第六章间壁式热质交换设备的热工计算热质交换与设备原理.ppt
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第六章间壁式热质交换设备的热工计算,71-1,2023/5/20,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,2023/5/20,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,2023/5/20,71-3,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。
两种流体分管程和壳程。
单壳程、单管程,2023/5/20,71-4,增加管程,单壳程、双管程,2023/5/20,71-5,进一步增加管程和壳程,3-6型,双壳程、四管程,2023/5/20,71-6,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。
2023/5/20,71-7,2023/5/20,71-8,2023/5/20,71-9,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。
2023/5/20,71-10,螺旋板式换热器:
换热表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。
1,2,1,1,2,2,2023/5/20,71-11,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,2023/5/20,71-12,2023/5/20,71-13,表冷器工作过程,2023/5/20,71-14,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,2023/5/20,71-15,6.3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,2023/5/20,71-16,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,2023/5/20,71-17,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,2023/5/20,71-18,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,2023/5/20,71-19,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,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:
2023/5/20,71-20,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,2023/5/20,71-21,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/ui0.8,2023/5/20,71-22,6.4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,2023/5/20,71-23,24,6.4.2对数平均温差法,2023/5/20,71-24,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。
2023/5/20,71-25,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,2023/5/20,71-26,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):
2023/5/20,71-27,沿整个换热面的平均温差为:
2023/5/20,71-28,对数平均温差,2023/5/20,71-29,顺流:
逆流时:
对热冷流体温度均是降低方向,于是有:
2023/5/20,71-30,其他过程和公式与顺流是完全一样,最终仍然可以得到:
2023/5/20,71-31,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:
2023/5/20,71-32,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。
2023/5/20,71-33,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:
2023/5/20,71-34,
(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,2023/5/20,71-35,6.4.3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。
2023/5/20,71-36,三个无因次量:
热容比(或水当量比Cr):
传热单元数NTU:
传热效能:
2023/5/20,71-37,换热器的效能定义:
物理意义:
如果已知了效能和冷热流体的进口温差,则Q:
-NTU法推导:
2023/5/20,71-38,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,2023/5/20,71-39,两式相加,2023/5/20,71-40,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:
2023/5/20,71-41,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:
2023/5/20,71-42,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,2023/5/20,71-43,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6-116-16,2023/5/20,71-44,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;,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),2023/5/20,71-45,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。
2023/5/20,71-46,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:
2023/5/20,71-47,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”,2023/5/20,71-48,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计算,较-NTU法麻烦,2023/5/20,71-49,6.5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。
2023/5/20,71-50,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,换热扩大系数(析湿系数)表示由于存在湿交换而增大了的换热量,2023/5/20,71-51,湿工况时换热公式:
干工况时换热公式:
干、湿工况换热公式表明:
出现凝结水时,相当于有肋外表面换热系数比干工况增大了倍。
2023/5/20,71-52,取表冷器微元面dA,令t1,2表示湿空气在表冷器中的平均温度,tw-水膜温度,则显热和潜热分别为:
2023/5/20,71-53,析湿系数:
2023/5/20,71-54,通过肋壁的传热,肋壁面积:
稳态下换热情况:
肋面总效率,6.5.2表冷器的传热系数,2023/5/20,71-55,干工况下以内表面积为计算基准时:
肋化系数:
湿工况时换热公式:
可认为由于水分凝结,外表面换热系数比干工况增大了倍。
2023/5/20,71-56,湿工况条件下,以内表面积为计算基准时:
表冷器传热系数实验公式:
其中:
Vy-空气通过表冷器时的迎面风速,m/s;w-水在表冷器管内流速,m/s,P284附录6-3,2023/5/20,71-57,6.5.3表冷器的热工计算,设计计算:
已知:
空气的G,(t1,i1),(t2,i2)求表冷器的KA(型号、结构、台数、排数等)、冷水tw1,tw2(或冷水量w、冷量Q等),校核计算:
已知:
空气的G,(t1,i1),表冷器的KA(型号、结构、台数、排数等)、冷水tw1,冷水量w,求空气出口状态(t2,i2),冷水出口tw2,(冷量Q),表冷器热交换系数和接触系数定义:
1)热交换系数(即传热效能),2023/5/20,71-58,热容比Cr,传热单元数NTU,表冷器一般可视为逆流流动,故:
2023/5/20,71-59,2)表冷器接触系数,其中t3为接触时间足够长时空气终态干球温度。
为了利用相似三角形,上式也可写成,2023/5/20,71-60,利用相似三角形对应边成比例的关系:
得接触系数的近似表达式:
2023/5/20,71-61,在表冷器上取一微元面积dA,代入刘伊斯关系式得:
积分上式得:
2023/5/20,71-62,2023/5/20,71-63,肋通系数a,给定表冷器,则肋通系数a为定值,空气物性近似为常数,hw通常与Vy成正比,因此:
见p285附录6-4,2023/5/20,71-64,2随N增加和Vy减小而增大,但:
1)N增加也将使空气阻力增加。
而N过多时,后面几排还会因为冷水与空气之间温差过小而减弱传热作用。
一般多用4-8排。
2)Vy过低,则冷却器尺寸变大,初投资增加。
Vy过高,2减小,空气阻力大,携带冷凝水进入送风系统。
Vy一般取23m/s。
2023/5/20,71-65,3)表冷器热工计算的主要原则,计算选择的表冷器应满足:
该冷却器能达到的1、2应该等于空气处理过程需要的1、2;该冷却器能吸收的热量应该等于空气放出的热量,计算可利用的公式:
2023/5/20,71-66,表冷器设计计算步骤,设计计算:
已知:
空气的G,(t1,i1),(t2,i2)求表冷器的KA(型号、结构、台数、排数等)、冷水tw1,tw2(或冷水量w、冷量Q等),校核计算:
已知:
空气的G,(t1,i1),表冷器的KA(型号、结构、台数、排数等)、冷水tw1,冷水量w求空气(t2,i2),冷水tw2,(冷量Q),无论哪种类型,未知数一般为3个,可以进行计算。
表冷器阻力计算部分公式见p282附录6-3。
P180例题,4)关于安全系数的考虑增大面积或降低水温,2023/5/20,71-67,6.6其它间壁式热质交换设备的热工计算,6.6.1空气加热器的热工计算空气加热器中只有显热交换,所以它的热工计算方法比较简单,只要让加热器供给的热量能等于加热空气需要的热量即可。
用对数平均温差法可以解决这个问题。
传热系数实验公式:
以热水为热媒:
以蒸汽为热媒:
有关公式及技术数据见p285-286附录6-6和6-7,2023/5/20,71-68,6.6.2散热器的热工计算此种换热器较之前面介绍的最大不同之处在于,流过其一侧的空气不再是受迫流动,而基本是处于一种自然对流状态。
工程上散热器散热量公式:
2023/5/20,71-69,2023/5/20,71-70,TheEnd,
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