发器、冷凝器、冷却塔等器、冷凝器、冷却塔等散散热器、暖器、暖风机、蒸汽加机、蒸汽加热器、器、热水加水加热器器过热器、省煤器、空气器、省煤器、空气预热器、除氧器等器、除氧器等如何分如何分类？？第六章---间壁式热质交换设备热工计算1.按工作原理分按工作原理分类：：l间壁式（表面式）：壁式（表面式）：热、冷介、冷介质在各自的流道在各自的流道中中连续流流动完成完成热量量传递任任务，彼此不接触，，彼此不接触，不不掺混。

混l表面式冷却器、表面式冷却器、过热器、省煤器、散器、省煤器、散热器、暖器、暖风机、机、燃气加燃气加热器、冷凝器、蒸器、冷凝器、蒸发器器l直接接触式（混合式）：两种流体直接接触相直接接触式（混合式）：两种流体直接接触相互互掺混，混，传递热量和量和质量后，在理量后，在理论上上应变成成同温同同温同压的混合介的混合介质流出，因而流出，因而传热传质效率效率高l喷淋室、蒸汽淋室、蒸汽喷射射泵、冷却塔、蒸汽加湿器、、冷却塔、蒸汽加湿器、热力力除氧器除氧器第六章---间壁式热质交换设备热工计算按工作原理分按工作原理分类：：l蓄蓄热式（回式（回热式、再生式）：借助由固体构件式、再生式）：借助由固体构件（填充物）（填充物）组成的蓄成的蓄热体体传递热量l炼钢厂的厂的热风炉、炉、锅炉的中炉的中间热式空气式空气预热器、全器、全热回收式空回收式空调器器l热管管换热器：以器：以热管管为换热元件的元件的换热器l多用于各种余多用于各种余热回收工程中回收工程中第六章---间壁式热质交换设备热工计算水表冷器水表冷器散散热器器间壁式（表面式）：壁式（表面式）：第六章---间壁式热质交换设备热工计算间壁式（表面式）：壁式（表面式）：第六章---间壁式热质交换设备热工计算间壁式（表面式）：壁式（表面式）：第六章---间壁式热质交换设备热工计算二二.间壁式壁式换热器的形式与器的形式与结构构l管壳式l肋片管式l板式l板翘式l螺旋板式    用于用于显热交交换的的间壁式壁式换热器，也可用于既有器，也可用于既有显热交交换又有潜又有潜热交交换的的场合，只是考合，只是考虑到到换热设备两端流体的不同，使用的两端流体的不同，使用的间壁式壁式换热器器种种类和型式有所不同和型式有所不同 。

如何提高如何提高换热系数呢？系数呢？第六章---间壁式热质交换设备热工计算Tw6.2间壁两壁两侧流体流体传热过程分析程分析 tt’tbtwTbTT’温度冷流体热流体第六章---间壁式热质交换设备热工计算l机理：机理：l由由热流体主体以流体主体以对流的方式流的方式传递到到间壁内壁内侧；；l以以导热的方式穿的方式穿过间壁；壁；l由由间壁外壁外侧以以对流的方式流的方式传递至冷流体主体至冷流体主体l温度分布曲温度分布曲线：：l间壁内壁内热传导只有一种分布只有一种分布规律；律；l间壁两壁两侧呈三种分布呈三种分布规律：直律：直线——曲曲线——较平平坦曲坦曲线l实际应用：有效膜内用：有效膜内导热，温度分布，温度分布为直直线间壁两壁两侧流体流体传热过程分析程分析第六章---间壁式热质交换设备热工计算6.3总传热系数与系数与总传热热阻阻面面积为A的的总传热热阻：阻：单位管位管长总热阻：阻：第六章---间壁式热质交换设备热工计算对外表面外表面 对内表面内表面 其中其中K0A0=KiAi 单位管位管长的内外表面的内外表面积分分别为πdi和和πd0第六章---间壁式热质交换设备热工计算对于平壁，考于平壁，考虑其两其两侧的的污垢垢热阻后，阻后，总热阻阻为 把管子内、外表面的把管子内、外表面的污垢垢热阻包括阻包括进去之后，去之后，对于外于外表面，表面，总传热系数可表示系数可表示为 注：注：Rf取决于运行温度、流体速度及取决于运行温度、流体速度及换热器工作器工作时间。

第六章---间壁式热质交换设备热工计算•利用数据采集系利用数据采集系统可以可以测定壁面和流体的温定壁面和流体的温度，从而度，从而获得平均温差，得平均温差，•利用利用热平衡方程式平衡方程式获得得热流量，流量，•换热面面积可以根据可以根据设计情况情况获得，得，•通通过传热方程式方程式计算出算出总表面表面传热系数•总传热热阻中的阻中的对流流换热热阻和阻和污垢垢热阻通阻通过实验求得确定确定传热过程分程分热阻的威阻的威尔逊图解法解法第六章---间壁式热质交换设备热工计算工工业换热器中的管内流体的流器中的管内流体的流动一般都是一般都是处于旺于旺盛湍流状盛湍流状态，，h hi i 与流速与流速u u0.80.8成正比，因此，可以写成正比，因此，可以写成成 的形式，的形式，带入上式：入上式：总表面表面传热系数可以表示成：系数可以表示成：第六章---间壁式热质交换设备热工计算威威尔逊图解法可以求解分解法可以求解分热阻阻l由由b求解出壳求解出壳侧换热系数系数h0；；l由由m求出求出Ci，从而得到管内，从而得到管内侧换热系数系数hi；；l污垢垢热阻阻RfarctanmbRf第六章---间壁式热质交换设备热工计算6.4换热器器热工工计算常用算常用计算方法算方法 l对数平均温差法（数平均温差法（LMTD））l效能效能—传热单元数法（元数法（ε-NTU））l基本公式：基本公式：第六章---间壁式热质交换设备热工计算1.平均温度差法平均温度差法 第六章---间壁式热质交换设备热工计算⑴⑴ 顺流流 (a) 和逆流和逆流 (b) 其中：其中： (a) 顺流：流： (b) 逆流：逆流： 第六章---间壁式热质交换设备热工计算平均温差的另一种更平均温差的另一种更为简单的形式是算的形式是算术平均温差，即平均温差，即算算术平均温差相当于温度呈直平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，化的情况，因此，总是大于相是大于相同同进出口温度下的出口温度下的对数平均温差，当数平均温差，当 时，两者的差，两者的差别小小于于4 4％；当％；当 时，两者的差，两者的差别小于小于2.32.3％。

％算算术平均温差平均温差第六章---间壁式热质交换设备热工计算壳管式及交叉流壳管式及交叉流换热器的平均温器的平均温差差计算方法算方法查图求求Ψ值：：lΨ值取决于两个无量取决于两个无量纲参数参数P及及Rl物理意物理意义：：l参数参数R代表两种流体代表两种流体热容量之比容量之比l参数参数P代表代表该换热器中流体器中流体2的的实际温升与理温升与理论上所能达到的上所能达到的最大温升之比最大温升之比l对于壳管式于壳管式换热器器查图时注意流注意流动的的“程程”数l当当R接近接近4时,用用PR和和1/R分分别代替代替P和和R查图第六章---间壁式热质交换设备热工计算设计计算：算： (1) 根据能量守恒算出所缺少的一个温度根据能量守恒算出所缺少的一个温度值 (2) 如果如果给出了出了总传热系数，可以直接系数，可以直接进入下一步；入下一步；如果没有如果没有给出出总传热系数，系数，则进入迭代程序，首先入迭代程序，首先初初选应道布置方案道布置方案 ( 包括包括选取管径、管数及流程数，取管径、管数及流程数，确定流速等确定流速等 ) ，并，并计算两算两侧流体的表面流体的表面传热系数和系数和总传热系数 (3) 根据根据进出口温度和流道布置，求出平均出口温度和流道布置，求出平均传热温差。

温差 (4) 由由传热方程算出方程算出换热面面积，并与初，并与初选面面积比比较若不一致，修改布局方案重新若不一致，修改布局方案重新计算，直到两者基本算，直到两者基本一致一致为止 第六章---间壁式热质交换设备热工计算校核校核计算：算： (1)假假设任意一任意一侧流体的出口温度，通流体的出口温度，通过热平衡方程平衡方程即可确定另一个出口温度即可确定另一个出口温度 (2) 根据流量、根据流量、传热面面积和已知的流道布局，求出和已知的流道布局，求出对数平均温差并确定数平均温差并确定总传热系数 (3) 分分别按式按式 计算算传热量，如果两个量，如果两个结果不一致，修改原出口温度假果不一致，修改原出口温度假设值，重新，重新计算直至两者在允算直至两者在允许的的误差范差范围内一致内一致为止这个个选代代过程程仅对出口温度出口温度进行，而不行，而不牵涉涉换热面的布面的布局，因此局，因此选代次数有限也可以通代次数有限也可以通过编程程实现自自动迭代迭代运算 第六章---间壁式热质交换设备热工计算2.效能效能 - 传热单元数法元数法 1 ) 换热器效能器效能 ε ε 为换热器器实际传热量量Φ与最大可能与最大可能传热量量Φ max 之比。

之比即：即： 第六章---间壁式热质交换设备热工计算2 ) 传热单元数元数 NTU ：： 传热单元数元数 NTU 可理解可理解为换热器器传热能力大小的能力大小的某种度量某种度量 3 )ε与与 NTU 的关系的关系 任何任何换热器都存在以下形式的无量器都存在以下形式的无量纲函数关系：函数关系： 第六章---间壁式热质交换设备热工计算4 ) 计算步算步骤 设计计算：算： (1) 根据能量守恒关系求出未知出口温度；根据能量守恒关系求出未知出口温度； (2) 初初选流道布置方案并流道布置方案并计算两算两侧表面表面传热系数和系数和总传热系数；系数； (3) 根据根据进出口温度求出出口温度求出换热器的效能以及两器的效能以及两侧流体流体的的热容比；容比； (4) 根据指定或根据指定或选定的流定的流动方式方式选择相相应的函数关系的函数关系式或式或图线，求出，求出 NTU 值，，进而得到而得到换热面面积；； (5) 与初与初选面面积比比较，若不一致，修改流道布局方案，若不一致，修改流道布局方案并重新并重新计算，直到两者基本一致算，直到两者基本一致为止 第六章---间壁式热质交换设备热工计算校核校核计算：算： (1) 根据已知根据已知传热面面积、、总传热系数和系数和较小小侧热容可直接求出容可直接求出 NTU 值；； (2) 由由热容比和容比和 NTU 值，，选取取对应的公式或的公式或者曲者曲线求得求得换热器效能；器效能；(3) 由效能直接求出小由效能直接求出小热容容侧流体的出口温度，流体的出口温度，再由能量守恒关系式得到另一个出口温度。

再由能量守恒关系式得到另一个出口温度 第六章---间壁式热质交换设备热工计算3.两种方法比两种方法比较l相同点：相同点：l设计计算算l校核校核计算算l不同点：不同点：lLMTD法：逆流法：逆流×温差修正系数（有利于流温差修正系数（有利于流动形式形式的改的改进；但；但对数数计算算较麻麻烦））lε-NTU法：法：K已知已知时求解方便求解方便第六章---间壁式热质交换设备热工计算6.5表面式冷却器的表面式冷却器的热工工计算算1.表冷器表冷器处理空气理空气时发生的生的热质交交换的特点的特点 l等湿冷却等湿冷却过程或干冷程或干冷过程程(干工况干工况) l减湿冷却减湿冷却过程或湿冷程或湿冷过程程(湿工况湿工况) 反映了表冷器上凝反映了表冷器上凝结水析出的多少，水析出的多少，因此，又称因此，又称为析湿析湿系数显然，干工然，干工况的况的ξ=1 总热交交换量：量：显热交交换量：量：第六章---间壁式热质交换设备热工计算析湿系数析湿系数ξ理理论表达式表达式第六章---间壁式热质交换设备热工计算2.表冷器的表冷器的传热系数系数 （干工况）（干工况）（湿工况）（湿工况）结论：：对于既定于既定结构的表冷器，影响其构的表冷器，影响其传热系数的主要系数的主要因素因素为其内、外表面的其内、外表面的换热系数和析湿系数。

系数和析湿系数 （（实际工况）工况）第六章---间壁式热质交换设备热工计算3.表冷器的表冷器的热工工计算算 l表冷器的表冷器的热交交换效率效率 （同（同时考考虑空气和水空气和水的状的状态变化）化）实质：：换热器的器的传热效能效能第六章---间壁式热质交换设备热工计算表冷器的表冷器的热交交换效率效率表明相当于空气的表明相当于空气的热容量增大了容量增大了ξ倍 （逆流）（逆流）第六章---间壁式热质交换设备热工计算表冷器的接触系数表冷器的接触系数 只考只考虑空气的状空气的状态变化化 第六章---间壁式热质交换设备热工计算或因为-Gdi=hm(i-i3)dA 和hm＝hw/cp第六章---间壁式热质交换设备热工计算如果将如果将G=AyVyρ代入上式，代入上式，则：： 肋通系数肋通系数 代入上式代入上式即即ε2=f（（Vy，，N）） 结论：增加排数和降低迎面：增加排数和降低迎面风速都能增加表冷器速都能增加表冷器的接触系数的接触系数第六章---间壁式热质交换设备热工计算表冷器表冷器热工工计算的主要原算的主要原则l该冷却器能达到的冷却器能达到的ε1应该等于空气等于空气处理理过程需程需要的要的ε1；；l该冷却器能达到的冷却器能达到的ε2应该等于空气等于空气处理理过程需程需要的要的ε2；；l该冷却器能吸收的冷却器能吸收的热量量应该等于空气放出的等于空气放出的热量。

量第六章---间壁式热质交换设备热工计算表冷器表冷器热工工计算的主要原算的主要原则 定定义式式空气空气处理需要的理需要的计算式算式冷却器能达到的冷却器能达到的实际影响因素影响因素第六章---间壁式热质交换设备热工计算表冷器的表冷器的设计计算步算步骤 l计算需要的接触系数算需要的接触系数ε2，确定表冷器的排数，确定表冷器的排数 、型号、台数；、型号、台数；l求析湿系数求析湿系数l求求传热系数系数l求冷水量求冷水量l求表冷器能达到的求表冷器能达到的ε1 l求水温求水温 l求空气阻力和水阻力求空气阻力和水阻力 【例5-1】【例5-2】（原（原则1））（原（原则2））（原（原则3））第六章---间壁式热质交换设备热工计算表冷器的表冷器的设计计算思路算思路l由已知条件由已知条件计算算ε2，，查附附录5-4，确定表冷器，确定表冷器型号；假定迎型号；假定迎风速度范速度范围：： 2~3m/sl计算析湿系数，算析湿系数，为计算算NTU和和Cr；；l求求K，去，去计算算NTU，从而求，从而求ε１１；假定水流速范；假定水流速范围:1~4m/sl求冷水求冷水质量流量；量流量；l计算算NTU和和Cr，，查图得得ε１１ ；；l求水初求水初终温温第六章---间壁式热质交换设备热工计算【【例例6-1】】简化和要点化和要点 已知被已知被处理的空气量理的空气量G G为8.33kg/s8.33kg/s；空；空气初参数气初参数为t t1 1、、i i1 1、、t ts1s1、、φφ1 1；；终参数参数为t t2 2、、i i2 2、、t ts2s2、、φφ2 2；；选择JWJW型表冷器，型表冷器，已知其迎面已知其迎面风速是速是2.7m/s,2.7m/s,水流速水流速1.2m/s,1.2m/s,通水截面通水截面积为0.00553m0.00553m2 2，，热交交换效率效率为0.740.74，接触系数，接触系数为0.9500.950，求，求此表冷器的吸湿系数、此表冷器的吸湿系数、进出水温和水出水温和水量。

量第六章---间壁式热质交换设备热工计算五、其它五、其它间壁式壁式热质交交换设备的的热工工计算算1.空气加空气加热器的器的热工工计算算 空气加空气加热器：器：以以热水水为热媒的空气加媒的空气加热器：器：以蒸汽以蒸汽为热媒的空气加媒的空气加热器：器：【例6-3】计算原算原则：：Q需需=Q供供 对数平均数平均温差法温差法 第六章---间壁式热质交换设备热工计算【【例例6-3】】空气加空气加热器器设计计算算l初初选加加热器型号：器型号：l假假设空气空气质量流速（量流速（vρ））’=8kg/(m2s)l计算加算加热器通器通风有效截面有效截面积 由此由此查样本，确定合适加本，确定合适加热器，器，给出出实际的有效截面的有效截面积、并、并联台数等 l计算算传热系数系数Kl计算加算加热器面器面积及串及串联台数台数l检查安全系数安全系数第六章---间壁式热质交换设备热工计算2.散散热器的器的热工工计算算 l热工工计算主要是决定供暖房算主要是决定供暖房间所需散所需散热器的散器的散热面面积和片数 l对数平均温差法：数平均温差法：Q=KAΔtm l影响散影响散热器散器散热量的最主要因素是量的最主要因素是热媒平均温媒平均温度与室内空气温度的差度与室内空气温度的差值 。

Q=KA（（tpj-tn））=KAΔtp 第六章---间壁式热质交换设备热工计算Q=KA（（tpj-tn））=KAΔtp分析分析ltpj由供暖由供暖热媒的参数和供暖系媒的参数和供暖系统的形式而定：的形式而定：l热水供暖：水供暖：tpj=(tsg+tsh)/2l蒸汽供暖：当蒸汽表蒸汽供暖：当蒸汽表压力力≤0.03MPa时，可取，可取100℃℃；当蒸汽表；当蒸汽表压力力>0.03MPa时，取与散，取与散热器器进口蒸口蒸汽汽压力相力相应的的饱和蒸汽温度和蒸汽温度l式中由于温差形式的改式中由于温差形式的改变引起的引起的误差，差，归到到K中K由由实验方法确定方法确定l影响影响K和和Q的主要因素：的主要因素：Δtp Δtp越大，越大， K和和Q越高第六章---间壁式热质交换设备热工计算。