1、第六章第六章 間壁式熱質交間壁式熱質交換設備的熱工計算換設備的熱工計算熱質交換設備熱質交換設備l在暖通空調等許多工程應用中，經常需要在在暖通空調等許多工程應用中，經常需要在系統(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量。部分之間傳遞熱量和質量。l這種以在兩種流體之間傳遞熱量和質量為基本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目的的設備稱為熱質交換設備熱質交換設備。l在設備中，有時僅有熱量傳遞，有時熱量傳遞在設備中，有時僅有熱量傳遞，有時熱量傳遞與質量傳遞同時發(fā)生。與質量傳遞同時發(fā)生。本章主要內容本章主要內容l間壁式熱質交換設

2、備的形式和結構間壁式熱質交換設備的形式和結構l間壁兩側流體傳熱過程分析間壁兩側流體傳熱過程分析l總傳熱系數與總傳熱熱阻總傳熱系數與總傳熱熱阻l間壁式熱質交換設備熱工計算常用計算方法間壁式熱質交換設備熱工計算常用計算方法l表面式冷卻器的熱工計算表面式冷卻器的熱工計算l其他間壁式熱質交換設備的熱工計算其他間壁式熱質交換設備的熱工計算6.1 熱質交換設備的形式和結構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、表冷器、噴淋室、蒸汽加濕器、吸收吸附設備、轉輪除濕機、風機盤管等轉輪除濕機、風機盤管等蒸發(fā)器、冷凝器、冷卻塔等蒸發(fā)器、冷凝器、冷卻塔等散熱器、暖風機、蒸汽加熱器、熱水加熱器

3、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、除氧器等過熱器、省煤器、空氣預熱器、除氧器等如何分類？如何分類？1.按工作原理分類：按工作原理分類：l間壁式（表面式）：熱、冷介質在各自的流道間壁式（表面式）：熱、冷介質在各自的流道中連續(xù)流動完成熱量傳遞任務，彼此不接觸，中連續(xù)流動完成熱量傳遞任務，彼此不接觸，不摻混。不摻混。l表面式冷卻器、過熱器、省煤器、散熱器、暖風機、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(fā)器燃氣加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器l直接接觸式（混合式）：兩種流體直接接觸相直接接觸式（混合式）：兩種流體直接接觸相互摻混，傳遞熱量和質量后，在

4、理論上應變成互摻混，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，因而傳熱傳質效率同溫同壓的混合介質流出，因而傳熱傳質效率高。高。l噴淋室、蒸汽噴射泵、冷卻塔、蒸汽加濕器、熱力噴淋室、蒸汽噴射泵、冷卻塔、蒸汽加濕器、熱力除氧器除氧器按工作原理分類：按工作原理分類：l蓄熱式（回熱式、再生式）：借助由固體構件蓄熱式（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。（填充物）組成的蓄熱體傳遞熱量。l煉鋼廠的熱風爐、鍋爐的中間熱式空氣預熱器、全煉鋼廠的熱風爐、鍋爐的中間熱式空氣預熱器、全熱回收式空調器熱回收式空調器l熱管換熱器：以熱管為換熱元件的換熱器。熱管換熱器：以熱管為換

5、熱元件的換熱器。l多用于各種余熱回收工程中多用于各種余熱回收工程中水表冷器水表冷器散熱器散熱器間壁式（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）：間壁式（表面式）：二二.間壁式換熱器的形式與結構間壁式換熱器的形式與結構l管殼式l肋片管式l板式l板翹式l螺旋板式用于顯熱交換的間壁式換熱器，也可用于既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器種類和型式有所不同 。如何提高換熱系數呢？如

6、何提高換熱系數呢？Tw6.2間壁兩側流體傳熱過程分析間壁兩側流體傳熱過程分析 tttbtwTbTT溫度冷流體熱流體l機理：機理：l由熱流體主體以對流的方式傳遞到間壁內側；由熱流體主體以對流的方式傳遞到間壁內側；l以導熱的方式穿過間壁；以導熱的方式穿過間壁；l由間壁外側以對流的方式傳遞至冷流體主體。由間壁外側以對流的方式傳遞至冷流體主體。l溫度分布曲線：溫度分布曲線：l間壁內熱傳導只有一種分布規(guī)律；間壁內熱傳導只有一種分布規(guī)律；l間壁兩側呈三種分布規(guī)律：直線間壁兩側呈三種分布規(guī)律：直線曲線曲線較平較平坦曲線坦曲線l實際應用：有效膜內導熱，溫度分布為直線。實際應用：有效膜內導熱，溫度分布為直線。間

7、壁兩側流體傳熱過程分析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總傳熱系數與總傳熱熱阻面積為面積為A的總傳熱熱阻：的總傳熱熱阻：單位管長總熱阻：單位管長總熱阻：對外表面對外表面 對內表面對內表面 其中其中K0A0=KiAi 單位管長的內外表面積分別為單位管長的內外表面積分別為di和和d0對于平壁，考慮其兩側的污垢熱阻后，總熱阻為對于平壁，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表面，總傳熱系數可表示為 注：注：Rf取決于運行溫度、流體速度及換熱器工作時取決于運行溫度、流體速度

8、及換熱器工作時間。間。利用數據采集系統(tǒng)可以測定壁面和流體的溫利用數據采集系統(tǒng)可以測定壁面和流體的溫度，從而獲得平均溫差，度，從而獲得平均溫差，利用熱平衡方程式獲得熱流量，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，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?zhèn)鳠嵯禂怠Ｍㄟ^傳熱方程式計算出總表面?zhèn)鳠嵯禂怠？倐鳠釤嶙柚械膶α鲹Q熱熱阻和污垢熱阻通總傳熱熱阻中的對流換熱熱阻和污垢熱阻通過實驗求得。過實驗求得。確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法解法ioifwooddhRRhk111工業(yè)換熱器中的管內流體的流動一般都是處于旺工業(yè)換熱器中的管內流體的流動一

9、般都是處于旺盛湍流狀態(tài)，盛湍流狀態(tài)，h hi i 與流速與流速u u0.80.8成正比，因此，可以寫成正比，因此，可以寫成成 的形式，帶入上式：的形式，帶入上式：ioifwoodducRRhk8 . 01118 .0iiiuch 總表面?zhèn)鳠嵯禂悼梢员硎境桑嚎偙砻鎮(zhèn)鳠嵯禂悼梢员硎境桑? . 011umbko上式右邊的前三項可認為是常數，用上式右邊的前三項可認為是常數，用 b b 表示，物性表示，物性不變的情況下，不變的情況下， 可以認為是常數，用可以認為是常數，用m m表示，表示，于是上式可變?yōu)橛谑巧鲜娇勺優(yōu)楦淖児軆攘魉俑淖児軆攘魉賣 u，則可以測得一系列的總表面?zhèn)鳠嵯?，則可以測得一系列的總表面

10、傳熱系數，然后繪制成圖，則是一條直線，如圖數，然后繪制成圖，則是一條直線，如圖(6-3)(6-3)所示所示ioiddc18 . 011umbko從這個圖中可以獲得從這個圖中可以獲得b b，m m，和，和c ci i，從而，管子內，從而，管子內側的對流換熱系數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距之差就是污垢熱阻，這樣又把污垢

11、熱阻分離出來了。來了。8.0iiiuch威爾遜圖解法可以求解分熱阻威爾遜圖解法可以求解分熱阻l由由b求解出殼側換熱系數求解出殼側換熱系數h0；l由由m求出求出Ci，從而得到管內側換熱系數，從而得到管內側換熱系數hi；l污垢熱阻污垢熱阻Rf。8 . 01uarctanmbRfok16.4換熱器熱工計算常用計算方法換熱器熱工計算常用計算方法 l對數平均溫差法（對數平均溫差法（LMTD）l效能效能傳熱單元數法（傳熱單元數法（-NTU）l基本公式：基本公式：mtKAQ)()(2 2221111ttcGttcGQ1.平均溫度差法平均溫度差法 順流順流 (a) 和逆流和逆流 (b) 其中：其中： (a)

12、順流：順流： (b) 逆流：逆流： minmaxminmaxtlnttttm平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術平均溫差，即平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術平均溫差，即2minmax,tttm算術minmaxminmax,tlnttttm對數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，當同進出口溫度下的對數平均溫差，當 時，兩者的差時，兩者的差別小于別小于4 4；當；當 時，兩者的差別小于時，兩者的差別小于2.32.3。2minmaxtt7 . 1minmaxtt算術平均溫差算術平均溫差殼管式

13、及交叉流換熱器的平均溫殼管式及交叉流換熱器的平均溫差計算方法差計算方法ctfmmtt查圖求查圖求值：值：l值取決于兩個無量綱參數值取決于兩個無量綱參數P及及R。l物理意義：物理意義：l參數參數R代表兩種流體熱容量之比。代表兩種流體熱容量之比。l參數參數P代表該換熱器中流體代表該換熱器中流體2的實際溫升與理論上所能達到的實際溫升與理論上所能達到的最大溫升之比。的最大溫升之比。l對于殼管式換熱器查圖時注意流動的對于殼管式換熱器查圖時注意流動的“程程”數。數。l當當R接近接近4時時,用用PR和和1/R分別代替分別代替P和和R查圖。查圖。設計計算：設計計算： (1) 根據能量守恒算出所缺少的一個溫度值

14、。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初選應道布置方案 ( 包括選取管徑、管數及流程數，包括選取管徑、管數及流程數，確定流速等確定流速等 ) ，并計算兩側流體的表面?zhèn)鳠嵯禂岛?，并計算兩側流體的表面?zhèn)鳠嵯禂岛涂倐鳠嵯禂?。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。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。由傳熱方程算出換熱面積

15、，并與初選面積比較。若不一致，修改布局方案重新計算，直到兩者基本若不一致，修改布局方案重新計算，直到兩者基本一致為止。一致為止。 校核計算：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。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。數平均溫差并確定總傳熱系數。 (3) 分別按式分別按式 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

16、致為止。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局，因此選代次數有限。也可以通過編程實現自動迭代運算。運算。 2.效能效能 - 傳熱單元數法傳熱單元數法 1 ) 換熱器效能換熱器效能 為換熱器實際傳熱量為換熱器實際傳熱量與最大可能傳熱量與最大可能傳熱量 max 之比。之比。即：即： )()(21minmaxttGc21 112111 11112211)()(,ttttttcGttcGcGcG212 221222 2221122)()(,ttt

17、tttcGttcGcGcG大溫差換熱器中可能發(fā)生的最值冷熱流體實際溫差的大2121,maxtttt2 ) 傳熱單元數傳熱單元數 NTU ： 傳熱單元數傳熱單元數 NTU 可理解為換熱器傳熱能力大小的可理解為換熱器傳熱能力大小的某種度量。某種度量。 3 )與與 NTU 的關系的關系 任何換熱器都存在以下形式的無量綱函數關系：任何換熱器都存在以下形式的無量綱函數關系： 4 ) 計算步驟計算步驟 設計計算：設計計算： (1) 根據能量守恒關系求出未知出口溫度；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?zhèn)鳠嵯禂岛涂偝踹x流道布置方案并計算兩側表面?zhèn)鳠嵯禂岛涂倐鳠嵯禂?；傳?/p>

18、系數； (3) 根據進出口溫度求出換熱器的效能以及兩側流體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；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，求出式或圖線，求出 NTU 值，進而得到換熱面積；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。并重新計算，直到兩者基本一致為止。 校核計算：校核計算： (1) 根據已知傳熱面積、總傳熱系數和較小側根據已知傳熱面積、總傳熱系數和較小側熱容可直接求出熱容可直接求出 NTU

19、值；值； (2) 由熱容比和由熱容比和 NTU 值，選取對應的公式或值，選取對應的公式或者曲線求得換熱器效能；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，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。再由能量守恒關系式得到另一個出口溫度。 3.兩種方法比較兩種方法比較l相同點：相同點：l設計計算設計計算l校核計算校核計算l不同點：不同點：lLMTD法：逆流法：逆流溫差修正系數（有利于流動形式溫差修正系數（有利于流動形式的改進；但對數計算較麻煩）的改進；但對數計算較麻煩）l-NTU法：法：K已知時求解方便。已知時求解方便。6.5表面式冷卻器的

20、熱工計算表面式冷卻器的熱工計算1.表冷器處理空氣時發(fā)生的熱質交換的特點表冷器處理空氣時發(fā)生的熱質交換的特點l等濕冷卻過程或干冷過程等濕冷卻過程或干冷過程(干工況干工況) l減濕冷卻過程或濕冷過程減濕冷卻過程或濕冷過程(濕工況濕工況) dAiichdAiihdQbpbmt)()(dAtthdQb)( 反映了表冷器上凝反映了表冷器上凝結水析出的多少，結水析出的多少，因此，又稱為析濕因此，又稱為析濕系數。顯然，干工系數。顯然，干工況的況的=1。 總熱交換量：總熱交換量：顯熱交換量：顯熱交換量：析濕系數析濕系數理論表達式理論表達式)(2, 1wtthdAdQ)(2, 12, 1wwmdqiidddAh

21、dQ)()(2, 12, 10wmdwwpvqdddAhctctrdQ)()()(1 )()(12, 12, 12, 102, 12, 102, 1wwpwwpvwwwpvwmdqrttddcctctrtthctctrddhdQdQdQ2.表冷器的傳熱系數表冷器的傳熱系數 （干工況）（干工況）（濕工況）（濕工況）結論：結論：對于既定結構的表冷器，影響其傳熱系數的主要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。因素為其內、外表面的換熱系數和析濕系數。 （實際工況）（實際工況）3.表冷器的熱工計算表冷器的熱工計算 l表冷器的熱交換效率表冷器的熱交換效率 （同時

22、考慮空氣和水（同時考慮空氣和水的狀態(tài)變化）的狀態(tài)變化）實質：換熱器的傳熱效能實質：換熱器的傳熱效能表冷器的熱交換效率表冷器的熱交換效率表明相當于空氣的熱容量增大了表明相當于空氣的熱容量增大了倍。倍。 （逆流）（逆流）),(),(1wVfCNTUfyr流動形式表冷器的接觸系數表冷器的接觸系數 只考慮空氣的狀態(tài)變化只考慮空氣的狀態(tài)變化 或因為-Gdi=hm(i-i3)dA和hmhw/cp如果將如果將G=AyVy代入上式，則：代入上式，則： 肋通系數肋通系數 代入上式代入上式即即2=f（Vy，N）結論：結論：增加排數和降低迎面風速都能增加表冷器增加排數和降低迎面風速都能增加表冷器的接觸系數。的接觸系

23、數。表冷器熱工計算的主要原則表冷器熱工計算的主要原則l該冷卻器能達到的該冷卻器能達到的1應該等于空氣處理過程需應該等于空氣處理過程需要的要的1；l該冷卻器能達到的該冷卻器能達到的2應該等于空氣處理過程需應該等于空氣處理過程需要的要的2；l該冷卻器能吸收的熱量應該等于空氣放出的熱該冷卻器能吸收的熱量應該等于空氣放出的熱量。量。表冷器熱工計算的主要原則表冷器熱工計算的主要原則 定義式定義式空氣處理需要的空氣處理需要的計算式計算式冷卻器能達到的冷卻器能達到的實際影響因素實際影響因素表冷器的設計計算步驟表冷器的設計計算步驟 l計算需要的接觸系數計算需要的接觸系數2，確定表冷器的排數，確定表冷器的排數

24、、型號、臺數；型號、臺數；l求析濕系數求析濕系數l求傳熱系數求傳熱系數l求冷水量求冷水量l求表冷器能達到的求表冷器能達到的1 l求水溫求水溫 l求空氣阻力和水阻力求空氣阻力和水阻力 【例5-1】【例5-2】（原則（原則1）（原則（原則2）（原則（原則3）表冷器的設計計算思路表冷器的設計計算思路l由已知條件計算由已知條件計算2，查附錄，查附錄5-4，確定表冷器，確定表冷器型號；型號；假定迎風速度范圍：假定迎風速度范圍： 23m/sl計算析濕系數，為計算計算析濕系數，為計算NTU和和Cr；l求求K，去計算，去計算NTU，從而求，從而求；假定水流速范假定水流速范圍圍:14m/sl求冷水質量流量；求冷

25、水質量流量；l計算計算NTU和和Cr，查圖得，查圖得 ；l求水初終溫求水初終溫【例例6-1】簡化和要點簡化和要點 已知被處理的空氣量已知被處理的空氣量G G為為8.33kg/s8.33kg/s；空氣初參數為空氣初參數為t t1 1、i i1 1、t ts1s1、1 1；終參；終參數為數為t t2 2、i i2 2、t ts2s2、2 2；選擇；選擇JWJW型表冷型表冷器，已知其迎面風速是器，已知其迎面風速是2.7m/s,2.7m/s,水流速水流速1.2m/s,1.2m/s,通水截面積為通水截面積為0.00553m0.00553m2 2，熱交，熱交換效率為換效率為0.740.74，接觸系數為，接觸系數為0.9500.950，求，求此表冷器的吸濕系數、進出水溫和水此表冷器的吸濕系數、進出水溫和水量。量。五、其它間壁式熱質交換設備的熱工計算五、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的熱工計算mtKAQ空氣加熱器：空氣加熱器：以熱水為熱媒的空氣加熱器：以熱水為熱媒的空氣加熱器：以蒸汽為