第6-8章-热质交换设备的热工计算

11热质交换原理与设备大连理工大学建设工程学部赵金玲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总传热系数与总传热热阻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6.36.5第6章间壁式热质交换设备的热工计算6.26.46.6226.5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φ=100%td3A12干工况A-1,A-2:等湿冷却过程或干冷过程湿工况A-3:减湿冷却过程或湿冷过程表冷器的三个处理过程？3空调工程表冷器中，热质交换规律符合刘伊斯关系式pmdChh=湿工况下，表冷器的总热交换量为：dAiihdQbmdt=-=干工况下，由温差引起的热交换量为：dAtthdQb)(-=湿工况与干工况相比，换热量增加了多少？dAiichbp)(-（麦凯尔方程）43换热扩大系数（析湿系数）)()(bpbtttciidQdQ--==xdAiichdQbpt)(-=)(bpbttcii-=-xdAtthdQbt)(-=x湿工况时换热公式:dAtthdQb)(-=干工况时换热公式:干、湿工况换热公式表明:出现凝结水时，相当于外表面换热系数比干工况增大了ξ倍。（麦凯尔方程）5干工况下以内表面积为计算基准时：bdAtthdQbwt)(-=x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ξ倍。6.5.2表冷器的传热系数——肋化系数h——肋面效率nwhhKblbdh=1164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/sP284附录6-3nwshhKblbdhx=11111-=npmysBwAVKx76.5.3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)85（3）表冷器热工计算的主要原则计算选择的表冷器应满足：①热交换效率ε1：能达到的ε1=需要的ε1；②接触系数ε2：能达到的ε2=需要的ε2；③冷却剂吸收的热量=空气放出的热量。9热容比Cr传热单元数NTU表冷器一般可视为逆流流动，故：（1）表冷器的热交换效率（即传热效能）最大可能换热量实际换热量=--=--=)()(112111211wppwttGcttGcttttWcGcGcGcGcGcCprx＝水空气)()()()(maxmin==psssGcAKGcAKGcAKNTUx＝空气)()(min==)1(exp1)1(exp111211CrNTUCCrNTUttttrw------=--=106123t2tw1t3ts2i1t1i2ts1（2）表冷器接触系数t3：接触时间足够长时空气终态干球温度。利用相似三角形原理上式也可写成31212tttt--=3132312121tttttttt---=--=3132312121iiiiiiii---=--=t3=？2’1’11利用相似三角形对应边成比例的关系：因此，接触系数的近似表达式：123t2tw1t3ts2i1t1i2ts12’1’;31212iiii--=31213121ssssttttiiii----3132312121sssssssstttttttt---=--=1122''313211223132sssssstttttttt--==--112221sstttt---=（2）表冷器接触系数127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--=pyycVAAhexp12yNAAa==迎风面积肋片管外表面积--=pycVaNhexp12),(2NVfy=表冷器接触系数ε2实验公式：（2）表冷器接触系数管排数迎风面积13ε2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，ε2减小，空气阻力大，携带冷凝水进入送风系统。Vy一般取2～3m/s。148（3）表冷器热工计算的主要原则计算选择的表冷器应满足：①热交换效率ε1：能达到的ε1=需要的ε1；②接触系数ε2：应该等于空气处理过程需要的ε2；②冷却剂吸收的热量=空气放出的热量),,()1(exp1)1(exp111211xwVfCrNTUCCrNTUttttyrw=------=--=),(exp1111222NVfGcAhttttypwss=--=---=计算公式：)()(1221wwttWciiGQ-=-=15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6-14)关于安全系数的考虑增大面积或降低水温1696.6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6-7nmwvAK=)(mnvAK=)(176.6.2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：室内计算温度散热器内热媒平均温度---=npjnpjttttKAQ)(1810散热面积的计算Q—散热器的散热量tpj—内部热媒平均温度tn—供暖室内计算温度k—散热器的传热系数β1—组装片数修正系数β2—连接形式修正系数β3—安装形式修正系数供暖系统的散热设备321)(bbbnpjttKQF-=19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工计算有两种方法：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）2011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Δtm;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Δtm，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。21用效能-传热单元数法计算换热器的步骤设计计算:及进出口温度中的三个，求2211,cGcGAk,已知显然，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:2211,,cGcGA及两个进口温度，求已知21tt，由于k事先不知，故仍需假设一出口温度，具体如下：min)(NTUGCkA=2212②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k③利用k,A计算NTU④利用NTU计算⑤分别利用Q=kAΔtm和Q＝ε(Gc)min(t’1-t’2)计算Q⑥比较两个Q，是否满足精度，否则重复以上步骤①假设一个出口温度t”，利用热平衡式计算另一个t”2324混合式换热器的型式与结构7.1影响混合式设备热质交换效果的主要因素7.2混合式设备发生热质交换的特点喷淋室的热工计算其它混合式热质交换设备的热工计算冷却塔的热工计算7.37.5第7章混合式热质交换设备的热工计算7.27.27.47.27.613257.2影响混合式设备热质交换的主要因素1)气水间焓差；2）空气流动状况；3）水滴大小；4）水气比；5）设备的结构特性（以喷淋室为例）（重点讲第五方面）267.2影响混合式设备热质交换的主要因素（1）喷嘴排数单排不如双排，三排与双排差不多。实际中多用两排；当喷水量大使水压较大时，采用三排。5）设备的结构特性（以喷淋室为例）1427（2）喷嘴密度密度过大：水苗互相重叠。密度过小：水苗不能覆盖整个喷淋室端面。一般取13～24个/m2排。增大喷水量可采用增大水压，如果水压过大，则可增加喷嘴排数。（3）喷水方向1排：逆喷；2排：对喷；3排：1顺2逆。28（4）排管间距间距过小：水苗互相重叠。间距过大：水苗不能覆盖管排间的整个空间。使用Y1型喷嘴，一般取600mm。（5）喷嘴孔径孔径过小：容易堵塞；孔径过大：水滴大，比表面积小。（6）空气与水的初参数空气与水的初参数决定了空气与水的热质交换过程。如何决定？15291)当空气与水直接接触时，从空气侧分析：总热流：热流方向以空气初状态湿球温度TS1为界。显热：热流方向以空气初状态干球温度T1为界。TL1Ts1T1ΔiTo潜热显热总热；反之，空气减焓。热流流向空气，空气增焓水温:Ts1Tw气失显热。空气得显热；反之，空水温:T1Tw潜热：热流方向以空气初状态露点温度TL1为界。气失潜热。空气得潜热；反之，空水温:TL1TW显热换热焓差总热换热焓差潜热换热焓差i=1.01T+(2500+1.84T)d湿空气的焓302)当空气与水直接接触时，从水侧分析：水冷却的极限温度是空气湿球温度Ts1。空气和水的初状态决定了总热流方向，决定过程的进行。ΔiTL1Ts1T1To潜热显热总热水得到热，水温升高。，水温不变；，但总热流水得到显热，失去潜热温降低；，但总热流向空气，水水得到显热，失去潜热热流流向空气，水温降低；:0:::11111swwswswTTTTTTTTT==Δi显热换热焓差总热换热焓差潜热换热焓差i=1.01T+(2500+1.84T)d水（饱和空气）的焓16317.3混合式设备发生热质交换的特点1、一般地，空气与水表面之间既有热量交换，还有质量交换。2、根据喷水温度不同，二者之间可能仅有显热交换；也可能既有显热交换，又有质量交换引起的潜热交换，显热交换与潜热交换之和构成它们之间的总热交换。3、在实际的喷淋室里，喷水量总是有限的，空气与水的接触时间也不可能很长，所以空气状态和水温都是不断变化的，而且空气的终状态也很难达到饱和。7.3.1喷淋室热质交换的特点32用喷淋室处理空气的实际过程A123tw1tw'twtw2(a)水tw1tw2空气顺流A123tw1tw'twtw2(b)tw1tw2逆流空气水17337.3.2冷却塔热质交换的特点•水的降温主要由于水的蒸发换热和气水之间的接触传热；•在冷却塔内，不论水温高于还是低于周围空气（干球）温度，总能进行水的蒸发。取显热为Qx，潜热为Qq，则水放热量为：Q=Qx+QqQ＝QqQ=Qq-QxQ=Qq-Qx=0水温下降空气干球温度空气湿球温度蒸发冷却既有显热，又有潜热交换，水可降温至