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

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）