翅片管换热器基础资料3

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

https://www.360docs.net/doc/5c4757459.html,

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：1 KW=860 Kcal/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=G g×（Tg1 ×Cp g1－Tg2 ×Cp g2）KW

此处：Gg：烟气的质量流量，kg/s

Cp g1 Cp g2：烟气的入口处比热和出口处比热，查物性表，KJ/（K g·oC）

Tg1：烟气入口温度，oC

Tg2：烟气出口温度，oC

在本例中，Gg=16000×1.295/3600=5.755 kg/s

Cp g1=1.102 KJ/（K g·oC），Cp g2 = 1.074 KJ/（K g·oC）

Tg1=220oC Tg2=120oC ，1.295 是烟气在0 oC时的密度（kg / m3）。

计算得Q=653 KW

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：

Q g = G g×（Tg ×Cp g）

【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134 oC 降至50 oC，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=G g×Cp g×（Tg1-Tg2）

=（7500×1.295/3600）kg/s×1.07 KJ/（K g·oC）×(134-50) oC

= 242 KW

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1 t/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0.8 t/h ,150 oC 的饱和蒸汽加热空气，希望将空气从0 oC加热到100 oC，蒸汽凝结后的凝结水温度为120 oC。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150 oC下饱和蒸汽的焓值i"=2745.3 kJ/kg和120 oC的饱和水的焓值i′=503.7

kJ/kg，则热负荷为：Q=（800/3600）㎏/s×(2745.3-503.7)KJ/kg=498 KJ/s=498 KW 对空气侧，有下列关系式：Q=Ga×Cpa×（Ta2-Ta1）

式中，Ga：空气流量，㎏/s

Cpa = 1.005 KJ/（K g·oC）：空气比热，按平均温度查表

Ta2=100 oC，空气出口温度；Ta1=0 oC，空气入口温度

由上式解出

Ga= Q / [Cpa×（Ta2-Ta1）] = 4.96 kg / s =17840 kg / h =13800 Nm3 / 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320 oC，烟气流量大约为70000 Nm3/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。

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）：134 oC —→50oC，7500 Nm3/h，Q=242KW

冷流体（空气）：20 oC—→30 oC，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=67000 Nm3/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）：310 oC—→190oC，70000 Nm3/h，Q=3633KW

冷流体（蒸气）：进口水温—→158 oC，产汽量未知。

（未知）

首先与用户协商后，设定进口水温为100 oC（经省煤器后进入）。

需要确定的就是蒸汽产量Gv了

Gv=Q/（i"158 oC-i′100 oC）

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i"158 oC =2755kJ/kg，进口水的焓值i′100 oC=419.1 kJ/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8 t/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：

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

https://www.360docs.net/doc/5c4757459.html,

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h o . 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。

第八讲翅片管换热器的传热温差

主讲人哈尔滨工业大学刘纪福教授

在上一讲中介绍了传热公式

Q=K*A*△T

并针对翅片管换热器给出了传热系数K的简化计算方法和大致的数值范围。本讲将要讲述上述传热公式中的△T——翅片管换热器的传热温差。

应当指出：（1）传热温差△T指的是换热器中热流体和冷流体之间的温差，即

△T =T热流体-T冷流体= T1－T2

此后，用T1代表热流体温度，用T2代表冷流体温度。

（2）T1，T2沿换热面积货流程是变化的，并不是一个常数，因而传热公式中的△T指的是平均传热温差。

（3）在换热器设计中，总是希望传热温差越大越好。因为根据传热公式，在相同的传热量Q及传热系数K的情况下，△T越大则需要的传热面积A就越小。设备的金属耗量及一次投资就越小，使设备的经济性和紧凑性得以提高。

1．冷流体逆流时的传热温差

所谓逆流是指热流体和冷流体在传热面的两侧沿相反的方向流动，其温度变化曲线，如下图所示

冷热流体的温度变化

（3）冷热流体逆流传热的另一个优点是：冷流体的出口温度T2``甚至可以超过热流体的出口温度T1`` 由上面的例题中可以看出，冷流体出口温度为，40℃，大于热流体传热，才能使冷流体的温度有更大的升高空间。而在顺流情况下，这是绝对做不到的。

2．翅片管换热器的传热温差

上面讲到，既然冷热流体的逆流传热有这么多优点，那么，能否将逆流方式应用于翅片管换热器上？很遗憾，对翅片管换热器很难做到纯粹的逆流，一般，翅片管换热器的流动方式如下图所示。

如图所示这是一个典型的翅片管省煤器的流动方式，被加热的水从翅片管束的下部流向上部，而热流体烟气从上部流向下部。从整体上看，冷热流体呈逆向流动。但从局部来看，就任何一排翅片管而言，烟气与管内流体是交叉流动。对这种特殊的流动方式称之为“逆向交叉流”。大多数翅片管换热器，都属于这种流动类型。

理论上可以证明，对于这种逆向交叉流的传热温差△T等于纯逆流情况的对数平均温差乘上一个小于1的修正系数ψ

即△T交叉流=△T逆流×ψ

ψ是一个小于1但接近1的数值，可以由算式和相应图表确定。对于翅片管束的大多数换热情况，ψ ≈ 0.98。因为ψ的值非常接近于1，有时翅片管换热器的传热温差直接选用逆流时的对数评价温差。0.98的修正值的影响待以后计算传热面积时，选用较大的面积安全系数就统一加以考虑了。