热质交换原理与设备 (13).pdf

5.2.4表面式冷却器的热工计算一.表冷器处理空气时发生的热质交换的特点口等湿冷却过程或干冷过程（干工况）：显热交换口减湿冷却过程或湿冷过程（湿工况）：显热交换和潜热交换空气主流与凝结水膜相邻的饱和空气层中的水蒸口空气主流与凝结水膜之间的温差而产生热交换;表冷器中热质交换规律符合刘伊斯关系式:则推动总热交换的动力最含差:dQt=hm(i ib)dA=-(?-ib)dA口温差引赳的热交换量为dQ=h(t-tb)dA引入换热扩大系数表示由于存在湿交换而增大了的换热 量dQt=(i-ijdQ cp(t-tb)J直接反映了表冷器上凝结水析出的多少，又称为析湿 系数。干工况的J二1。二宜熟系数对于既定结构的肋管式换热器，其传热系数为:1K=1 Jb P-1-1-hw X hn由于i-ib=与_)dQt=hm(i-ih)dA=-(i-ib)dA则:CPdQt=hw(t-tb)dAhw表冷器外表面的换热系数。说明：当表冷器上出现凝名邺时，外表面的换热 系数比干工况时增大了 自语；此时表冷器的传 热系数K：Ss 1 B8 P-1-1-hw 唯 X hnW/m2-K幺丁湿工况下表冷器的传热系数-W/m2K。s口对于既定结构的表冷器，避响其传热系数的主要 因素为其内、外表面的换热素数和析湿系数。口外表面的换热系数与空气的迎面风速匕或质量 流速V/有关；,口水为传热介质时，内表面换热系数与水的流速W有关；口析湿系数与被处理空气的（初）状态和管内水温 有关。实际工作中，将表冷器的传热系数整理成以下形 式的公式：*1-1 1 W/m2-KK=-1-B3nV被处理空气通过表冷器时的迎面风速，m/s；-水在表冷器管内的流速，m/sA、B由实验得出的系数，无因次；m、p、n-由实验得出的指数，无因次。三.表冷器的设计计算表面式冷却器处理空气可分为：口设计性计算：选择表冷器，以满足已知初、终参数的 空气处理要求；口校核性计算：检查已确定了型号的表冷器，将具有一 定初参数的空气能处理到什么样的终参数。表5-2是最常见的计算类型。表5-2表面冷却器的热工计算类型计算内容计算类型 已知条件设计性计算 空气初状态J ii（tsl.）JL，JL kD JLI空气终状态t2,i2（ts2.）冷却器型号、台数、排 数（冷却面积A）冷水 初温twi（或冷水量W）终温tw2（冷量Q）空气量G校核性计算空气初参数L,ii（ts）冷却器型号、台数、排数（冷却面积A）空气终参数t2 i2（t s2 ）冷水终温1卬2，（冷量Q）冷水初温twi，冷水量W水冷式表冷器的设计计算（效能-传热单元数法）1.表冷器的热交换效率（全琼交换效率）定义式为：f _f%一t处理前空气的干壬褊度，;f处理后空气的干球温度，;t 1 冷水初温，Co 上式同时考虑了空气和水的状态变化。t2tl2t331？=100%tsi11ts212 trtwl表冷器中可能发生的最大温差。将式分子分母同时乘以空气的热容量有：=GCp(%-2)=表冷器中的实际换热量=GCpf)一表冷器中最大可能换热量实质上三就是前面讲的换热器的传热效能。在表冷器的某微元面上，由于存在温差，空气温度下降dt放出的热量为：dQ=GCp&dtJ冷却过程中的平均析湿系数口温差一定，表冷器表面上有凝结水时，传热系数由KKso上式表明相当于空气的热容量增大4 了倍。所表示的无因次量有:热容比:(Gc)空气二断(Gc)水一力Q 二传热单元数：ntu=2=akI(Gc)空气&GCp式中W为冷水量，单位是kg/s。空调工程中用表冷器处理空气时，可视为逆流流动，具热交挟致率旦技型流传热效能公式可得:l-exp-NTU(l-Cr)1-Cr exp-NTU(l-Cr)与空气调节教材中的热交换效率系数J的表达式是完全一样的。2.表冷器的接触系数（通用热交换效率）接触系数为：J二仁殳1 一 3t3表冷器在理想条件下工作时，空气终状态 的干球温度，o/只考虑空气的状态变化。根据定义：与=上2=1-X 6 T3 1 31t3t2 n3/i；2twl如上图，在微元面积dA上由于存在热交换，空 气放出的热量Gdi应该等工令却器表面吸收的 热量hm(i-i3)dA,即：-Gdi=hm(i-i3)dA将hm=hw/Cp代入上式，经整理后可得:if Ge。假定冷却器的表面温度恒定为其平均值，可认为 i3是一常数。将上式从0到A积分之得:3Gcp82=1-exphwAGcpodAA如果将G=AyVyP代入上式，贝lj：邙、s2=1-exp-AyVyPCp)k每排肋片管外表面面积与迎风面积之比称做肋通 系数a：Aa 二-NAv式中，N为肋片管的排数。将a值代入则：r L Q hwaN-I a WVyPCpj对于结构特性一定的表面冷却器来说，由于肋通 系数是个定值，空气密度也可看成常数，而1一 般是正比于Vym的。所以与就成了 Vy和N的函数,即：e（vyzN）口j将随冷却器排数N的增加而变大，并随Vy的 口当N与Vy确定之后，再求得hw；就可算出表面 冷却器的与值。此外，表面冷却器的与值也可通 过实测得到。口一般多用48排。口比较合适的Vy值是23m/So3.表冷器热工计算的主要原则进行表IHT专却器热_1讦算的主要日1折该冷却器能达到的j应该等于空气处理过程 需要的j；该冷却器能达到的 2应该等于空气处理过程 需要的 2；该冷却器能吸收的热量应该等于空气放出的热 量。卜面二个条件可以用不面二个方程式来表示7=-12 _ l-exp-NTU(l-Cr)tf iCexp-NTU(1-CJ二 f(Vy,*)1 2s2 1 I h A=_z=l-exp-2 L-t.Gc1 si p=”,2Q=G(iT=Wc(tw25(1)设计计算时:根据给定的空气初、终态参数计算所需的与；根据弓再确定冷却器的型号、台数与排数；。求出该冷却器能够达到的J；:确定冷却水的初温twi：wl-1（2）已知条件中给定了冷水初温twl,则J已定,通过网整水流速3（改变水量W）或者调整迎面风速Vy和排数N（改变传热系数Ks和 传热面积A）等，使所选择的冷却器能达到处理过 程需要的说明：热平衡式实际包括Q=G 和Q=Wc（tw2-tw。两个方程。4.关于安全系数的考虑在选择计算时考虑一定白密全系数。(1)增加传热面积，做法有两种：一是在保证Vy 情况下增加排数；二是减少Vy增加Ay,保持排数 不变。(2)保持传热面积不变，降低水初温twi。口表面冷却器的阻力计算工程上是利用实验公式 进行的。国产的部分水冷式表面冷却器的阻力计 算公式见附录。5.表冷器的设计计算步骤举例例51已知被处理的空气量G为30000kg/h(8.33kg/s)；当地大气压力为101325Pa；空气的初参数为 t1=25.6x i=50.9 kJ/kg、tsl=18x(pi=47%。空气的终参数为t2=llC、i2=30.7kJ/kgs ts2=10.6x(p2=9 5%o试选择JW型表面冷却器，并确定 水温水量(JW型表面冷却器的技术数据见附录5-5)。解计算需要的接触系数与，确定冷却器的排数；根据/日 1&得1 H-10.6)邑=1-=0.9 47根据附录5-4可知，徨亳耐的Vy范围内，JW型8 排表面冷却器能满足&2=。.947的要求，所以决 定选用8排。ti=25.61!=100%t2二 n一tsi=18ii=50.9/yts2=10.6十-9/12=30.7 tw2-r 4/otwl 二？确定表面冷却器的型号口假定一个计算迎风理积Ay，再根据Ay选 择合适的冷束器型号及并联台数:并算出实除的Vy值。假定 Vy=2.5m/s：Ay 二G 8.33=2.8m2V：p 2.5xl.2口根据Ay=2,8m2,查附录勺-5,选用JW30-4型表面冷却器一台，其Ay=2.57m2,所以实际 的Vy为：Vy=G 8.33 c,=-=2.7m/sAyp 2.57x1.2再查附录5-4,在Vy=2,7m/s时，8排JW型 表面冷却器实际的&2=。,950,与需要的&2=0.947差别不大，可继续计算。口若二者差别较大（10%）,应改选其它型号表 冷器或在设计允许范围内调整空气的一个终参数,变成已知冷却面积及一个空气终参数求解另一个 空气终参数的问题。由附录5-5可知，所选表冷器的每排传热面积:Ad=33,40m2,通水截面积Aw=0.00553m2。求析湿系数-=1.381.01x(25.6-11)求传热系数 未给出水初温或水量，缺少一个已知条件，故采 用假定水流速的办法补充一个已知数。假定水流速二l,2m/s,根据附录5-3中的相应 公式可计算出传热系数：1K-1-，35.5丫8 353.6。8 1 1=-1-_35.5x2.7-58xl,3810 353.6 xl.208=71W/(m2-)求冷水量根据川二八川3义1。3得：w=0.00553X1.2X103=6.64kg/s求表冷器能达到的与先求传热单元数及水当量JNTU=KsA 71x33.4x8*Cp-1.38x8.33xl.01xl03根据式(6-45)/Ge”1.38x8.33x1.01x1()3根据NTU禾匕矗图或隹黔疆露=01.65=0.42,74 o求水温由公式（6-41）得洛7k初温,A 4弓&i=25.6-25,6-11=5.90.74根据热平衡方程式Q=G(it-i2)=Wc(tw2-twl)冷水终温:w2 wl=5g+8.33(50.930.7):1上尹。6.64x4.19求空气阻力和水阻力查附录5-3中JW型8排表;令器的阻力计算公式可得：空气侧阻力：AHS=70.56V；2i=70.56x2.7121=235Pa 水侧阻力：Ah=20.190)193=20.19 xl.2i 93=28.6Pa表冷器的校核计算要满足同其设计计算一样的三 个条件：式(6-38)、(6-39)和(6-40)。校核计算中，在空气终参数未求出之前，尚不知 道过程的析湿系数需在这种情况下采用试算法较 为方便，具体做法将通过下面例题说明。口被处理的空气量为16000kg/h(4.44kg/s)；当地大气压力为101325Pa；空气的初参数为：t=25v ii=59kJ/kg、tsl=-J-.Xa.X.20.5；冷水量为W=23500kg/h(6.53kg/s)、冷水初温为twi=5。试求用JW20-4型 6排冷却器处理空气所能达到的终状态和水终温。交泠却 黑迎面风谏V,乃水西速3_由附录5-5知JW20-4型表面冷却器迎风面积Ay=1.87m2,每排散热面积Ad=24.05m2,通水fMAw=O.00407m2,所以T G 4.44 r cc/Vv=-=-=1.9 8m/sy Ayp 1.87x1.2W6.53co-=-Awxl03 0.00407 xlO3 w=1.6m/s%100%1ti=25tsi=20.5ii=59.1求冷却器可提供的立根据附录5-4,当V、,=1.98t/s；=6排时:2=0.911假定I2,确定空气终状态假定12=1。5,(一般可按t2=twi十(46)o根据 ts2=t2-(t-tsi)(1-2)可得：ts2=10.5-(25-20.5)(1-0.9 11)=10.1 查i-d图，当ts2=10时，i2=29.7 kJ/kgo-求析湿系数59297CpUlf)1.01x(25-10.5)求传热系数 根据附录5-3,对于JW型6排冷却器-i-i 4L5V 0.521.02+325.6co0-841.5x1.9 852 x 2.O1102 325.6 x co0-8=9 6.2W/(m2-)求表面冷却器能达到的值ntu=己Gc 水当量房p9 6.2x24.05x62.01x4.44xl.01xl03=1.54一 自 GCp 2.01x4.44xl.01xl03C=.-根籍11舫口 Q值霸威腾獴j=0.73求需要的七并与上面得到的比较门 70.=-=0.725ttwi 25-5两个J值相差不多，证明所设t2=10,5合适;如不合适，则应重设再算。在本例题的条件下，得到空气终参数为：t?=10.5x L?=10.1x i?=29.7kJ/kgo求冷量及水终温冷量：Q=4.44(59.1-29.7)=130.5kWtv2=5+4.44x(59.1-29.7)二9用6.53x4.19上面例题如用计算机解，可按下图所示的框图 编制程序。输入已知参数打印，结束求 Q，tw2,求Vy,3,与求 Ks,NTU,Cr求力,J图计算机解例题5-2的框图