第四章典型有效用能设备分析

云南师范大学能源与环境学院兰青能量有效利用第四章典型有效用能设备分析内容简要本章结合目前常用的节能设备的发展和应用情况，系统全面的介绍了换热器、热管、吸收式制冷装置、热泵等节能设备的基本理论和知识，对其类型、工作原理、工作过程、能量利用过程的影响因素及节能环节进行了详细的阐述，着重培养学生的工程应用能力和开阔专业视野。第一节换热器换热器又称热交换器（heatexchanger），是使热量从一种（或几种）流体传递给另一种（或另几种）流体的换热设备。换热器，做为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和热回收器等装置，在建筑设备与工程、化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门中应用较广泛。换热器种类很多，根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分四大类即：间壁式、接触式、蓄热式和热管换热器。在四类换热器中，间壁式换热器应用最多。常用的间壁式换热器是将间壁一面的热流体通过间壁表面把热量传给间壁另一面的冷流体来实现传热过程的一种常见设备。第一节换热器（1）套管式：套管式换热器是由不同直径的管子套在一起，并弯制成螺旋形或蛇形的一种换热器。分内管和外管两部分。外管内可套一根或数根管子，内外管分别流冷热流体。如图4-1所示，能逆流操作。一、换热器的结构类型（一）常见的间壁式换热器类型1.管壳式换热器图4-1套管式换热器一、换热器的结构类型（一）常见的间壁式换热器类型第一节换热器1.管壳式换热器一、换热器的结构类型（一）常见的间壁式换热器类型（2）壳管式：壳管式换热器分卧式和立式两大类。都是由外壳和管束组成的。外壳由钢板卷焊成圆筒，筒两端各焊接一块管板，板间焊接或胀接若干根传热管，如图4-2所示。管子1---1型冷流体入口热流体入口热流体出口冷流体出口外壳横隔板水套图4-2列管式换热器a.列管式换热器示意图b.1-1程第一节换热器1.管壳式换热器一、换热器的结构类型（一）常见的间壁式换热器类型（2）壳管式：壳管式换热器分卧式和立式两大类。都是由外壳和管束组成的。外壳由钢板卷焊成圆筒，筒两端各焊接一块管板，板间焊接或胀接若干根传热管，如图4-2所示。图4-2列管式换热器流体(1)流体(2)流体(2)1-----2型2—4型流体1流体2流体2流体1c.1-2程d.2-4程第一节换热器1.管壳式换热器一、换热器的结构类型（一）常见的间壁式换热器类型（3）蛇管式：这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状，并沉浸在容器内的液体中。蛇管换热器的优点是结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造；其缺点是容器内液体湍动程度低，管外给热系数小。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器，如图4-3所示。图4-3蛇管式换热器第一节换热器1.管壳式换热器一、换热器的结构类型（一）常见的间壁式换热器类型（4）喷淋式换热器：这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器。喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多。另外，这种换热器大多放置在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一部分热量，可起到降低冷却水温度、增大传热推动力的作用。因此，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。第一节换热器一、换热器的结构类型（一）常见的间壁式换热器类型2.板式换热器板式换热器有板片式换热器、螺旋槽板式换热器等。板式换热器一般由一组不锈钢波纹金属板叠装焊接而成；板上的四孔分别为冷热两种流体的进出口；在板四周的焊接线内，形成传热板两侧的冷、热流体通道，在流动过程中通过板壁进行热交换。图4-4板式换热器第一节换热器一、换热器的结构类型1.接触式换热器混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。（二）其他类型的换热器按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：（1）冷却塔(或称冷水塔)：（2）气体洗涤塔(或称洗涤塔)：（3）喷射式热交换器：（4）混合式冷凝器：第一节换热器一、换热器的结构类型（二）其他类型的换热器2.蓄热式换热器蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行：第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来；第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一蓄热器时，冷气体进入另一蓄热器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室，也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。第一节换热器本部分只以间壁式换热器为例进行分析探讨。在这种换热器中，换热面一侧流动着放热介质，称之为热介质，以下标h表示；另一侧流动着吸热介质，称之为冷介质，以下标c表示。为了评价换热器的热力性质，下面来定义与分析其热力性能评价指标。1．换热器的效率换热器的效率指冷介质所获得的热量与热介质所放出热量的比值，它反映了换热器壳体的保温性能，或向外部散热损失的程度。二、评价换热器的性能指标hctQQH)(hhphhhttCmQ)(ccpcccttCmQchLQQQhLhLhtQQQQQ1第一节换热器二、评价换热器的性能指标为了反映换热器的流动阻力程度与换热性能，还有两项指标。如换热器是依靠风机或泵使冷热介质流动而进行换热的，则热流量Q与热冷介质流动所消耗功率N之比，称为能量系数，即NQEQ能量系数作为反映换热器工作运行经济性的指标，或介质流动损失程度。因此，在考虑增加介质的流速以增强传热时，就要注意这个指标并进行技术经济核算，合理地选择热冷介质的流速。换热器的换热性能常用冷介质所获得的热量与热介质可能放出的最大热量之比来表示，称为换热器效率，即)()(0ttCmttCmhphhccpcc第一节换热器二、评价换热器的性能指标2.设换热器能量循环示意图如图4-5所示。第一节换热器第一节换热器)1(hchQxhTTQE)1(cecQxcTTQE而tpetthhhccchQxhcQxceHTTQTTQEE)1)(1()1)(1()1()1(00所以有)1()1(00hcetTTTThctp11ettp第一节换热器温度水平及压力损失等都将影响换热器内部换热过程的性能。1.冷热介质传热温差的影响传热中的冷热介质平均温差常指对数平均温差，它是确定换热面积大小的一个依据。三、影响换热过程的内部性能因素)11(hcTTQS)11(00hcLTTQTSTE冷热介质是在有限温差下的传热，是典型的不可逆过程。必然出现如果冷热介质在换热中均是无相变的定压变温过程，那么在定比热的假定ccccpchhhhphcxhcLTTTTTCTTTTTCTeTeeln)(ln)()()(00如不计换热器的散热，则)()(ccpchhphTTCTTC)lnln(0hhphccpcLTTCTTCTe第一节换热器三、影响换热过程的内部性能因素第一节换热器三、影响换热过程的内部性能因素第二节热管热管是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种传热元件。它利用了液体蒸发冷凝时热传导介质快速传递蒸发冷凝潜热的性质，将发热物体的热量迅速从一端传递到另一端，可实现等温传热过程，其导热能力可以与金属物质相媲美。图4-6热管传热的示意图1.输热端2.蒸发段3.蒸汽流4.蒸汽凝结端5.液体回流（由于重力或毛细吸力）第二节热管热管一般是由内壁加工有槽道的两端密封的铝（铸铁等金属）翅片管经清洗并抽成高真空后注入最佳液态工质而成。管内根据需要可放入输液芯等材料。随注入液态工质的成分和比例不同，分为KLS低温热管换热器、GRSC-A中温热管换热器、GRSC-B高温热管换热器。热管一端（始端）受热时管内工质吸收汽化潜热汽化成蒸汽，随后蒸汽向热管另一端（末端）流动并遇冷凝结成液体同时该段热管散放出凝结潜热；管内冷凝液借毛细力和重力的作用回流至始端，继续受热汽化；这样管内工质往复循环就会将大量热量从热管一端（加热区）传递到另一端（散热区），而且热管内热量传递是通过工质的相变过程进行的。热管是一种高效传热元件，其导热能力比金属高几百倍至数千倍。第二节热管1.热管及热管原理热管是一种导热能力特别强的换热装置。它利用相变原理和重力或毛细作用，即利用封闭在管中的工作物质，反复进行物理相变或化学反应来传送热量，使得它本身的传热效率比同样材质的纯铜高出数千倍。热管是在其内部一端利用液体汽化时的潜热吸收管外物体的热量；汽化了的饱和蒸汽向冷端流动；在另一端蒸汽凝结放出潜热，从而加热管外物体。热管外两端物体的温度可以相差很大。热管的工作原理图和工作状态剖析图见图4-7和图4-8。一、热管的基本构造及工作原理图4-7热管工作原理图图4-8热管工作状态剖析图第二节热管典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，管内负压为1.3×10-1～1.3×10-4Pa不等，视工作液体和条件所确定。使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)。在此热量转移过程中，主要包含了以下六个相互关联的过程：（1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液—汽分界面。（2）液体在蒸发段内的液—汽分界面上蒸发。（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段。（4）蒸汽在冷凝段内的汽、液分界面上凝结。（5）热量从汽—液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源。（6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。单根热管称为热管元件，或简称热管。许多热管可组成热管换热器。一、热管的基本构造及工作原理第二节热管2.热管工作的推动力热管传热过程中，毛细管抽力所形成的压差ΔPc是工作液体和蒸汽流动的动力，用以克服液体和蒸汽流动的阻力ΔPl和ΔPv。液体本身的重力可为动力或阻力，取决于蒸发段在下或在上的位置；当热管平放时，重力对液体和蒸发流动基本不起作用。因此一、热管的基本构造及工作原理gvcPPPP1从热管的工作过程中看到，它有如下特点：（1）输热能力大：（2）较高的等温性能：（3）传热方向可逆、热流密度可变：（4）具有极强的对环境适应能力：（5）具有运行无需外加动力、结构简单、重量轻、工作可靠、维修量少、寿命长等特点。第二节热管常用的分类方法有以下几种。1.按照热管管内的工作温度区分分为低温热管（-273～0℃）、常温热管（0～250℃）、中温热管（250～450℃）、高温热管（450～1000℃）等。2.按照工作液体回流动力区分为有芯热管、两相闭式热虹吸管（又称重力热管）、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。3.按管壳与工作液体的组合方式划分为铜－水热管、碳钢－水热管、铜钢复合－水热管、铝－丙酮热管、碳钢－萘热管、不锈钢－钠热管等等。4.按结构形式区分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等等。5.按热管的功用划分为传输热量的热管、热二极管、热开关管、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。二、热管的分类第二节热管三、热管的工作特性热管的工作能力受到一些因素的影响和限制，包括：热流极限、流动阻力、热管传热系数或热阻、热管内部的相容性等。1.热流极限热管传送的最大热流量（热流极限）随其工作强度不同有不同的数值。热流与绝对温度的关系如图4-9所示。图4-9热管热流与绝对温度的关系第二节热管三、热管的工作特性从图4-9中看到，热管的最大热流量受其内部五种因素的限制，分别被称为粘性、声速、携带、毛细和沸腾等五种极限。不同的限制在不同的温度下发生。由于这五种限制，使热管的热流量必须在限制的最大热流量以下，否则热管可能被烧毁或造成故障。因此，设计热管时，必须验算出各极限限制的热负荷，使它们都不超过