間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計(jì)算第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五熱質(zhì)交換設(shè)備

在暖通空調(diào)等許多工程應(yīng)用中，經(jīng)常需要在系統(tǒng)和它的周圍環(huán)境之間或在同一系統(tǒng)的不同部分之間傳遞熱量和質(zhì)量。這種以在兩種流體之間傳遞熱量和質(zhì)量為基本目的的設(shè)備稱為熱質(zhì)交換設(shè)備。在設(shè)備中，有時僅有熱量傳遞，有時熱量傳遞與質(zhì)量傳遞同時發(fā)生。

第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五本章主要內(nèi)容間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的形式和結(jié)構(gòu)間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備熱工計(jì)算常用計(jì)算方法表面式冷卻器的熱工計(jì)算其他間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計(jì)算第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五6.1熱質(zhì)交換設(shè)備的形式和結(jié)構(gòu)表冷器、噴淋室、蒸汽加濕器、吸收吸附設(shè)備、轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管等蒸發(fā)器、冷凝器、冷卻塔等散熱器、暖風(fēng)機(jī)、蒸汽加熱器、熱水加熱器過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、除氧器等如何分類？第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五1.按工作原理分類：間壁式（表面式）：熱、冷介質(zhì)在各自的流道中連續(xù)流動完成熱量傳遞任務(wù)，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(fēng)機(jī)、燃?xì)饧訜崞?、冷凝器、蒸發(fā)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(zhì)量后，在理論上應(yīng)變成同溫同壓的混合介質(zhì)流出，因而傳熱傳質(zhì)效率高。噴淋室、蒸汽噴射泵、冷卻塔、蒸汽加濕器、熱力除氧器第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五按工作原理分類：蓄熱式（回?zé)崾健⒃偕剑航柚晒腆w構(gòu)件（填充物）組成的蓄熱體傳遞熱量。煉鋼廠的熱風(fēng)爐、鍋爐的中間熱式空氣預(yù)熱器、全熱回收式空調(diào)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第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五水表冷器散熱器間壁式（表面式）：第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五間壁式（表面式）：第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五間壁式（表面式）：第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五二.間壁式換熱器的形式與結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)呢？第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五Tw6.2間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析tt’tbtwTbTT’溫度冷流體熱流體第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五機(jī)理：由熱流體主體以對流的方式傳遞到間壁內(nèi)側(cè)；以導(dǎo)熱的方式穿過間壁；由間壁外側(cè)以對流的方式傳遞至冷流體主體。溫度分布曲線：間壁內(nèi)熱傳導(dǎo)只有一種分布規(guī)律；間壁兩側(cè)呈三種分布規(guī)律：直線——曲線——較平坦曲線實(shí)際應(yīng)用：有效膜內(nèi)導(dǎo)熱，溫度分布為直線。間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五6.3總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻面積為A的總傳熱熱阻：單位管長總熱阻：第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五對外表面對內(nèi)表面其中K0A0=KiAi

單位管長的內(nèi)外表面積分別為πdi和πd0第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五對于平壁，考慮其兩側(cè)的污垢熱阻后，總熱阻為把管子內(nèi)、外表面的污垢熱阻包括進(jìn)去之后，對于外表面，總傳熱系數(shù)可表示為注：Rf取決于運(yùn)行溫度、流體速度及換熱器工作時間。第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五利用數(shù)據(jù)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，利用熱平衡方程式獲得熱流量，換熱面積可以根據(jù)設(shè)計(jì)情況獲得，通過傳熱方程式計(jì)算出總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)?？倐鳠釤嶙柚械膶α鲹Q熱熱阻和污垢熱阻通過實(shí)驗(yàn)求得。確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五工業(yè)換熱器中的管內(nèi)流體的流動一般都是處于旺盛湍流狀態(tài)，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?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以表示成：第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五上式右邊的前三項(xiàng)可認(rèn)為是常數(shù)，用b表示，物性不變的情況下，可以認(rèn)為是常數(shù)，用m表示，于是上式可變?yōu)楦淖児軆?nèi)流速u，則可以測得一系列的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后繪制成圖，則是一條直線，如圖(6-3)所示第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五從這個圖中可以獲得b，m，和ci，從而，管子內(nèi)側(cè)的對流換熱系數(shù)這樣就將內(nèi)部熱阻從總傳熱系數(shù)中分離出來，然后，當(dāng)換熱器運(yùn)行一段時間后，再進(jìn)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。第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五威爾遜圖解法可以求解分熱阻由b求解出殼側(cè)換熱系數(shù)h0；由m求出Ci，從而得到管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)hi；污垢熱阻Rf。arctanmbRf第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五6.4換熱器熱工計(jì)算常用計(jì)算方法對數(shù)平均溫差法（LMTD）效能—傳熱單元數(shù)法（ε-NTU）基本公式：第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五1.平均溫度差法第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五⑴順流(a)和逆流(b)其中：(a)順流：(b)逆流：第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相同進(jìn)出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng)時，兩者的差別小于4％；當(dāng)時，兩者的差別小于2.3％。算術(shù)平均溫差第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五殼管式及交叉流換熱器的平均溫差計(jì)算方法查圖求Ψ值：Ψ值取決于兩個無量綱參數(shù)P及R。物理意義：參數(shù)R代表兩種流體熱容量之比。參數(shù)P代表該換熱器中流體2的實(shí)際溫升與理論上所能達(dá)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(shù)。當(dāng)R接近4時,用PR和1/R分別代替P和R查圖。第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五設(shè)計(jì)計(jì)算：(1)根據(jù)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(shù)，可以直接進(jìn)入下一步；如果沒有給出總傳熱系數(shù)，則進(jìn)入迭代程序，首先初選應(yīng)道布置方案(包括選取管徑、管數(shù)及流程數(shù)，確定流速等)，并計(jì)算兩側(cè)流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)。(3)根據(jù)進(jìn)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(jì)算，直到兩者基本一致為止。第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五校核計(jì)算：假設(shè)任意一側(cè)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(jù)流量、傳熱面積和已知的流道布局，求出對數(shù)平均溫差并確定總傳熱系數(shù)。(3)分別按式計(jì)算傳熱量，如果兩個結(jié)果不一致，修改原出口溫度假設(shè)值，重新計(jì)算直至兩者在允許的誤差范圍內(nèi)一致為止。這個選代過程僅對出口溫度進(jìn)行，而不牽涉換熱面的布局，因此選代次數(shù)有限。也可以通過編程實(shí)現(xiàn)自動迭代運(yùn)算。第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五2.效能-傳熱單元數(shù)法

1)換熱器效能εε為換熱器實(shí)際傳熱量Φ與最大可能傳熱量Φmax

之比。即：第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五2)傳熱單元數(shù)NTU：傳熱單元數(shù)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(guān)系任何換熱器都存在以下形式的無量綱函數(shù)關(guān)系：第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五4)計(jì)算步驟設(shè)計(jì)計(jì)算：(1)根據(jù)能量守恒關(guān)系求出未知出口溫度；(2)初選流道布置方案并計(jì)算兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)；(3)根據(jù)進(jìn)出口溫度求出換熱器的效能以及兩側(cè)流體的熱容比；(4)根據(jù)指定或選定的流動方式選擇相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式或圖線，求出NTU值，進(jìn)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(jì)算，直到兩者基本一致為止。第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五校核計(jì)算：(1)根據(jù)已知傳熱面積、總傳熱系數(shù)和較小側(cè)熱容可直接求出NTU值；(2)由熱容比和NTU值，選取對應(yīng)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(cè)流體的出口溫度，再由能量守恒關(guān)系式得到另一個出口溫度。第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五3.兩種方法比較相同點(diǎn)：設(shè)計(jì)計(jì)算校核計(jì)算不同點(diǎn)：LMTD法：逆流×溫差修正系數(shù)（有利于流動形式的改進(jìn)；但對數(shù)計(jì)算較麻煩）ε-NTU法：K已知時求解方便。第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五6.5表面式冷卻器的熱工計(jì)算1.表冷器處理空氣時發(fā)生的熱質(zhì)交換的特點(diǎn)

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(jié)水析出的多少，因此，又稱為析濕系數(shù)。顯然，干工況的ξ=1?？偀峤粨Q量：顯熱交換量：第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五析濕系數(shù)ξ理論表達(dá)式第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五2.表冷器的傳熱系數(shù)（干工況）（濕工況）結(jié)論：對于既定結(jié)構(gòu)的表冷器，影響其傳熱系數(shù)的主要因素為其內(nèi)、外表面的換熱系數(shù)和析濕系數(shù)。（實(shí)際工況）第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五3.表冷器的熱工計(jì)算表冷器的熱交換效率（同時考慮空氣和水的狀態(tài)變化）實(shí)質(zhì)：換熱器的傳熱效能第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五表冷器的熱交換效率表明相當(dāng)于空氣的熱容量增大了ξ倍。（逆流）第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五表冷器的接觸系數(shù)只考慮空氣的狀態(tài)變化第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五或因?yàn)?Gdi=hm(i-i3)dA和hm＝hw/cp第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五如果將G=AyVyρ代入上式，則：肋通系數(shù)代入上式即ε2=f（Vy，N）

結(jié)論：增加排數(shù)和降低迎面風(fēng)速都能增加表冷器的接觸系數(shù)。第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五表冷器熱工計(jì)算的主要原則該冷卻器能達(dá)到的ε1應(yīng)該等于空氣處理過程需要的ε1；該冷卻器能達(dá)到的ε2應(yīng)該等于空氣處理過程需要的ε2；該冷卻器能吸收的熱量應(yīng)該等于空氣放出的熱量。第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五表冷器熱工計(jì)算的主要原則定義式空氣處理需要的計(jì)算式冷卻器能達(dá)到的實(shí)際影響因素第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五表冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟計(jì)算需要的接觸系數(shù)ε2，確定表冷器的排數(shù)、型號、臺數(shù)；求析濕系數(shù)求傳熱系數(shù)求冷水量求表冷器能達(dá)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）第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五表冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算思路由已知條件計(jì)算ε2，查附錄5-4，確定表冷器型號；假定迎風(fēng)速度范圍：2~3m/s計(jì)算析濕系數(shù)，為計(jì)算NTU和Cr；求K，去計(jì)算NTU，從而求ε１；假定水流速范圍:1~4m/s求冷水質(zhì)量流量；計(jì)算NTU和Cr，查圖得ε１；求水初終溫第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五【例6-1】簡化和要點(diǎn)

已知被處理的空氣量G為8.33kg/s；空氣初參數(shù)為t1、i1、ts1、φ1；終參數(shù)為t2、i2、ts2、φ2；選擇JW型表冷器，已知其迎面風(fēng)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(shù)為0.950，求此表冷器的吸濕系數(shù)、進(jìn)出水溫和水量。第四十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五五、其它間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計(jì)算1.空氣加熱器的熱工計(jì)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(jì)算原則：Q需=Q供對數(shù)平均溫差法

第四十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五【例6-3】空氣加熱器設(shè)計(jì)計(jì)算初選加熱器型號：假設(shè)空氣質(zhì)量流速（v