《热能与动力机械基础第2版 教学课件 ppt 作者 王中铮 主编 1 第八章 换热与蓄热装置》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热能与动力机械基础第2版 教学课件 ppt 作者 王中铮 主编 1 第八章 换热与蓄热装置（106页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章 换热与蓄热装置,8.1 换热器的结构与传热计算,8.3 热能储存原理,8.2 换热器设计计算基本方法,8.4 蓄热技术的应用及蓄热器热设计,8.1 换热器的结构与传热计算,8.1.1 换热器分类 随冷、热流体接触的方式不同，换热器分为间壁式(也称表面式)直接接触式和蓄热式三种。 间壁式换热器其工作原理是热流体将热量传递给冷流体要通过一层固体壁，如锅炉中的省煤器，各种废热锅炉以及油冷却器等。 直接接触式换热器如图8-1，火力发电站用的双曲线壳体型循环水冷却塔。,图8-1 自然通风循环水冷却塔示图,1冷却水喷淋装置 2填料 3冷却风,插图8-1 火电厂用双曲线型循环水冷却塔,蓄热式(或称再
2、生式、回热式)换热器利用固体壁面的蓄热作用，让冷、热流体交替流过固体壁面，达到热量传递的目的。如图2-39所示空气预热器就属回转型。蓄热式换热器还可分为回转型、阀门切换型和蓄热体颗粒移动型三种型式 。,8.1.2 间壁式换热器的型式和基本构造 间壁式换热器是应用最广泛的一类换热器，有多种分类法。 按工作流体间的相对流动方向可分为顺流(或并流)、逆流、错流和混流多种方式，见图8-2； 按流程数量可分为单程和多程换热器，如图8-3。 按传热表面几何形状可分为很多种，见图8-4。,图8-2 流体流动方式,顺流 b) 逆流 c) 错流 d) 总趋势为逆 流的四次错流 e) 先顺后逆的平行混流 f )
3、先逆后顺的串联混流,图8-3 单程和多程换热器,(1-1型)单程换热器 b) (1-2型)多程换热器,图8-4 间壁式换热器的结构型式,盘管形 b) 螺旋板式 c) 板式换热器 d) 板翅式换热器 e) 翅片式换热器 f) 热管式换热器 g) 针形换热器 h) 蜂窝形换热器 i) 组合式换热器 j )板壳式换热器,管壳式换热器是最常用的一种结构型式。 最常见的管壳式换热器有固定管板式(列管式)、浮头式、U形管和双套管式几种，见图8-5。,图8 -5 管壳式换热器结构型式,a) 列管式 b) 双套管式 c) U形管式 d) 浮头式,插图8-2 管壳式换热器 (换热器端盖已打开 ),插图8-3 U
4、形管换热器,插图8-4 螺旋板式换热器,插图8-5 板式换热器,插图8-6 板翅式换热器,插图8-7 翅片管式换热器,8.1.3 换热器传热计算的基本公式 换热器传热计算的基本公式为传热方程和热平衡方程，即传热方程 热平衡方程,换热器计算中，传热系数K的计算式因不同型式而异。对于管壳式换热器，可按以下近似式计算： 上式是在壁面清洁的情况下，若壁有结垢时还应考虑垢层的热阻。 当换热器材质为金属时，通常 甚小，通常可略去，这时传热系数K为：,换热器内流体的换热有对流换热和辐射换热，通常可只考虑对流换热，但在有高温气体时，则高温气体侧应同时考虑对流和辐射，即 式中， 为对流放热系数 ； 为辐射放热系
5、数 。,1 对流换热系数 （1） 流体在管内流动时 1) 层流 适用范围为,2) 湍流 式中，流体被加热时， ； 流体被冷却时， 。 适用范围为 光滑管道 不大。,（2）流体在非园管内(如：方形、锯凿形、波纹形等流道)及在具有折流板的流道内(为管壳式换热器中壳侧流道)流动时。 每一种流道都有它各自的计算对流换热系数的关系式，读者可查阅专门书籍。 （3）流体定向冲刷管束时 不同情况下其计算式也就不同。,今举一例为气流横向冲刷顺列管束，此时的对流放热系数为 为考虑管束相对节距影响的修正系数，按下式计算：,为烟气行程方向上管排数的修正系数， 当 时， 当 时， 、 、 亦可按线算图8-6查取和确定。
6、,图8-6 气流横向冲刷顺列光管管束的对流放热系数,2 辐射换热系数 取管壁黑度 ，然后用管束黑度 代替管壁黑度 来考虑烟气与 管壁之间的多次反射和吸收；计算烟气黑度时，对于气体和液体燃料只考虑三原子气体，对于固体燃料则应同时考虑三原子气体和气流中的灰粒辐射，得出：,对含灰气流 对不含灰气流：,（1）烟气黑度的计算按下式进行： 式中，kps为烟气的辐射吸收率，其值用下式计算,1) 烟气中三原子气体辐射减弱系数用下式计算： 2) 飞灰的辐射减弱系数用下式计算,3) 有效辐射层厚度根据具体情况用以下几个公式计算： 对对流管束受热面 对转弯室空间 对管式空气预热器,（2）管壁灰污温度 为温度附加值，
7、烟温大于400时取 ，烟温小于等于400时 ，燃用气体燃料时 。 图8-7是辐射放热系数的线算图，根据所求值和图中所查 值便可得到辐射放热系数 。,对含灰气流,对不含灰气流,图8-7 辐射放热系数,8.2 换热器设计计算基本方法,8.2.1 设计计算与平均温差法 换热器设计中，无论采用何种方法均基于两个基本方程，即 传热方程 热平衡方程 换热器设计中，两种方法： 平均温差法（LMTD法）常用于设计计算； 效能传热单元数法( 法)常用于校核计算。,平均温差法用于设计计算，其具体步骤如下： 1）由热平衡方程式求出冷热流体中另一个未知温度和传热量Q。 2）求出传热的平均温差 。 3）求出传热系数K，
8、用传热方程求出F.,图8-8为换热器内顺流和逆流情况下，流体温度沿传热面积变化的示图，根据定义平均温差为 (8-21) 则可求得顺流、逆流的平均温差为： 或,a) 顺流 b) 逆流,图8-8 流体温度沿传热面的变化,表8-1 温差修正系数的确定,当 时，用算术平均温差，即 其它流动方时，乘以修正系数 ，即 式中， 可用式(8-23)按逆流情况下求得。 值可用表8-1和图8-9图8-11。,图8-9 串联混流的温差修正系数,图8-10 并联混流的温差修正系数,1两个流程均顺流 2三个流程中两个 顺流，一个逆流 3偶数流程，顺逆 流各半 4三个流程中一个 顺流，两个逆流 5两个流程均为逆 流(参阅
9、表8-1),1一次错流 2二次错流 3三次错流 4四次错流 (参阅表8-1),图8-11 错流温差修正系数,例8-1 用流量 ，比热容 入口温度 出口温度 的水，将比热容 的产品 (流量为 )从 冷却到 。计算顺流和逆流时换热器(冷凝器)的对数平均温差及所需的冷却面积，传热系数 。,解：1) 顺流时 所以,热负荷 传热面积,2) 逆流时 由本例可见，在相同流量、相同进出口流体温度下，逆流要比顺流所需的传热面积小。,8.2.2 效能传热单元法( 法) 1、换热器效能 实际换热量与最大可能换热量之比，称为换热器效能，通常以 表示，即 最大可能换热量为：,如果 ，则 为 如果 ，则 为,2、传热单元
10、数 在传热系数K为定值，不考虑热损失的情况下，根据热平衡及传热方程有： 则 把两式中的数群 定义为传热单元数。常以“NTU”表示，即,3、效能与传热单元数之间的关系 根据对数平均温差的表达式和热平衡方程式可推导出顺流型效能与传热单元数之间的关系式为： 式中 逆流时则为 对于各种不同流动组合方式的换热器，都可推导出 、NTU和 之间的函数关系，并整理成图线，见图8-12、图8-13。,图8-12 纯逆流型效能线算图,a) 两流体各自均有横向混合,b) 一流体有横向混合 另一流体无横向混合,c) 两流体各自均无横向混合,图8-13 错流型效能线算图,例8-2 有管式空气预热器，烟气在管内流动，并在
11、管程间有横向混合，见图8-14。 已知换热面积 ，传热系数 ，烟气热容量 ，入口温度 ，空气热容量 ，入口温度 ，求烟气及空气的出口温度。,图8-14 管式空气预热器例图,解：总传热单元数 热容量比 因二次交叉两段传热系数及传热面积相等，故 每段分传热单元数,查与本题相应的一次交叉流型的线算图4-44b得分传热单元效能数 由文献6知，对于本例所示两次错流情况，效能数为 根据效能定义可得空气出口温度为,根据热平衡方程式,8.2.3 换热器热力设计的方法与步骤 设计计算给定的量通常为： 、 及四个进口温度中的三个，求所需换热面积F。 校核计算给定的量通常为：F、 、 及和 ，求出口温度 和 或者能
12、传递的热量Q。 平均温差法和效能传热单元数法的设计步骤见表8-2和表8-3。,表8-2 换热器设计计算步骤,表8-3 换热器校核计算步骤,8.3 热能储存原理,8.3.1 儲能作用、方法与要求 儲能，又称蓄能。 儲能过程是一个充能或放能过程，其间要发生物理或化学反应。 儲能（系统）的基本任务是克服能量的供应和需求之间在数量上形态上和时间上的差别。,儲能（系统）作用： 1、满足用能的需要，提供所需求的能量。 2、防止能量品质的自动恶化。 3、适应负荷的变化，改善能源转换过程的性能。 4、有利于方便经济地使用能量。 5、有利于新能源的利用，减少污染，保护环境。,儲能的方法如按被储存的能量形式的不同
13、来分，则有： 1、热能显热储存、潜热储存、热化学法储存。 2、电能有以势能及动能形式储存的飞轮儲能；电容器储存；对蓄电池充电的化学儲能等。 3、化学能如合成燃料、化石燃料。 4、电磁能超导线圈儲能。,儲能系统应具有如下特性： 1、单位容积所储存的能量要高，即系统尽可能储存多的能量。 2、良好的负荷调节性能，以随时满足用能方的需要。 3、高的能源储存效率。 4、系统成本低、长期运行可靠。,8.3.2 热能储存原理 热能储存又称蓄热。 有低温蓄热（温度100），中温蓄热（100250）和高温蓄热（250以上）及蓄冷（低于环境温度时的热能储存，如冰蓄冷）。 热能储存方法： 物理方法显热储存、潜热储存
14、 化学方法热化学法储存。,（一）显热储存 在无相变的条件下，利用物质因温度变化而发生吸热（或放热）来进行储热。 设储能物质的质量为m，比热容为c，温度变化为（T2-T1）,则显热为 Qm c（ T2-T1 ）,显热储存为最简单、最成熟、材料来源最丰富、成本最低廉，应用最普遍。根据所用材料的不同可分为液体显热储存和固体显热储存。 常用的显热储存物质是水、土壤、岩石和溶盐等。部分显热蓄热物质的热性能参数可参见表8-4及表8-5。,表8-4 显热蓄热物质例表,表8-5 液体显热蓄热物质的使用温度范围,图8-15所示的以水箱为蓄热器的太阳能系统就是显热储存的典型实例。水箱的热平衡方程为 该式表明，水箱内热量的增量等于集热器中水传给水箱的热量与热负荷和水箱热损失之差。式中仅水箱水温为未知数，用数值解法即可求得水箱水温随时间变化的关系。,图8-15 以水箱为储热器的太阳能系统,（二）潜热储存 利用物质发生相变时需要吸收（或放出）热量的特性来进行储热。这种相变有以下四种情况： 1、固体物质的晶体结构发生变化。如六方晶格的锆，在871的温度下，晶格变成体心立方，此时相当于吸收了53kJ/kg的热量。 2、固、液相间的相变，即熔解、凝固（相应的熔化潜热、凝固
