第6章

間壁式熱質交換設備的熱工計算71-12023/2/6內容間壁式熱質交換設備的型式與結構6.1間壁兩側流體傳熱過程分析6.2總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻2023/2/6熱工計算常用的計算方法其它間壁式熱質交換設備的熱工計算表面式冷卻器的熱工計算6.36.46.56.671-2

套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。順流逆流6.1間壁式熱質交換設備的型式與結構2023/2/671-3管殼式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內。兩種流體分管程和殼程。單殼程、單管程2023/2/671-4增加管程單殼程、雙管程2023/2/671-5進一步增加管程和殼程2-4型3-6型雙殼程、四管程2023/2/671-6交叉流換熱器：其主要特點是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管束式、管翅式和板翅式三種。2023/2/671-72023/2/671-8(c)板翅式交叉流換熱器2023/2/671-9板式換熱器：由一組幾何結構相同的平行薄平板疊加所組成，冷熱流體間隔地在每個通道中流動，其特點是拆卸清洗方便，故適用于含有易結垢物的流體。2023/2/671-10螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成。優(yōu)點：換熱效果好；缺點：密封比較困難。1211222023/2/671-11

例如，空調工程中處理空氣的表冷器，一般在空氣側加裝各種形式的肋片間壁式換熱器種類和型式的不同換熱設備兩端流體的不同2023/2/671-122023/2/671-13表冷器工作過程2023/2/671-14hiho內部對流：圓柱面導熱：外部對流：三式相加：6.2間壁兩側流體傳熱過程分析2023/2/671-156.3總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻其中：單位管長的總熱阻為:其中i表示內表面，o表示外表面hiho2023/2/671-166.4換熱器熱工計算常用的計算方法一、換熱器熱工計算的基本公式傳熱方程式:

Q=KAΔtm

熱平衡方程式:

Q=G1c1（t1’-t1”）=G2c2（t2”-t2’）

通常：1-熱流體；2-冷流體2023/2/671-1718順流逆流二、

對數(shù)平均溫差法(LMTD法）2023/2/671-18傳熱方程的一般形式：當溫差沿整個壁面不是常數(shù)時，比如等壁溫條件下的管內對流換熱，以及我們現(xiàn)在遇到的換熱器等，需要用到平均溫差。dthdtcthtc2023/2/671-19對數(shù)平均溫差2023/2/671-20順流和逆流的區(qū)別在于：將對數(shù)平均溫差寫成統(tǒng)一形式(順流和逆流都適用):順流：逆流：2023/2/671-21平均溫差更為簡單的形式是算術平均溫差，即算術平均溫差算術平均溫差相當于溫度呈直線變化的情況，總是大于相同進出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當

時，兩者的差別小于4％(3.8%)；當

時，兩者的差別小于2.3％。2023/2/671-22三、效能-傳熱單元數(shù)法（ε-NTU法）換熱器熱工計算的基本公式:Q=KAΔtm;

Q=G1c1（t1’-t1”）=G2c2（t2”-t2’）

將方程式無因次化：ε-NTU法八個變量:Q，KA，G1c1，G2c2，t1’，t1”，t2”，t2’。2023/2/671-23三個無因次量：熱容比（或水當量比Cr

）：G2C2<G1C1時G2C2>G1C1時傳熱單元數(shù)NTU：傳熱效能ε：2023/2/671-24換熱器的效能定義:物理意義：如果已知了效能和冷熱流體的進口溫差，則Q：ε-NTU法推導：2023/2/671-25

平均溫差法;效能-傳熱單元數(shù)平均溫差法步驟：直接用傳熱方程和熱平衡方程進行計算換熱器的熱工計算有兩種方法：設計計算：1）初步布置換熱面，并計算出相應的總傳熱系數(shù)K；2）根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進、出口溫度中的那個待定的溫度；3）由冷熱流體的4個進出口溫度確定平均溫差；4）由傳熱方程式計算所需的換熱面積A，并核算換熱面流體的流動阻力；5）如果流動阻力過大，則需要改變方案重新設計。（已知G1,c1,G2,c2，及進出口溫度中的三個,求K,A

）2023/2/671-26校核計算：（已知A,G1,c1,G2,c2，兩個進口溫度，求t”1,t”2）1）先假設一個流體的出口溫度，按熱平衡式計算另一個出口溫度;2）根據(jù)4個進出口溫度求得平均溫差Δtm;3）根據(jù)換熱器結構，算出相應工作條件下的總傳熱系數(shù)k;4）已知k，A和Δtm，按傳熱方程式計算在假設出口溫度下的Q；5）根據(jù)4個進出口溫度，用熱平衡式計算另一個Q，這個值和上面的Q，都是在假設出口溫度下得到的，因此，都不是真實的換熱量；6）比較兩個Q值，滿足精度要求，則結束;否則，重新假定出口溫度，重復(1)～(6)，直至滿足精度。2023/2/671-27用效能-傳熱單元數(shù)法計算換熱器的步驟設計計算:及進出口溫度中的三個，求已知顯然，利用已知條件可以計算出，而待求的k，A則包含在NTU內，因此，對于設計計算是已知，求NTU，求解過程與平均溫差法相似，不再重復。校核計算:及兩個進口溫度，求已知由于k事先不知，故仍需假設一出口溫度，具體如下：2023/2/671-28②利用四個進出口溫度計算定性溫度，確定物性，并結合換熱器結構，計算總傳熱系數(shù)k③利用k,A計算NTU④利用NTU計算⑤分別利用Q=kAΔtm和Q＝ε(Gc)min(t’1-t’2)計算Q⑥比較兩個Q，是否滿足精度，否則重復以上步驟①假設一個出口溫度t”，利用熱平衡式計算另一個t”2023/2/671-29效能-傳熱單元數(shù)法，假設的出口溫度對傳熱量Q的影響不是直接的，而是通過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而影響NTU，并最終影響Q值。而平均溫差法的假設溫度直接用于計算Q

值，顯然-NTU法對假設溫度沒有平均溫差法敏感，這是該方法的優(yōu)勢。四、對數(shù)平均溫差法與效能-傳熱單元法的比較對數(shù)平均溫差法，可根據(jù)溫差修正系數(shù)判斷選擇的流動形式與逆流的差距。而-NTU法不能。對數(shù)平均溫差法反復進行對數(shù)計算，較-NTU法麻煩2023/2/671-306.5表面式冷卻器的熱工計算一、表冷器處理空氣時發(fā)生的熱質交換特點濕工況中空氣與表冷器之間不但發(fā)生顯熱交換，而且也發(fā)生質交換和由此引起的潛熱交換干工況

當冷卻器表面溫度低于被處理空氣的干球溫度，但高于其露點溫度時，空氣只被冷卻而并不產生凝結水。該過程稱為等濕冷卻過程或干冷過程。濕工況

如果冷卻器的表面溫度低于空氣的露點溫度，則空氣不但被冷卻，而且其中所含水蒸汽也將部分地凝結出來，并在冷卻器的肋片管表面上形成水膜。這種過程稱為減濕冷卻過程或濕冷過程。2023/2/671-31熱質交換規(guī)律符合劉伊斯關系式這時推動總熱交換的動力是焓差，而不是溫差。即總熱交換量為（麥凱爾方程）由溫差引起的熱交換量為換熱擴大系數(shù)（析濕系數(shù)）表示由于存在濕交換而增大了的換熱量2023/2/671-32濕工況時換熱公式:干工況時換熱公式:干、濕工況換熱公式表明:出現(xiàn)凝結水時，相當于有肋外表面換熱系數(shù)比干工況增大了ξ倍。2023/2/671-33通過肋壁的傳熱肋壁面積：穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：肋面總效率二、表冷器的傳熱系數(shù)2023/2/671-34干工況下以內表面積為計算基準時：肋化系數(shù):濕工況時換熱公式:可認為由于水分凝結，外表面換熱系數(shù)比干工況增大了ξ倍。2023/2/671-35因此，濕工況條件下，以內表面積計算時，傳熱系數(shù)的表達式為：2023/2/671-36

對于一定結構的表冷器，影響傳熱系數(shù)的主要因素為內、外表面的換熱系數(shù)和析濕系數(shù)，而外表面的換熱系數(shù)與空氣的迎面風速Vy有關，內表面的換熱系數(shù)與管內的水流速ω有關，析濕系數(shù)與被處理空氣的初狀態(tài)和管內水溫有關。表冷器傳熱系數(shù)的實驗公式：其中：Vy-空氣通過表冷器時的迎面風速,m/s；w-水在表冷器管內流速，m/s2023/2/671-37三、表冷器的熱工計算分為設計性計算和校核性計算兩種類型。設計性計算用于選擇表冷器，而校核計算多用于檢查已有的表冷器能將一定初參數(shù)的空氣處理到什么樣的終參數(shù)。表冷器熱交換系數(shù)和接觸系數(shù)定義：1）熱交換系數(shù)（即傳熱效能）2023/2/671-38t1，t2：處理前，后空氣的干球溫度℃；

tw1：冷卻水初溫℃ε1的定義式同時考慮了空氣和水的狀態(tài).熱容比Cr

傳熱單元數(shù)NTU表冷器一般可視為逆流流動，故：2023/2/671-39

ε1實質上就是換熱器的傳熱效能ε

對于表冷器的濕工況而言，由于質交換使總換熱量增加了ζ倍，即dQt=ζdQ=ζGCpdt，表明：相當于空氣的熱容量增大了ζ倍.123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12）表冷器接觸系數(shù)其中t3為接觸時間足夠長時空氣終態(tài)的干球溫度。利用相似三角形上式也可寫成2023/2/671-40只考慮了空氣的狀態(tài)變化物理意義？？利用相似三角形對應邊成比例的關系：接觸系數(shù)的近似表達式：123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12’1’2023/2/671-41在表冷器上取一微元面積dA代入劉伊斯關系式得：ii1i2i3i3dAdiA積分得：2023/2/671-422023/2/671-43肋通系數(shù)a給定表冷器，則肋通系數(shù)a為定值，空氣物性近似為常數(shù)，hw通常與Vy成正比，因此：見p285附錄6-42023/2/671-44即ε2隨著N的增加而變大，隨著υy的增加而變小。雖然ε2隨N增加和Vy減小而增大，但：（1）N增加也將使空氣阻力增加。而N過多時，后面幾排還會因為冷水與空氣之間溫差過小而減弱傳熱作用，故排數(shù)不宜過多。一般多用4-8排。（2）Vy過低，則冷卻器尺寸變大，初投資增加。

Vy過高，ε2減小，空氣阻力大，可能攜帶冷凝水進入送風系統(tǒng)，影響送風參數(shù)。比較合適的Vy值為2～3m/s，當Vy>2.5m/s時，一般在表冷器的后面要裝擋水板。2023/2/671-453）表冷器熱工計算的主要原則計算選擇的表冷器應滿足：①該冷卻器能達到的ε1、ε2應該等于空氣處理過程需要的ε1

、ε2

；②該冷卻器能吸收的熱量應該等于空氣放出的熱量計算可利用的公式：2023/2/671-46表冷器設計計算步驟：設計計算：已知：空氣的G,(t1,i1),(t2,i2)求表冷器的KA（型號、結構、臺數(shù)、排數(shù)等）、冷水tw1,tw2(或冷水量w、冷量Q等)校核計算：已知：空氣的G,(t1,i1),表冷器的KA（型號、結構、臺數(shù)、排數(shù)等）、冷水tw1,

冷水量w求空氣(t2,i2),冷水tw2,(冷量Q)無論哪種類型，未知數(shù)一般為3個，可以進行計算。表冷器阻力計算部分公式見p282附錄6-3。P180例題4)關于安全系數(shù)的考慮

增大面積或降低水溫2023/2/671-47

1、空氣加熱器的熱工計算空氣加熱器中所用熱媒可以是熱水或蒸汽。因此只有顯熱交換，故熱工計算較簡單。只要加熱器供給的熱量等于加熱空氣需要的熱量即可。以熱水為熱媒的空氣加熱器，其傳熱系數(shù)公式為:實際工程中，也可整理成右上式的形式（ζ=1），6.6其它間壁式熱質交換設備的熱工計算由于空氣被加熱時溫度度化導致的密度變化較大，故一般用質量流速vρ較之于迎面風速vy更多，故實際應用中，以熱水為熱媒時傳熱系數(shù)整理如下形式；

對于以蒸汽為熱媒的空氣加熱器，可不考慮蒸汽流速的影響，故傳熱系數(shù)整理成：式中：都由實驗給出的常數(shù)，無因次

空氣加熱器的熱工計算也分為設計計算和校核計算，計算方法有平均溫差法和熱交換效率法兩種：1）平均溫差法已知被加熱空氣量Gkg/s，加熱前后空氣溫度t1，t2，則加熱空氣所需熱量為：Q=GCp（t2－t1）而空氣加熱器的供熱量為：Q/=KA△tm，△tm一般常用算術平均溫度△tp當熱媒為熱水時：當熱媒為蒸汽時：（tq為蒸汽溫度）

計算步驟：（設計計算）①初選加熱器的型號先假定空氣質量流速vρ，則加熱器的有效截面積為f=G/vρ

從傳熱系數(shù)實驗公式知，vρ↑→k↑→A↓→設