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1、第六章 间壁式热质交换设备的热工计算,71-1,2019/10/19,内 容,间壁式热质交换设备的形式与结构,6.1,间壁两侧流体传热过程分析,6.2,总传热系数与总传热热阻,2019/10/19,热工计算常用计算方法,其它间壁式热质交换设备的热工计算,表面式冷却器的热工计算,6.3,6.4,6.5,6.6,71-2,套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形。,6.1 间壁式热质交换设备的形式与结构,2019/10/19,71-3,管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。
2、两种流体分管程和壳程。,单壳程、单管程,2019/10/19,71-4,增加管程,单壳程、双管程,2019/10/19,71-5,进一步增加管程和壳程,3-6型,双壳程、四管程,2019/10/19,71-6,交叉流换热器： 其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。,2019/10/19,71-7,2019/10/19,71-8,2019/10/19,71-9,板式换热器： 由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。,2019/10/19,71-10,螺旋板式换热器： 换热表
3、面由两块金属板卷制而成。优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。,1,2,1,1,2,2,2019/10/19,71-11,例如，空调工程中处理空气的表冷器， 一般在空气侧加装各种形式的肋片,间壁式换热器种类和型式的不同,换热设备两端流体的不同,2019/10/19,71-12,2019/10/19,71-13,表冷器工作过程,2019/10/19,71-14,内部对流：,圆柱面导热：,外部对流：,上三式相加：,6.2 间壁两侧流体传热过程分析,2019/10/19,71-15,6.3 总传热系数与总传热热阻,其中：,单位管长的总热阻为:,其中i表示内表面，o表示外表面,2019/10/19,7
4、1-16,单位管长外表面面积,单位管长内表面面积,对于外表面,对于内表面,2019/10/19,71-17,考虑污垢热阻（污垢热阻某种情况下影响很大）,对于平壁，考虑其两侧的污垢热阻后，总热阻为,对于圆管，考虑垢热阻后，以外表面为计算面积的总传热系数为：,基于内表面,2019/10/19,71-18,实验可以测定总表面传热系数,确定传热过程分热阻的威尔逊图解法,以外表面为计算基准的总传热系数为：,其中Rw和Rf分别为管壁与污垢热阻,2019/10/19,71-19,工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍流状态，hi与流速ui0.8成正比，因此，可以写成 hi = ciui0.8 的形式
5、，代入前式：,如果能保持ho不变，Rw壁面的导热热阻不会变化，Rf在短时间内不会有大的改变，因此，上式右边前三项可认为是常数，用 b 表示，在物性不变的情况下，可以认为do/(dici)是常数，用m表示，于是上式可变为:,2019/10/19,71-20,改变管内流速ui，则可以测得一系列的总表面传热系数，然后绘制成图。,b主要是与热阻有关的常数,2019/10/19,71-21,从图可得b，m，和ci，从而管子内侧的hi为,这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来。,当干净换热器运行一段时间后，再进行同样过程的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻Rf分离
6、出来了。,已知Rw和Rf，则可确定ho。ho亦可实验确定。,b,O,1/ko,1/ui0.8,2019/10/19,71-22,6.4 换热器热工计算常用计算方法,6.4.1 换热器热工计算的基本公式 传热方程式: Q=KAtm 热平衡方程式: Q=G1c1（t1-t1”）=G2c2（t2”-t2）,通常：1-热流体；2-冷流体,2019/10/19,71-23,24,6.4.2 对数平均温差法,2019/10/19,71-24,传热方程的一般形式：,当温差 沿整个壁面不是常数时，比如等壁温条件下的管内对流换热，以及我们现在遇到的换热器等，需要用到平均温差。,2019/10/19,71-25,
7、以顺流情况为例，并作如下假设： （1）冷热流体的质量流量G2、G1以及比热容c2, c1 是常数； （2）传热系数k沿流动方向是常数； （3）换热器无散热损失； （4）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。,要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化，即 ，然后再沿整个换热面积进行平均,2019/10/19,71-26,在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，分析图中微元换热面dA一段的传热。温差为：,在面dA内，两种流体的换热量为,对于热流体（温度降低方向）:,对于冷流体（温度升高方向） :,2019/10/19,71-27,沿整个换热面的平均温差为：,20
8、19/10/19,71-28,对数平均温差,2019/10/19,71-29,顺流：,逆流时：,对热冷流体温度均是降低方向，于是有：,2019/10/19,71-30,其他过程和公式与顺流是完全一样，最终仍然可以得到：,2019/10/19,71-31,顺流和逆流的区别在于：,可将对数平均温差写成如下统一形式(顺流和逆流都适用):,顺流：,逆流：,2019/10/19,71-32,平均温差更为简单的形式是算术平均温差，即,算术平均温差,算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差， 当 时，两者的差别小于4(3.8%)； 当 时，两者的差别小于2.3。,201
9、9/10/19,71-33,其他复杂布置时换热器平均温差的计算,实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又是顺流。对于这种复杂情况，数学推导将非常复杂。,（tm）ctf 是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的对数平均温差，是小于1的修正系数。见图。,逆流的平均温差最大，因此，可对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其他情况下的平均温差：,2019/10/19,71-34,（1） 取决于无量纲参数 P和 R,式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标 表示进口， 表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。,（3）R的物理意义： 两种流体的热容量之比,（2）P的物理意义：流体2的
10、实际温升与理论上所能达到的最大温升之比，所以只能小于1,（4）对管壳式换热器，查图需注意流动的“程”数,关于的注意事项,2019/10/19,71-35,6.4.3 效能-传热单元数法（-NTU法）,换热器热工计算的基本公式: Q=KAtm ; Q=G1c1（t1-t1”）=G2c2（t2”-t2）,将方程式无因次化：-NTU法,八个变量:Q，KA，G1c1， G2c2， t1，t1”，t2”，t2。,2019/10/19,71-36,三个无因次量：,热容比（或水当量比Cr ）：,传热单元数NTU：,传热效能：,2019/10/19,71-37,换热器的效能定义:,物理意义：,如果已知了效能
11、和冷热流体的进口温差，则Q：,-NTU法推导：,2019/10/19,71-38,如何计算？和哪些因素有关？以顺流换热器为例，并假设:,又,根据热平衡式得,于是,2019/10/19,71-39,两式相加,2019/10/19,71-40,上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：,上面两个公式合并，可得：,2019/10/19,71-41,换热器效能公式中的kA依赖于换热器的设计，(GC)min则依赖于换热器的运行条件，因此， kA / (GC)min在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数NTU，即,因此，,与顺流类似，逆流时：,2019/10/1
12、9,71-42,于是效能公式可简化为,当两种流体的热容相等时，即,顺流：,逆流：, 公式可以简化为,当冷热流体之一发生相变时，相当于(GC)max,即,2019/10/19,71-43,管束曲折次数超过4次的蛇形管，可作为纯顺流或纯逆流对待。,P173 表6-1，图6-116-16,2019/10/19,71-44,平均温差法; 效能-传热单元数,平均温差法步骤：直接用传热方程和热平衡方程进行计算,换热器的热计算有两种方法：,设计计算：,1）初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数K；,2）根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度；,3）由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差
13、；,4）由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力；,5）如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。,（已知G1,c1,G2,c2，及进出口温度中的三个,求K, A ）,2019/10/19,71-45,校核计算：,（已知A, G1, c1, G2, c2，两个进口温度，求t”1 , t”2 ）,1）先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度;,2）根据4个进出口温度求得平均温差tm;,3）根据换热器结构，算出相应工作条件下的总传热系数k;,4）已知k，A和tm，按传热方程式计算在假设出口温度下的Q；,5）根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个Q，这个值和上面的
14、Q，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量；,6）比较两个Q值，满足精度要求，则结束; 否则，重新假定出口温度，重复(1)(6)，直至满足精度。,2019/10/19,71-46,用效能-传热单元数法计算换热器的步骤,设计计算:,显然，利用已知条件可以计算出 ，而待求的k，A则包含在NTU内，因此，对于设计计算是已知 ，求NTU，求解过程与平均温差法相似，不再重复。,校核计算:,由于k事先不知，故仍需假设一出口温度，具体如下：,2019/10/19,71-47, 利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数k, 利用k, A计算NTU, 利用NTU计
15、算 , 分别利用Q=kAtm和Q(Gc)min(t1-t2)计算Q, 比较两个Q，是否满足精度，否则重复以上步骤, 假设一个出口温度t”，利用热平衡式计算另一个t”,2019/10/19,71-48,效能-传热单元数法，假设的出口温度对传热量Q的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响 Q值。而平均温差法的假设温度直接用于计算Q 值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。,6.4.4 对数平均温差法与效能-传热单元法的比较,对数平均温差法，可根据温差修正系数判断选择的流动形式与逆流的差距。而-NTU法不能。,对数平均温差法反复进行对数
16、计算，较-NTU法麻烦,2019/10/19,71-49,6.5 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,湿工况中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,干工况 当冷却器表面温度低于被处理空气的干球温度，但高于其露点温度时，空气只被冷却而并不产生凝结水。该过程称为等湿冷却过程或干冷过程。,湿工况 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，而且其中所含水蒸汽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。,2019/10/19,71-50,热质交换规律符合刘伊斯关系式,这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（麦凯尔方程）,由温差引起的热交换量为,换热扩大
