翅片管换热器基础资料3

1第六讲热负荷和热平衡主讲人哈尔滨工业大学刘纪福教授在以上几讲的基础上，从本讲开始将逐步讲述翅片管换热器的设计计算方法。众所周知，翅片管换热器是庞大的换热器家族中的一种，其设计计算肯定要基于共性的和基础性的设计计算原理和方法，本讲座将尽量突出翅片管换热器的“个性”和特点，并尽量做到联系工程实际，通俗易懂。本讲的主题是换热器中的两个基本概念—热负荷和热平衡，并通过多个实例来掌握它的应用和计算。1、热负荷对一个换热设备来说，热负荷就是指换热量或传热量，即在单位时间内所交换的热量，单位是KW（KJ/S）或Kcal/h（千卡每小时），（请记住二者的换热关系：1KW=860Kcal/h）。工程上热负荷常用Q来表示。在翅片管换热器的设计中，热负荷通常并不是由用户直接提出来的，而是由设计者根据用户的实际需求和现场的技术参数计算出来的。下面举几个实例加以说明。【例1】有一个供热公司要为一台供暖用的10t/h热水锅炉安装一台翅片管式省煤器，希望将排烟温度从220ºC降至120ºC。烟气流量说不准，可能是2万多立方米每小时，并告知引风机的型号和流量。为了确定省煤器的热负荷，设计者要从用户那里获取尽可能多的与排烟量有关的信息，如：燃煤量、煤的热值、锅炉是否满负荷运行、风机型号等。最后根据自己的经验帮助用户确定排烟量的设计值：16000Nm³/h。然后按下式计算省煤器的热负荷：Q=Gg×（Tg1×Cpg1－Tg2×Cpg2）KW此处：Gg：烟气的质量流量，kg/sCpg1Cpg2：烟气的入口处比热和出口处比热，查物性表，KJ/（Kg·ºC）Tg1：烟气入口温度，ºCTg2：烟气出口温度，ºC在本例中，Gg=16000×1.295/3600=5.755kg/s2Cpg1=1.102KJ/（Kg·ºC），Cpg2=1.074KJ/（Kg·ºC）Tg1=220ºCTg2=120ºC，1.295是烟气在0ºC时的密度（kg/m3）。计算得Q=653KW应当记住：烟气（或空气）在某一温度下含有的热能可以通过下式计算：Qg=Gg×（Tg×Cpg）【例2】有一燃气加压站，希望设计一台翅片管式空气冷却器，将压缩后的燃气从134ºC降至50ºC，燃气流量为7500Nm³/h。其结构特点是：管内走燃气，管外加翅片，由空气冷却。空气侧的流量不确定。热负荷Q值同样由燃气侧的已知条件计算：Q=Gg×Cpg×（Tg1-Tg2）=（7500×1.295/3600）kg/s×1.07KJ/（Kg·ºC）×(134-50)ºC=242KW此处，燃气的比热Cpg取的是平均温度下的数值。【例3】在冬天，某工厂想将一台已有的1t/h蒸汽锅炉用于车间的供暖，具体方案是选用一台翅片管式蒸汽/空气换热器，用锅炉产生的0.8t/h,150ºC的饱和蒸汽加热空气，希望将空气从0ºC加热到100ºC，蒸汽凝结后的凝结水温度为120ºC。为了选择风机，要求计算风量。这一课题的热负荷应该认为是已经给出了，只需简单的计算一下：首先应从相应的热物性表查出150ºC下饱和蒸汽的焓值i=2745.3kJ/kg和120ºC的饱和水的焓值i´=503.7kJ/kg，则热负荷为：Q=（800/3600）㎏/s×(2745.3-503.7)KJ/kg=498KJ/s=498KW对空气侧，有下列关系式：Q=Ga×Cpa×（Ta2-Ta1）式中，Ga：空气流量，㎏/sCpa=1.005KJ/（Kg·ºC）：空气比热，按平均温度查表Ta2=100ºC，空气出口温度；Ta1=0ºC，空气入口温度由上式解出Ga=Q/[Cpa×（Ta2-Ta1）]=4.96kg/s=17840kg/h=13800Nm3/h]【例4】有一个小型钢铁厂，拟在其烧结炉的高温排气段装一台翅片管余热锅炉，高温段的平均排烟温度为320ºC，烟气流量大约为70000Nm³/h，希望产生的饱和蒸汽压力为0.6MPa。试计算可以回收利用的热负荷。3首先，在这一命题中并没有给出烟气的出口温度，因此，需要选择一个合理的烟气出口温度，并与用户协商。该余热锅炉所产生的0.6MPa的饱和蒸汽对应的饱和温度可由热物性表查出：tv=158ºC。由此确定烟气出口温度应该大于158ºC，最后协商确定烟气出口温度取Tg2=190ºC。回收热负荷：Q=Gg×Cpg×（Tg1-Tg2）=（70000×1.295/3600）×1.11×（320-190）=3633KW由上面的几个实例可知，计算热负荷应遵循下面几条原则：（1）、对用户给出的参数按“热流体侧”和“冷流体侧”进行分类比对，如序号热流体侧序号冷流体侧1热流体进口温度4冷流体进口温度2热流体出口温度5冷流体出口温度3热流体流量6冷流体流量一般只需给出上述六个量中的5个，选择给出条件最全面的那一侧流体进行热负荷计算。例如，若热流体侧1、2、3个条件都给出了，而冷流体侧只给出了两个4、5，则应依据热流体侧给出的条件计算热负荷，即：Q=【流体流量，（kg/s）】×【进口焓值（kJ/kg）—出口焓值（kJ/kg）】，得出的单位是kJ/s或KW。进出口焓值，对于水和水蒸气而言，可直接查物性表，对于烟气和空气，若用户没有给出焓值的数据，则可按下式计算：焓值（kJ/kg）=比热（kJ/kgºC）×温度（ºC）即，i=Cp×T（2）、不要轻易相信用户（需方）给定的参数，尤其是烟气或空气流量，需要经过分析和核实。例如，有的用户将风机的铭牌流量作为计算热负荷的参数，这是不对的。若流量是波动的（如炼钢炉的排气），则应了解其波动的振幅和周期，取其合理的数值作为设计值。大多数情况下，需要和用户进行面对面的分析和协商，做深入的调研或测试，以确定较为准确的设计参数，作为计算热负荷的依据。曾经有过这样一个案例：某钢铁厂为了回收电弧炼铁炉的余热，要求上一台余热回收装置，用以产生蒸汽。当时根据厂方提供的数据，可以产生35t/h蒸汽，经过设计、制造、安装运行后，得到的实际产汽量仅为15～18t/h。为什么有这么大的差距？后来经过调查，发4现用户给出的烟气流量大大超过烟气的实际流量，给出的入口温度值也偏高了，即过高的估计了余热资源的数量。虽然运行取得成功，但却造成了一次投资的巨大浪费。2．热平衡这儿所说的热平衡是一个换热设备中冷热流体之间的热平衡，即量热流体放出的热量=冷流体得到的热量有时还要考虑传热过程中的热损失，即量热流体放出的热量=冷流体得到的热量+热损失一般，热损失小于5%，对于保温良好的设备，在设计中也可以不考虑热损失。热平衡是能量守恒定律在传热过程中的具体应用，热平衡既是一个理念，也是一种方法。所谓理念，就是在任何情况下都不能动摇。例如：有人声称，他的换热设备或元件有神奇功能，输入1KW，输出大于1KW。请千万不要相信。一般加热侧和冷却侧的热量出现少许不平衡，多数是由于测量误差造成的。说热平衡是一种方法是指我们经常应用这一概念进行推导和计算，计算得步骤是：由某一侧的参数计算出热负荷之后，然后根据热平衡概念计算另一侧中尚未给出的参数。仍由上面给出的例子说明：【例2】中，热流体（燃气）：134ºC—→50ºC，7500Nm³/h，Q=242KW冷流体（空气）：20ºC—→30ºC，流量待定。（设定）（设定）当由热流体侧计算出热负荷Q=242KW之后，则可推算出冷流体（空气）的流量。Ga=Q/[Cpa（30-20）]=242/（1.005×10）=24kg/s=86686kg/h=67000Nm³/h由此可见，由于空气的温升很小，需要的空气流量是非常巨大的！【例4】中，热流体（烟气）：310ºC—→190ºC，70000Nm³/h，Q=3633KW冷流体（蒸气）：进口水温—→158ºC，产汽量未知。（未知）首先与用户协商后，设定进口水温为100ºC（经省煤器后进入）。需要确定的就是蒸汽产量Gv了Gv=Q/（i158ºC-i´100ºC）5由热平衡概念，认为蒸汽侧吸收的热量等于烟气侧放出的热量Q=3633KW，由物性表查得出口蒸汽的焓值i158ºC=2755kJ/kg，进口水的焓值i´100ºC=419.1kJ/kg故：Gv=3633/（2755－419.1）=1.555kg/s=5599kg/h=5.6t/h(产汽量)在该项目的洽谈中，产生了一个与“热平衡”概念有关的“插曲”：该钢厂的技术负责人曾执意要求给提供8t/h的蒸汽，经反复计算，向他们说明，余热资源的数量不足以产生8t/h的蒸汽，总不能做“无米之炊”吧，最后才同意了【例4】中的计算方案。好了，本讲就讲完了，应该指出，热负荷和热平衡的概念及计算方法不仅是针对翅片管换热器的，它适用于所有热交换设备。要很好的掌握它，需要逐渐积累工程经验。最后，有一个练习题：下图所示的翅片管换热器，水在由六排管组成的管内流动，管外是烟气的横向冲刷。试写出管内水热负荷的计算式和管外烟气热负荷的计算式，并指出需要从热物性表中查取哪些物理量。此主题相关图片如下：6第七讲翅片管的传热系数和传热热阻主讲人：哈尔滨工业大学刘纪福教授本讲的内容是翅片管换热器设计方法的主要组成部分。涉及到传热学的基本概念和基本定义。本讲座并不想深入到传热原理的系统讲解中去，也不想追求理论上的严谨和完整，而是想结合翅片管的结构特点，尽量通俗地讲解必须要知道的一些基本内容，期望非专业人士也能够掌握或部分地掌握翅片管换热器的设计计算方法。1.翅片管的传热过程这儿讲的“传热”不是通俗的对传热现象的一般称呼，而是一个专有名词。传热的定义是：热量从热流体经过管壁传给冷流体的过程。如下一小节的附图所示。传热过程由三个分过程组成：（附图中，假定热流体在管内，冷流体在管外，反之也然。）过程1：热量Q（W或KW）由热流体传给管壁（管内壁），第一讲已讲过，这一过程属“对流换热”，其对流换热系数为hi(W/（㎡·ºC)）。（此后,角标“i”代表“内部”，角标“o”代表“外部”，而角标“w”代表管壁。），这一对流换热过程对应的温差为（Ti-Twi）,此处，Ti为管内流体温度，Twi为管内壁温度。过程2：热量Q从管子内表面传给管外表面，因为热量是在固体内部传递，这一过程叫“导热”或“热传导”。此过程对应的温差为（Twi-Two）。过程3：热量Q从管外表面传给管外冷流体的过程。这一过程属“对流换热”，对应的温差为(Two-To),其对流换热系数为ho.应当指出的是，此处，Two是基管的外表面温度，因此，ho是以基管外表面积为基准的换热系数。在第四讲中，讲述了翅片管外表面为基准的换热系数h的计算。两个换热系数ho和h的换算关系见第四讲中的说明：h0=h×β×η式中，β为翅化比，即加翅片后面积扩大的倍数，η为翅片效率，是小于1的数。7加翅片后的总效果是ho»h。下面举几个传热过程的实例：【例1】：一个蒸汽加热器，用管内的蒸汽加热翅片管外的空气，这是一个典型的传热过程：热量从管内的热流体（蒸汽的凝结）通过翅片管的管壁传给冷流体（空气）。【例2】：某一翅片管式锅炉省煤器，热量从管外流动的高温烟气通过管壁传给管内的冷流体——水，这也是一个典型的传热过程。【例3】：家用暖气片，暖气片内流动的是热水，暖气片外是室内空气的自然对流。从内部的热水通过暖气壁面传给冷流体——空气的过程是一个典型的传热过程。应当指出，在稳定状态下，传热量Q在任一分过程中保持同一数值，即传入的Q值等于传出的Q值。所谓稳定状态，是指系统和设备的各点温度不随时间而变化时的状态。2.传热系数翅片管的传热过程，可用下面的图解加以说明，并最后推出传热系数的定义和表达式。过程1------过程2------过程3↓↓为了方便讨论，将圆管壁面简化为平壁↓↓89将上述三式左右分别相加，消去Twi，Two得到下式：)11(oioihhAQTToioihhTTAQ11)(从而得出最重要的传热公式：Q=AK△T;oihhK111；△T=Ti-To式中，TAQK，叫传热系数，表示单位面积、单位温差(Ti–To)时传热量。单位为W