【導(dǎo)讀】蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）

　　

【正文】 氣換熱器的結(jié)構(gòu)，計算相應(yīng)工作條件下的傳熱系數(shù) U的數(shù) 值； （ 4）從已知的 UA和 A1由傳熱方程求出換熱量 Q (假設(shè)出口溫度下的計算 值 ）； 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 （ 5）再由熱管氣 氣換熱器熱平衡方程計算出冷熱流體的出口溫 度值； 以新計算出的出口溫度作為假設(shè)溫度值，重復(fù)以上步驟 （ 2)至（ 5)， 直至前后兩次計算值的誤差小于給定數(shù)值為止，一般相對誤差應(yīng)控在 1%。 熱管氣 氣換熱器計算得傳熱單元數(shù)法 傳熱單元數(shù)是反映冷熱流體間換熱過程難易程度的參數(shù)，也是衡量熱管氣 氣換熱器傳熱能力的參數(shù)。 熱流體和冷流體的傳熱單元數(shù) 1NTU 和 2NTU 各按下式定義計算： 39。139。39。1 11 1 2 1()TT pdT UAN T U T T m c???? 39。239。39。2 22 1 2 2()TT pdT UAN T U T T m c???? 式中 39。1T 和 39。39。1T 分別為熱流體的進出口溫 度， 39。2T 和 39。39。2T 分別為冷流體的進出口溫度， 1dT 和 2dT 分別為微元傳熱面兩側(cè)的熱流體和冷流體溫度， U 為平均傳熱系數(shù)，A 為傳熱面積， 1()pmc 和 2()pmc 分別為熱流體和冷流體的水當(dāng)量。由定義式可知：在設(shè)計熱管氣 氣換熱器時，換熱要求越高，則所需 傳熱面積越大，傳熱單元數(shù)也越大，對操作中的熱管氣 氣換熱器，傳熱單元數(shù)越大，表明其性能越好。 采用傳熱單元數(shù)法計算換熱過程，還必須引入傳熱效率的概念。熱管氣 氣換熱器內(nèi)傳熱效率是指兩流體的實際傳熱量與理論上可能的最大傳熱量（即兩流體逆流操作且傳熱面積無限大時的傳熱量，此時 39。39。2T = 39。1T 或 39。39。1T = 39。2T ）的比值。熱流體和冷流體的 傳熱效率分別為： 39。 39。39。111 39。39。12TTTT? ?? ? 39。39。 39。222 39。39。12TTTT? ?? ? 對一定形式的熱管氣 氣換熱器，傳熱單元數(shù)，傳熱效率，和兩相熱容量流率（ pmc ）間存在一定關(guān)系。對于逆流操作的熱管氣 氣換熱器為： 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 ? ?? ?1111 1 11 e x p ( 1 )1 e x p ( 1 )N T U RR N T U R? ??? ? ?? ?2222 2 21 e x p ( 1 )1 e x p ( 1 )N T U RR N T U R? ??? 其中： 112()()ppmcR mc? 221()()ppmcR mc? 利用 NTU 和 ?的關(guān)系式和熱量衡算式，可較方便的進行傳熱計算，特別是對已有熱管氣 氣換熱器傳熱性能進行核算，課避免試算或減少試算的次數(shù)。 1. ? NTU 法進行熱管氣 氣換熱器校核計算得主要步驟為： （ 1）由熱管氣 氣換熱器的進口溫度和假定出口溫度來確定物性參數(shù)，計算熱管氣 氣換熱器的傳熱系數(shù) U。 （ 2）計算熱管氣 氣換熱器的傳熱單元數(shù) NTU 和熱容流率的比值 min max/XX （ 3）按照熱管氣 氣換熱器中流體流動類型，根據(jù) ? NTU 的計算公式計算預(yù)熱器的效能值 ? ； （ 4）根據(jù)冷熱流體的進口溫度及最小熱容流率，按照公式求出換熱量 Q； （ 5）利用熱管氣 氣換熱器的熱平衡方程確定冷熱流體的出口溫度 39。39。2T 和 39。39。1T ； 已計算得出口溫度重新計算傳熱系數(shù)，并重復(fù)計算步驟（ 2）至（ 5）。 2. ? NTU 法用于熱管氣 氣換熱器的設(shè)計計算，其主要步驟為： （ 1）由熱管氣 氣換熱器的熱平衡方程求出待求的溫度值，進而由公式計算出預(yù)熱器效能 ? ； （ 2）根據(jù)所選用的流動類型以及 ? 和 min max/XX的數(shù)值，計算傳熱單元數(shù)NTU； 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 （ 3）初步確定換熱面的布置，并計算出相應(yīng)的傳熱系數(shù) U 的數(shù)值； （ 4）再由 NTU 的定義式確定換熱 面積 A= minX NTU/U，同時核算熱管空氣預(yù)熱器冷熱流體的流動阻力； （ 5）如果流動阻力過大，或者換熱面積過大，造成設(shè)計不合理，則應(yīng)改變設(shè)計方案重新計算。 總換熱系數(shù)的求解理論及方法 如圖 是熱管氣 氣換熱器的換熱示意簡圖，高溫?zé)煔饬鬟^隔板的一側(cè)，將熱量 傳給帶有翅片的熱管，并通過熱管將熱量傳至空氣側(cè)。高溫?zé)煔庋亓鲃臃较虿粩啾焕鋮s，低溫的空氣沿流動方向不斷被加熱。原則上可以把熱管群看成是一塊流阻很小的“間壁”。因而熱管氣 氣換熱器與常規(guī)間壁式換熱器的 計算方法相似。 如圖 所示，用下標(biāo) h 表示加熱段，下標(biāo) c 表示冷卻段。對于加熱段，熱流體溫度為 1T ， Tv 代表管內(nèi)介質(zhì)蒸汽溫度；對于換熱管，在加熱段和冷卻段的管內(nèi)蒸汽溫度基本相等，冷流體溫度為 2T 。用 rw 表示管壁熱阻，用 ry 表示污垢熱阻，其中δ y 為污垢層厚度，λ y 為污垢層導(dǎo)熱系數(shù)，可得加熱段和冷卻段的傳熱系數(shù)。 圖 31 熱管的溫度分布示意圖 對于加熱段，有 111 1 1 11 0 1 0 1 1 1 1 1 1 11 () wyf w y i iA A A ArrU U A A A A U A?? ? ? ?? (1) 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 對于冷卻段，有 222 2 2 22 0 2 0 2 2 2 2 2 2 21 () wyf w y i iA A A ArrU U A A A A U A?? ? ? ?? (2) 式中的 1A 和 2A 分別為加熱段和冷卻段的管外總表面積， A0， A0， 2 分別為加熱段和冷卻段翅片間光管表面積； 1fA 和 2fA 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積； 1U 和 2U 分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。 加熱段的傳熱方程為： 1 1 1()vQ U A T T?? (3) 冷卻段的傳熱方程為： 2 2 2()vQ U A T T?? (4) 將上式整理后可得： 1 11v QTTUA?? (5) 2 22v QTTUA?? (6) 兩式相加消去 vT 后，可得： 121 1 2 211TTQU A U A??? (7) 對于熱管氣 氣換熱器，一般總是以加熱段管外側(cè)的總表面積 1A 為計算基準(zhǔn)的， 故 : 10()fA A A?? (8) 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 111 1 1 11 0 1 0 1 1 1 1 1 1 11 () wyf w y i iA A A ArrU U A A A A U A?? ? ? ?? (1) 對于冷卻段，有 222 2 2 22 0 2 0 2 2 2 2 2 2 21 () wyf w y i iA A A ArrU U A A A A U A?? ? ? ?? (2) 式中的 1A 和 2A 分別為加熱段和冷卻段的管外總表面積， A0， A0， 2 分別為加熱段和冷卻段翅片間光管表面積； 1fA 和 2fA 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積； 1U 和 2U 分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。 加熱段的傳熱方程為： 1 1 1()vQ U A T T?? (3) 冷卻段的傳熱方程為： 2 2 2()vQ U A T T?? (4) 將上式整理后可得： 1 11v QTTUA?? (5) 2 22v QTTUA?? (6) 兩式相加消去 vT 后，可得： 121 1 2 211TTQU A U A??? (7) 對于熱管氣 氣換熱器，一般總是以加熱段管外側(cè)的總表面積 1A 為計算基準(zhǔn)的， 故 : 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 10()fA A A?? (8) 111 1 1 11 0 1 0 1 1 1 1 1 1 11 () wyf w y i iA A A ArrU U A A A A U A?? ? ? ?? (1) 對于冷卻段，有 222 2 2 22 0 2 0 2 2 2 2 2 2 21 () wyf w y i iA A A ArrU U A A A A U A?? ? ? ?? (2) 式中的 1A 和 2A 分別為加熱段和冷卻段的管外總表面積， A0， A0， 2 分別為加熱段和冷卻段翅片間光管表面積； 1fA 和 2fA 分別為加熱段和冷卻段的管外翅片總表面積； 1U 和 2U 分別為加熱段和冷卻段以各段管外總表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。 加熱段的傳熱方程為： 1 1 1()vQ U A T T?? (3) 冷卻段的傳熱方程為： 2 2 2()vQ U A T T?? (4) 將上式整理后可得： 1 11v QTTUA?? (5) 2 22v QTTUA?? (6) 兩式相加消去 vT 后，可得： 121 1 2 211TTQU A U A??? (7) 對于熱管氣 氣換熱器，一般總是以加熱段管外側(cè)的總表面積 1A 為計算基準(zhǔn)的， 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 故 : 10()fA A A?? (8) 因而對應(yīng)于 1A 的熱管氣 氣換熱 器總傳熱系數(shù) U 為 : 1 1 11 1 2 2 1 2 21111U A A AU A U A U U A??? ? ? (9) 將（ 1）和（ 2）式代入上式可得 : 111 1 1 1 110 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1222 2 2 2 222 0 2 0 2 2 2 2 2 2 211()1()wyf w y i i H P iwyH P i f w y i iA A A A ArrU U A A A A U A U AA A A A ArrU A U A A A A U A??? ? ? ? ??? ? ? ? ?? （ 10） 式（ 10）中并未考慮吸液芯導(dǎo)熱和管內(nèi)蒸汽流動的影響。在考慮吸液芯的情況下，蒸發(fā)段的管內(nèi)傳熱系數(shù)應(yīng)包括吸液芯的導(dǎo)熱和表面蒸發(fā)兩項，同樣在冷凝段也應(yīng)包括表面冷凝和吸液芯導(dǎo)熱兩項。在不計吸液芯和蒸汽流動所造成的熱阻的情況下。 式（ 10）就具有如下的形式 ： 111 1 1 1 10 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 2222 2 2 20 2 0 2 2 2 2 2 2 21()()wyf w y i i i iwyf w y i iA A A A ArrU U A A A A U A U AA A A ArrU A A A A U A??? ? ? ? ??? ? ? ?? （ 11） 式中 的為以管內(nèi)面積為基準(zhǔn)的熱管內(nèi)部蒸發(fā)傳熱系數(shù)， 為以管內(nèi)面積為基準(zhǔn)的熱管內(nèi)部冷凝傳熱系數(shù)。 實驗表明，簡略計算時可令 = = kW/（ m178。.K），再令 01 0 111()fU A AU A ??? （ 12） 0 2 0 222()fU A AU A ??? （ 13） 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 其中的 1U 、 2U 分別為加熱段和冷卻段管外的有效給熱系數(shù)。最后式（ 11）可寫為： 111 1 1 1121 2 1 1 2221 1 12 2 2 21 1 1 1wyw y H P i H P iwywyA A A ArrU U A A U A U AA A ArrA A U A? ? ? ? ? ?? ? ? (14) 如果熱管氣 氣換熱器的冷、熱流體的隔板放在熱管的中央，此時冷側(cè)和熱側(cè)管外總面積相等（冷熱側(cè)翅片參數(shù)相同時），若冷流體是干凈的空氣，則上式可簡化成為 : 111 1 1121 1 1 11 1 1 1 12 2wyw y H P H P iA A ArrU U A A U U A U??? ? ? ? ? ????? (15) 式（ 15）常被用來計算熱管氣 氣換熱器的總傳熱系數(shù)。 在解決了熱管氣 氣換熱器的總傳熱系數(shù) U 之后，就可寫出熱管氣 氣換熱器的總傳熱方程式為 : 1 mQ UA T?? (16) 式中的 Q 為熱管氣 氣換熱器總傳熱量， U 為熱管氣 氣換熱器 的總傳熱系數(shù)， 1A 為熱管氣 氣換熱器加熱段管外總面積，Δ Tm 為熱管氣 氣換熱器的對數(shù)平均溫差。 一般情況下， Q 可以從冷、熱流體的熱平衡方程式中求出。從式（ 15）求出U，分別代入式（ 16），可求出 Ah。 若已知熱管加熱段單位長度的總表面積