热质交换原理与设备课件第7章.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第7章,7.1间壁式热质交换设备的热工计算,7.2混合式热质交换设备的热工计算,7.3燃烧装置的热工计算,7.1间壁式热质交换设备的热工计算,7.1.1热工计算的基本公式,1,7.1.2热工计算的基本方法和基本类型,7.1.3散热器的热工计算,7.1.4管壳式换热器的热工计算,7.1.5板式热水换热器的热工计算,7.1.6空气加热器的热工计算,7.1.7空气冷却器的热工计算,7.1.1热工计算的基本公式,1,1.传热方程式,2.传热面积,3.传热系数,4.传热温差,3.传热系数,(1)无污垢光管管壁,(2)有污垢光管管壁热质交换设备在运行过程中，由于流体的杂质、生锈或是流体与壁面材料之间的其他反应，换热表面常常会被污染。,(3)平壁由于传热管壁的相对厚度很小，所以换热器壁面的传热系数可近似用平壁传热系数公式进行计算。,(4)干工况肋片管管壁为加强传热，有时在表面传热系数较小的一侧管壁上加装肋片，例如空调系统中使用的空气冷却器。,(5)湿工况肋片管壁在间壁式空气冷却器中，当壁面温度低于空气的露点温度，空气中水蒸气凝结，在肋片表面上形成一层水膜，这时传热系数与无凝结水时有所不同。,表7-1污垢热阻,流体,污垢热阻/(K/W),硬度不大的井水、自来水,181,经处理后的冷却塔或喷水室循环水,181,未经处理的冷却塔或喷水室循环水,501,50以下的经处理的锅炉给水,101,50以上的经处理的锅炉给水,201,硬水,501,燃料油,901,制冷液,201,7.1.2热工计算的基本方法和基本类型,1.对数平均温差法,2.效能传热单元数法,3.热工计算类型,4.两种计算方法的比较和适用范围,表7-2各种不同形式换热器的传热效,换热器类型,关系式,同心套管式,顺流,逆流,=(1),=(=1),管壳式换热器单壳多管(管数为2，4，6，),=2,n壳多管(管数为2n,4n,),叉流,两种流体均不混流,=1-exp,=(1-exp-1-exp(-NTU),=1-exp-1-exp(-(-NTU),所有的换热器（=0）,=1-exp(-NTU),图7-1顺流同心套管式,图7-2逆流同心套管式,图7-3壳管式换热器单壳多管,图7-4壳管式换热器n壳多管,图7-5叉流两种流体均不混流,图7-6叉流一种流体混流另一种流体不混流,7.1.3散热器的热工计算,1.散热器的面积,2.散热器内热媒平均温度,3.散热器的传热系数,4.散热器片数或长度的确定,7.1.4管壳式换热器的热工计算,1.传热温差,2.传热系数,3.换热器的阻力计算,图7-7换热器温度变化示意图,2.传热系数,1)水在管内或管间沿管壁流动，流态处于紊流时,2)水横穿过管束流动，流态处于紊流时,3)蒸汽在竖壁或竖管上的膜状凝结,4)蒸汽在水平管束上的膜状凝结,3.换热器的阻力计算,1)换热器内流速按推荐流速确定。,2)管程阻力计算，管内介质流动阻力计算公式为,3)壳程阻力计算，管间介质流动阻力计算公式为,4)局部阻力损失系数的确定，换热器内局部阻力系数按附录F选取。,2)计算用户循环水量和外网的蒸汽流量。,3)热网回水从水水换热器出来进入汽水换热器前的水温t,2,4)汽水换热器的选择计算。,5)水水换热器的选择计算。,表7-3管壳式换热器推荐流速,换热器种类,流体速度/（m/s）,汽水换热器,水水换热器,管内,13,13,管间,1015,0515,管内为水、管间为蒸汽,图7-8热力站内换热器加热系统,7.1.5板式热水换热器的热工计算,2)外网进入热水供应用户的水流量,3)加热水的流通断面积。,4)被加热水的流通断面积。,5)选型。,6)实际流速。,7)传热系数。,8)传热温差,9)传热面积,10)需要的片数,11)实际片数。,12)流动阻力。,7.1.6空气加热器的热工计算,1.初选加热器型号,2.计算传热系数,K,3.计算加热面积和所需台数,4.阻力计算,7.1.7空气冷却器的热工计算,1.计算类型,2.计算参数,3.计算公式,4.设计性计算的计算步骤,5.校核性计算的计算步骤,表7-4空气冷却器热工计算类型,计算类型,已知条件,待求内容,设计性计算,空气量、空气初状态、空气终状态,空气冷却器型号、台数、排数、冷却水初温、终温、冷水量和冷量,校核性计算,空气量、空气初参数、冷却器型号、台数、排数、冷却水初温、冷水量,空气终参数、冷却水终温,喷水室校核性计算步骤和例题,2)管程阻力计算，管内介质流动阻力计算公式为3)壳程阻力计算，管间介质流动阻力计算公式为4)局部阻力损失系数的确定，换热器内局部阻力系数按附录F选取。,(1)计算迎面风速和水流速由已知的空气冷却器样本或附录I查出迎风面积Ay、每排的传热面积Ad和通水截面积fw。,经处理后的冷却塔或喷水室循环水,表7-2各种不同形式换热器的传热效,8)传热温差9)传热面积10)需要的片数11)实际片数。,1)计算接触系数2)选用喷水室结构。,3散热器的热工计算7.,喷水室设计性计算步骤和例题,2冷却塔的热工计算7.,02330279,管间10150515,3)查接触系数的实验公式4)求喷水量5)查热交换效率系数的实验公式，求出热交换效率系数6)用空气和水的参数计算热交换效率系数7)列出热平衡方程式8)联立求解以上两个方程，求水的初温和终温。,(2)火孔深度增加火孔深度可使脱火极限增加，有利于提高燃烧的稳定性，但孔深增加到某一数值后，脱火极限就趋于定值。,6空气加热器的热工计算7.,(3)确定冷却器型号和参数假定迎面风速为2.,2.计算参数,(1)热交换效率系数,(2)接触系数,(3)传热系数对于既定结构的空气冷却器，其传热系数受内、外表面的表面传热系数和析湿系数的影响。,图7-9空气冷却器热交换效率系数的线算图,图7-10空气冷却器处理空气的状态变化,图7-11接触系数推导图,4.设计性计算的计算步骤,(1)计算接触系数,(2)确定冷却器排数根据计算出的接触系数，查附录H，确定冷却器排数。,(3)确定冷却器型号和参数假定迎面风速，求迎风面积。,(4)校核接触系数按冷却器型号、排数和实际迎面风速，查附录H得出实际的接触系数，与第一步计算出来的接触系数比较，若相差较大，则改选别的型号。,(5)计算析湿系数,(6)计算传热系数根据冷却器型号和排数，查附录J冷却器传热系数计算公式，带入迎风速度和水的流速，可计算出传热系数。,(7)计算冷却水量,(8)计算热交换效率系数计算传热单元数和水当量比，按公式或线算图计算热交换效率系数。,(9)计算水的初温和终温,(10)计算空气的阻力损失和冷却水的阻力损失查附录J计算空气和水的阻力损失。,(1)计算接触系数,(2)确定冷却器排数根据计算出的接触系数，查附录H，确定冷却器为JW6排。,(3)确定冷却器型号和参数假定迎面风速为2.0m/s，求迎风面积。,(4)校核接触系数此时空气冷却器可提供的接触系数为0.9，与第一步计算的接触系数相差不大。,(5)计算析湿系数,(6)计算传热系数假定水流速取1.0m/s。,(7)计算冷却水量,(8)计算热交换效率系数,(9)计算水的初温和终温,(10)计算空气的阻力损失和冷却水的阻力损失,5.校核性计算的计算步骤,(1)计算迎面风速和水流速由已知的空气冷却器样本或附录I查出迎风面积A,y,、每排的传热面积A,d,和通水截面积f,w,。,(2)确定接触系数按附录H，由迎面风速和排数查出接触系数。,(3)确定空气终状态,(4)计算析湿系数,(5)计算传热系数按附录I查传热系数计算公式进行计算。,(6)计算热交换效率系数计算传热单元数和水当量比，由线算图7-9确定热交换效率系数。,(7)计算水的终温,(2)确定接触系数按附录H，由迎面风速和排数查出接触系数为0.911。,(3)确定空气终状态,(4)计算析湿系数,(5)计算传热系数,(6)计算热交换效率系数,(7)重新假定再计算,(8)计算水的终温,7.2混合式热质交换设备的热工计算,7.2.1喷水室的热工计算,7.2.2冷却塔的热工计算,7.2.3喷射泵的热工计算,7.2.1喷水室的热工计算,1.影响喷水室处理效果的因素,2.喷水室的热交换效率系数和接触系数,3.喷水室热工计算类型和方法,4.喷水室设计性计算步骤和例题,5.喷水室校核性计算步骤和例题,1.影响喷水室处理效果的因素,(1)空气质量流速在喷水室内空气与水的热质交换效果与空气的流动状况即空气的质量流速有关。,(2)喷水系数,(3)喷水室结构特性,(4)空气与水的初参数被处理的空气与水的初参数决定了喷水室内热质交换的动力大小和方向。,(3)喷水室结构特性,1)喷嘴排数。,2)喷嘴密度。,3)喷水方向。,4)排管间距。,5)喷嘴孔径。,2.喷水室的热交换效率系数和接触系数,(1)热交换效率系数热交换效率系数又叫第一热交换效率或全热交换效率，它同时考虑了空气和水的状态变化。,(2)接触系数接触系数又称第二热交换效率系数或通用热交换效率系数，它只考虑空气的状态变化。,图7-12冷却干燥过程的焓湿图,3.喷水室热工计算类型和方法,(1)喷水室的计算类型本节介绍以两个热交换效率的实验公式为基础的计算方法，即双效率法。,(2)喷水室的计算公式选择的喷水室应达到下列要求：喷水室能达到的热交换效率系数应该等于空气处理过程需要的热交换效率系数；喷水室能达到的接触系数应该等于空气处理过程需要的接触系数；喷水室喷出的水能够吸收的热量应该等于空气失去的热量。,(3)喷水室的阻力计算喷水室的阻力包括前、后挡水板的阻力，喷嘴排管的阻力和水苗的阻力，计算公式如下。,表7-5空气的焓和湿球温度的比值,大气压力/Pa,湿球温度/,5,10,15,20,25,28,101325,373,293,281,287,306,321,99325,377,298,284,290,308,323,97325,390,301,291,297,314,328,95325,394,306,294,298,318,331,图7-13喷水室热平衡图,4.喷水室设计性计算步骤和例题,1)用空气的参数计算接触系数,2)选用喷水室结构，喷嘴形式、喷嘴直径、喷嘴密度，取空气质量流速。,3)查接触系数的实验公式,4)求喷水量,5)查热交换效率系数的实验公式，求出热交换效率系数,6)用空气和水的参数计算热交换效率系数,7)列出热平衡方程式,8)联立求解以上两个方程，求水的初温和终温。,9)冷源方式的选择。,10)阻力计算。,1)计算接触系数,2)选用喷水室结构。,3)查接触系数的实验公式,4)求喷水量,5)查热交换效率系数的实验公式，求出热交换效率系数,6)用空气和水的参数计算热交换效率系数,7)列出热平衡方程式,8)联立求解以上两个方程,9)冷源方式的选择。,10)喷嘴前水压。,11)阻力计算。,图7-14Y-1型离心喷嘴喷水量与喷水压力和喷嘴直径的关系,5.喷水室校核性计算步骤和例题,1)计算喷水系数,2)根据已知的喷水室结构，用实验公式求出热交换效率系数和接触系数,3)求空气的湿球温度和水的终温，计算公式如下,4)利用下式求空气的终温,2)根据已知的喷水室结构，用实验公式求出热交换效率系数和接触系数,3)求空气的湿球温度和水的终温,1.054.19(t,w2,-8.45)=2.9422.5-2.82t,s2,7.2.2冷却塔的热工计算,1.冷却塔内的传热过程,2.冷却塔的热工计算公式和参数,3.冷却塔通风阻力计算,4.计算类型,2.冷却塔的热工计算公式和参数,(1)计算公式焓差法是利用麦凯尔方程和水空气的热平衡方程，求解水温,t,和比焓,h,的方法。,(2)冷却数的确定冷却数的定义式是很难求解的，一般采用近似求解法求出。,(3)特性数的确定,(4)表面传热系数与传质系数,(5)气水比的确定气水比是指冷却单位质量的水所需的空气的质量，用,表示。,图7-15塑料斜波5512.5601000型容积传质系数,为淋水密度，为塔内平均风速,图7-16纸质蜂窝1000型容积传质系数,图7-17两种填料的特性曲线,图7-18气水比及冷却数的确定,3.冷却塔通风阻力计算,7.2.3喷射泵的热工计算,1.喷射泵的类型,2.水喷射泵的结构,3.水喷射泵的热工计算公式和方法,图7-19水喷射泵结构示意图,2)确定水喷射器的最佳截面比和最佳压降比。,3)根据最佳压降比，求热网需要提供的最小供、回水管的资用压差值。,4)确定喷管出口截面面积和直径。,5)确定圆筒形混合室的截面积和直径,6)混合室长度,7)喷管出口截面与混合室入口截面之间的距离,8)确定扩压管出口截面积和直径。,9)确定扩压管长度，取扩散角,=8,表7-6最大压降比和最佳截面比与喷射系数的关系,u,02,04,06,08,10,12,14,16,18,20,22,04869,03673,02930,02419,02046,01761,01538,01358,01211,01087,00983,19,26,32,38,45,52,59,67,75,83,92,00895,06818,00751,00693,00642,00596,00555,00518,00486,00456,00419,101,110,119,129,140,150,161,172,184,196,208,7.3燃烧装置的热工计算,7.3.1扩散式燃烧器的热工计算,7.3.2部分预混式燃烧器的热工计算,7.3.3完全预混式燃烧器的热工计算,7.3.1扩散式燃烧器的热工计算,1.自然引风式管式燃烧器的设计计算,表7-7自然引风式扩散燃烧器火孔热强度,2.鼓风式套管燃烧器的设计计算,3.鼓风式旋流式燃烧器的设计计算,1.自然引风式管式燃烧器的设计计算,(1)确定火孔直径d,p,和间距,S,一般取火孔直径为14mm，若火孔直径过大不容易燃烧完全，过小容易堵塞。,(2)确定火孔热强度q,p,和计算火孔出口速度v,p,火孔热强度应根据火孔直径和燃气种类来确定，可根据表7-7确定。,表7-7自然引风式扩散燃烧器火孔热强度,(3)计算火孔总面积A,p,(4)计算火孔数目,n,(5)计算燃烧器头部燃气分配管的截面积A,g,(6)计算燃烧器前燃气压力,p,表7-7自然引风式扩散燃烧器火孔热强度,燃气种类,人工煤气,天然气,石油液化气,火孔直径/mm,1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4,火孔热强度,/（kW/m）,093,1047,0465,0582,0233,0279,0174,0233,0465,0349,0223,0116,0116,0035,0017,0009,2)确定火孔热强度,p,和计算火孔出口速度v,p,。,3)计算火孔总面积A,p,4)计算火孔数目,n,5)计算燃烧器头部燃气分配管的截面积A,g,和内径,6)计算燃烧器前燃气压力,p,7)火管布置和火管长度。,2.鼓风式套管燃烧器的设计计算,1)计算燃烧所需空气量。,2)计算出口截面处燃气和空气的流速。,3)计算空气。,4)计算燃烧器出口直径。,2)计算出口截面处燃气和空气的流速。,3)计算空气套管直径和燃气喷口的直径,4)计算燃烧器出口直径,3.鼓风式旋流式燃烧器的设计计算,(1)计算圆柱形空气通道直径,(2)涡壳结构参数比涡壳结构形式有两种：一种是等速涡壳供气，该种方式应用较多，如图7-20所示；一种是切向供气，如图7-21所示。,(3)确定空气实际通道宽度空气在通道内作螺旋向前运动，在圆柱形通道中心形成一个回流区，回流烟气预热空气和燃气，从而提高了燃烧速度。,(4)计算空气的实际流速,图7-20等速涡壳供气,图7-21切向涡壳供气,02330279,5kJ/kg，湿球温度为22，空气的终参数为温度为16.,影响喷水室处理效果的因素,4)计算燃烧器出口直径。,=1-exp-1-exp(-(-NTU),02330279,切向配风器，回流区直径与喷头直径比/,喷水室对空气进行处理，已知被处理空气的流量为20000kg/h，当地大气压为101325Pa，空气初参数为温度27，焓值为63.,1)计算接触系数2)选用喷水室结构。,5)水水换热器的选择计算。,经处理后的冷却塔或喷水室循环水,(4)火孔排数火孔排数在四排之内，排数对脱火极限以及燃烧器设计参数无明显影响，但对二次空气的供给产生影响。,(4)引射管计算喉部截面积与火孔总面积的比值范围取0.,(3)特性数的确定(4)表面传热系数与传质系数(5)气水比的确定气水比是指冷却单位质量的水所需的空气的质量，用表示。,=(1-exp-1-exp(-NTU),表7-8涡壳式扩散燃烧器回流区尺寸,结构比ab/,060,045,039,035,025,回流区直径与喷头直径比/,周边供燃气（无缩口）,041,041,047,069,中心供燃气（有缩口）,038,039,040,043,切向配风器，回流区直径与喷头直径比/,026,030,033,038,(5)计算燃烧器前空气所需压力,(6)计算燃气分配室尺寸燃气入口管内流速v,q,取1520m/s。,(7)确定燃气射流穿透深度,H,(8)确定燃气喷孔数目,(9)确定燃气喷孔尺寸,(10)燃气孔口出口流速,(11)计算燃烧器前燃气所需压力,(2)涡壳结构参数比取=0.35，b=D,p,=250mm。,(3)确定空气实际通道宽度,(4)计算空气的实际流速,(5)计算燃烧器前空气所需压力,(6)计算燃气分配室尺寸燃气入口管内流速v,q,取20m/s。,(7)确定燃气射流穿透深度,H,(8)确定最大直径喷孔燃气喷孔数目,(9)确定燃气喷孔尺寸,(10)燃气孔口出口流速,(11)计算燃烧器前燃气所需压力,表7-9空气螺旋运动的平均上升角(),结构比ab/,060,045,039,035,025,涡壳配风器,33,30,29,26,切向配风器,48,41,36,26,7.3.2部分预混式燃烧器的热工计算,1.部分预混式燃烧器的结构参数,2.大气式燃烧器热工计算步骤,1.部分预混式燃烧器的结构参数,(1)火孔尺寸根据火焰传播及稳定燃烧理论，火孔尺寸越小，越容易脱火；火孔尺寸越大，越容易回火。,(2)火孔深度增加火孔深度可使脱火极限增加，有利于提高燃烧的稳定性，但孔深增加到某一数值后，脱火极限就趋于定值。,(3)火孔间距当火孔间距增大时，对脱火和光焰极限并无显著影响。,(4)火孔排数火孔排数在四排之内，排数对脱火极限以及燃烧器设计参数无明显影响，但对二次空气的供给产生影响。,(5)火孔燃烧能力及火孔总面积火孔的燃烧能力指保证火孔稳定、完全燃烧的燃气量，通常用火孔热强度或燃气、空气混合物离开火孔时的速度来表示。,(6)燃烧器头部所需的压力为保证达到选定的出口气流速度和火孔热强度，燃气空气混合物在燃烧器头部必须具有一定的压力。,(7)敞开燃烧的大气式燃烧器二次空气口截面积的计算,表7-10大气式燃烧器的设计参数,燃气种类,焦炉煤气,天然气,液化石油气,火孔尺寸/mm,圆形孔,2530,2932,2932,条形孔,2012,1550,2030,2416,2030,2416,火孔中心间距/mm,(23),火孔深度/mm,(23),额定火孔热强度/（kW/m）,116198,5887,7093,额定火孔出口流速/（m/s）,2035,1013,1215,一次空气系数,055060,060065,060065,2.大气式燃烧器热工计算步骤,(1)选择火孔热强度，确定火孔总面积按照表7-9来确定火孔热强度，利用式(7-130)计算火孔总面积。,(2)确定火孔尺寸和火孔数目按照表7-9确定火孔直径、火孔数目、火孔深度和火孔排数。,(3)头部截面积计算燃烧器头部截面积等于燃烧器火孔总面积的1.5倍。,(4)引射管计算喉部截面积与火孔总面积的比值范围取0.350.6。,(5)一次空气入口,(6)喷嘴计算,(7)一次空气系数的确定,(8)燃烧器头部混合气体的能量损失燃烧器头部气体能量损失可按式(7-132)计算。,(2)确定火孔尺寸和火孔数目,(3)头部截面积计算,(4)引射器计算,(5)一次空气入口,(6)喷嘴计算喷嘴型式采用固定喷嘴。,(7)一次空气系数,7.3.3完全预混式燃烧器的热工计算,1.头部的设计计算,2.引射器的设计计算,1.头部的设计计算,(1)喷头的设计,(2)火道的设计火道应由耐高温和耐急冷急热材料制成，分为单火道和多火道。,2.引射器的设计计算,(1)引射器的引射系数u,(2)最佳截面比A,zj,(3)引射器喉部直径d,t,(4)扩压管出口直径d,k,和扩压管长度L,k,(5)引射器总长度L,(6)引射器喷嘴截面积A,j,和直径d,j,复习思考题和习题,1.空气冷却器可以实现哪些空气处理过程？,2.喷水室可以实现哪些空气处理过程？,3.空气冷却器除湿有什么缺点？,4.空气冷却器的肋片应加在哪侧？为什么？,5.空气冷却器接触系数与哪些因素有关，如何受到影响？,6.影响喷水室热交换效果的因素主要有哪些？,7.空气冷却器设计性计算要确定哪些参数？,8.空气冷却器的接触系数和喷水室接触系数物理意义相同吗？计算公式是否一致？,9.已知城市热网的供水温度为130，用户要求的供水温度为95，热网和用户的回水温度均为70，此时采用水水喷射泵把热网与用户连接，如何求喷射泵的喷射系数?,10.已知某采暖房间的热负荷为2000,W,，用户设计供回水温度为95/70，系统采用双管系统，如何选择散热器的形式、安装连接方式、散热器面积和片数？,11.已知采暖房间的设计热负荷为1500,W,，室内安装的钢制柱型散热器，散热器装在墙的凹槽内(半暗装)散热器上部距墙距离为100,mm,，供暖系统为双管式系统上供下回式，设计供回水温度为95/70，支管与散热器的连接方式为同侧连接，上进下出，求散热器的片数及面积？,12.小区热水供应系统采用板式水水加热器加热上水。,13.某小区供暖热负荷为4,MW,，外网蒸汽为饱和蒸汽，表压力为0.6,MPa,，小区热力站内设置壳管式汽水换热器和水水换热器，供暖用户的循环回水首先进入壳管式水水换热器，被凝结水加热，然后进入壳管式汽水换热器，被外网蒸汽加热。,14.已知室外热网供水温度为130，用户与热网采用水喷射器的直接连接方式，用户供水温度是95，回水温度为70。,15.喷水室对空气进行处理，已知被处理空气的流量为20000,kg,/,h,，当地大气压为101325,Pa,，空气初参数为温度27，焓值为63.5,kJ,/,kg,，湿球温度为22，空气的终参数为温度为16.6，焓值为44.4,kJ,/,kg,，湿球温度为15.9，求喷水量。,16.已知燃烧器热负荷为3,kW,，燃气的低位发热量为14350,kJ,/m,3,，燃气密度为0.72,kg,/m,3,。,演讲完毕，谢谢观看！,