重慶大學熱質交換原理與設備(chapter5)

1、本章重點：1 間壁式換熱器設備的構造及熱工計算5.1 熱質交換設備的分類(演示)換熱器原理與設計余建祖熱交換器原理與設計史美中1 按照工作原理(認識實習、生產實習)1）間壁式（表面式）：相互不接觸，表冷器、省煤器、冷凝器、蒸發(fā)器等。2）直接接觸式（混合式）：噴淋室、冷卻塔等。動畫演示動畫演示間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式(1)(1)套管式換熱器：套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順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流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流 體流量不大的情形體流量不大的情形Cold fluidHot fluidCold fl

2、uidHot fluid順流順流逆流逆流xTThTcT1T2xTTh (Hot)Tc (cold)T1T2(2)2)殼管式換熱器：殼管式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由管束組成，管子兩端固定在管束組成，管子兩端固定在管板管板上，管束與管板再封裝在外上，管束與管板再封裝在外殼內。殼內。outBT,side) (shell ,inBTside) (tube ,inAToutAT,side) (tube ,inAToutAT,side) (shell ,inBToutBT,管程？管程？增加管程增加管程side) (shell ,inBToutBT,side

3、) (tube,inAToutAT,進一步增加管程和殼程進一步增加管程和殼程殼程？殼程？(3) (3) 交叉流換熱器：交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要形式。其間壁式換熱器的又一種主要形式。其主要特點是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分主要特點是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管管束式束式、管翅式管翅式和和板翅式板翅式三種。三種。(c) 板翅式交叉流換熱器板翅式交叉流換熱器(4) (4) 板式換熱器：板式換熱器：由一組幾何結構相同的平行薄平板疊加所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，其特點是拆卸清組成，冷熱流體間隔地在每個通道中流動，其特點是

4、拆卸清洗方便，故適用于含有易結垢物的流體。洗方便，故適用于含有易結垢物的流體。(5) 5) 螺旋板式換熱器：螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，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。優(yōu)點：換熱效果好；缺點：密封比較困難。1 1出出2 2出出3按照用途分類:表冷器、加熱器、過熱器等4按照制造材料分類金屬材料、非金屬材料及稀有金屬材料等類型。 5.2 間壁式熱質交換器的熱工計算5.2.1間壁式兩側流體傳熱過程分析（討論）模型介紹模型介紹平均與主體溫度的大小關系？平均與主體溫度的大小關系？為什么引入平均為什么引入平均? ?5.2.2 傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻總傳熱

5、熱阻tKtRRthhttqff1112121單位面積單位面積熱阻熱阻KR1RK1KAttAKhhAtthhttAQffff1)11(11121212121考慮面積時的考慮面積時的總熱阻總熱阻差異？差異？單位面積熱單位面積熱阻和總熱阻阻和總熱阻的關系的關系？總熱阻（單位長度的管道）總熱阻（單位長度的管道）id0dlRttAKQlRKA1ARKl1討論？討論？外表面內表面內表面id面積面積0d已知：ARKl1對于對于平壁平壁，考慮其兩側的，考慮其兩側的污垢熱阻污垢熱阻后，后，由于兩側面積相同，可以串連成一個熱阻由于兩側面積相同，可以串連成一個熱阻類似的將管子污垢熱阻包括進去之后ifR,0,fR 內

6、表面單位面積的污垢熱阻內表面單位面積的污垢熱阻單位長度外表面單位面積的污垢熱阻外表面單位面積的污垢熱阻ifiRd,10,01fRd0011hdiihd11 單位長度與類比理解單位長度：相當于考慮面積后的情況ifiRd,10,01fRd類似的將管子污垢熱阻包括進去之后 外表面 0didARKl15.2.3 換熱器熱工計算的基本原理1 傳熱方程式（2）熱平衡方程式（能量平衡原理）熱平衡方程式（能量平衡原理）mt由于溫差不斷變化，所以采用平均溫差由于溫差不斷變化，所以采用平均溫差t討論？討論？5.2 對數(shù)平均溫差法換熱器中流體溫度沿程變化示意圖換熱器中流體溫度沿程變化示意圖同一位置上同一位置上對應的

7、溫差對應的溫差順流時平均溫差的推導作如下假設作如下假設：(1)(1)冷熱流體的質量流量冷熱流體的質量流量G2G2、G1G1以及比熱容以及比熱容c c2 2,c,c1 1是常數(shù)；是常數(shù)；(2)(2)傳熱系數(shù)是常數(shù)；傳熱系數(shù)是常數(shù)；(3)(3)換熱器無散熱損失；換熱器無散熱損失；(4)(4)換熱面沿流動方向的導熱量可以忽略不計。換熱面沿流動方向的導熱量可以忽略不計。)(xxAft 要計算沿整個換熱面的平均溫差，首先需要知道要計算沿整個換熱面的平均溫差，首先需要知道局部溫局部溫差隨換熱面積的變化差隨換熱面積的變化，即，即 ，然后再沿整個，然后再沿整個換熱面積進行平均換熱面積進行平均在前面假設的基礎上

8、，并已知冷熱流體的進出口溫度，分在前面假設的基礎上，并已知冷熱流體的進出口溫度，分析微元換熱面析微元換熱面dAdA的傳熱。溫差為：的傳熱。溫差為：在傳熱微元面在傳熱微元面dAdA內，兩種流體的換熱量為內，兩種流體的換熱量為: :21ttt ddtAkQ對于熱流體對于熱流體 1 1和冷流體和冷流體 2:2:QcGttcGQd1ddd111111QcGttcGQd1ddd222222討論？討論？對等對等dAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln)exp(txxkAtQQcGcGtttdd11ddd221121 ddtAkQ221111cGcGtdAdkt21ttt可見，可見，當?shù)販夭町數(shù)?/p>

9、溫差隨換熱面隨換熱面(Ax)呈指數(shù)變化，則沿整個換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個換熱面的平均溫差為：的平均溫差為：)exp(txxkAtxxAxAmkAAAt)dAexp(t1 dAt10 x0討論？討論？1-)exp(t)dAexp(t10kAkAkAAtxxAmxxkAttlnkAt tlnAAx)exp(tkAt tttttttm tlnttlnt1-ttlnt21ttt21ttt tttm tlnt順流：順流：逆流時采用類似的方法求解逆流時采用類似的方法求解21ttt 21ttt maxmaxt21ttt 21ttt ()minmint21ttt 21ttt ()minmaxminmaxtl

10、nttttm兩端同一位置溫差兩端同一位置溫差由于順流：由于順流：順流時采用類似的表示方法順流時采用類似的表示方法順流、逆流統(tǒng)一寫成如下形式：順流、逆流統(tǒng)一寫成如下形式：minmaxminmaxtlnttttm當當2/ )t(minmaxt2t/minmaxt可以采用算可以采用算數(shù)平均溫差數(shù)平均溫差tt P169170應用示例應用示例殼管式換熱器的溫差？逆流)(mmtt逆流)(mt將冷熱流體進出溫度考慮成逆流對數(shù)平均溫差修正系數(shù)通過下列P、R參數(shù)在圖中查到例：殼側1程，管側2程，求溫差？2122ttttP 2211ttttR 501 t451 t302 t402 t 1殼側，2管側，入口和出口熱

11、媒熱媒2實際溫差與其可能的實際溫差與其可能的最大理論溫差的比值最大理論溫差的比值5.2.3效能-傳熱單元數(shù)法三個無因次的定義 （1）熱工計算涉及的8個量1t2t1t 2t KAQ11cG22cG （2）采用無因次方程，組合各個變量，減少求解 方程。5.2.3效能-傳熱單元數(shù)法三個無因次的定義（1）熱容比maxmin)()(GcGcCr （2）傳熱單元數(shù)min)(GcKANTU 無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)2無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)1在最后的推導結果中出現(xiàn)，當熱媒確定的情況下，可以視為對KA的度量 （3）傳熱效能效能2122tttt 1122cGcG1122cGcG 2111tttt 溫升較大者的實際溫差與

12、換熱器中可能存在的最大溫差比值無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)321max)(tttt 22max)(tttt 11max)(tttt )()()()(21minmaxminttGcttGcQ 效能改寫為或Gc？ 對于順流1122cGcG)(2111tttt )()(22221111ttcGttcG 如果（1）（2）)(11221122ttcGcGtt )()()()(112211212211ttcGcGtttttt （1 1）（）（2 2）（3）)1 ()(122112121cGcGtttt )exp(t -t2121kAtt 22111)exp(1cGcGkA(3(3）因為)(1 ()()(21221

13、12121ttcGcGtttt )()(212211112211ttcGcGttcGcG 因為：上節(jié)的結論上節(jié)的結論)()()()(112211212211ttcGcGtttttt 變形為：)exp(tkAt 2111tttt 22111)exp(1cGcGkA221111cGcG22112211111)1 (exp1cGcGcGcGcGkA11221122221)1 (exp1cGcGcGcGcGkA合并maxminmaxminmin)()(1)()(1 ()(exp1GcGcGcGcGckA當1122cGcG用相同的方法推導如下結論與前式的差異？與前式的差異？22112211111)1 (

14、exp1cGcGcGcGcGkA根據(jù)結論返回去理根據(jù)結論返回去理解無量綱的定義解無量綱的定義maxminmaxminmin)()(1)()(1 ()(exp1GcGcGcGcGckA令NTUGcKAmin)(rrCCNTU1)1 (exp1逆流)1 (exp1)1 (exp1rrrCNTUCCNTU與設備自身相關的量設備自身相關的量順流小結：傳熱效能 表示實際傳熱量與可能最大換熱量的比值，已整理成相應的圖表，供查詢。當求得 后，可以根據(jù)它的定義求得傳熱量)()(21minttGcQP173)()()()(21minmaxminttGcttGcQ 示例示例:30)(1Gc40)(2Gc90KA6

15、01 t302 t 求順流換熱量求順流換熱量Q，圖，圖6-11求逆流換熱量求逆流換熱量Q，圖，圖6-12P173應用示例應用示例 5.2.45.2.4表面式冷卻器的熱工計算表面式冷卻器的熱工計算表冷器處理空氣時發(fā)生熱質交換的特點表冷器處理空氣時發(fā)生熱質交換的特點總熱交換量為總熱交換量為溫差引起的顯熱交換量溫差引起的顯熱交換量劉伊斯關系pmdchhdAiihdQbmdt)( 換熱擴大系數(shù)顯熱傳遞顯熱傳遞潛熱傳熱量潛熱傳熱量以下針對整個表冷器設備整個表冷器設備的分析：空氣在設備中的平均溫度空氣在設備中的平均溫度水膜表面溫度水膜表面溫度空氣在設備中的平均含濕量空氣在設備中的平均含濕量水膜表面空氣含濕

16、量水膜表面空氣含濕量水蒸氣平均焓值水蒸氣平均焓值水膜上水的焓值水膜上水的焓值0r？析濕系數(shù)可以表示如下形式：表冷器的傳熱系數(shù)（表冷器的傳熱系數(shù)（濕工況濕工況）干工況下的傳熱系數(shù)干工況下的傳熱系數(shù)222AAA )(2222fwttAh肋化系數(shù)肋化系數(shù)表冷器的傳熱系數(shù)（表冷器的傳熱系數(shù)（濕工況濕工況）對肋管式換熱器，其傳熱系數(shù)（干工況）表示如下：干工況干工況肋化系數(shù)（肋壁總面積/光管面積）肋壁總效率肋化側肋化側wh肋化側換熱系數(shù)nh光管側換熱系數(shù)光管側光管側wnhhK111因為dAiihdQbmdt)( 所以dAttchdQbpmdt)( pmdwchh 因為wh外表面換熱系數(shù)干工況干工況濕工況濕

17、工況干工況干工況肋化側肋化側？所以可以認為濕工況下，空氣側換熱系數(shù)比干工況高 倍濕工況下表冷器傳熱系數(shù)可以改寫為：增大的倍數(shù)增大的倍數(shù)其他條件不變其他條件不變表冷器的熱工計算（表冷器的熱工計算（濕工況濕工況）（1）表冷器的熱交換效率（效能效能）定義定義t1、t2空氣處理前后的溫度，空氣處理前后的溫度，tw1水初溫水初溫空氣熱容（干、濕工況下有差異）空氣熱容（干、濕工況下有差異）空氣溫度下降dt放出的總熱量（濕工況下濕工況下）熱容比：熱容比：傳熱單元數(shù)：傳熱單元數(shù)：析濕系數(shù)Ks濕工況按dt前的整體考慮視為逆流，所以表冷器視為逆流，所以表冷器熱交換效率可寫為熱交換效率可寫為：與設備相關設備相關的量t（2）表冷器的接觸系數(shù)接觸系數(shù)的定義式為：t3理想情況下（時間無限）空理想情況下（時間無限）空氣飽和溫度氣飽和溫度空氣狀態(tài)空氣狀態(tài)5467平行線等比例定理平行線等比例定理112221sstttt也可寫為：也可寫為：234與與135相似相似264與與175相似相似表冷器能量分析在dA上空氣放熱（空氣）Gdi表冷器吸熱（表冷器）dAiihmd)(3所以dAiihmd)(3Gdi=表冷器液膜表層表冷器液膜表層空氣焓近似不變空氣焓近似不變pwmdchh因為所以與設備設備和風速相關的量dAiihmd)(3Gdi=(2)表冷器設備的 等于空氣處理的表冷器計算的原則(1) 表冷