1、1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
2、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 220C 降至 120C。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：16000Nm/h 。然后按
3、下式计算省煤器的热负荷： Q=Gg（Tg1 Cpg 1 Tg2 Cpg2） KW 此处：Gg：烟气的质量流量， kg/s Cpg1 Cpg2：烟气的入口处比热和出口处比热，查物性表，KJ/（KgC） Tg1：烟气入口温度，C Tg2：烟气出口温度， C 在本例中，Gg=160001.295/3600=5.755 kg/s 2Cpg1=1.102 KJ/（KgC） ， Cpg2 = 1.074 KJ/（K gC） Tg1=220C Tg2=120C ， 1.295 是烟气在 0 C 时的密度（kg / m 3）。 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
4、式计算： Qg = Gg（Tg Cpg） 【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 C 降至 50 C，燃气流量为 7500Nm/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=GgCpg（Tg1-Tg2） =（75001.295/3600）kg/s1.07 KJ/（KgC）(134-50) C = 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
5、热器，用锅炉产生的 0.8 t/h ,150 C 的饱和蒸汽加热空气，希望将空气从 0 C 加热到 100 C，蒸汽凝结后的凝结水温度为 120 C。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 C 下饱和蒸汽的焓值 i“=2745.3 kJ/kg 和 120 C 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=GaCpa（Ta2-Ta1） 式中，Ga：空气流量，/s Cpa =
6、 1.005 KJ/（KgC）：空气比热，按平均温度查表 Ta2=100 C，空气出口温度； Ta1=0 C，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 C，烟气流量大约为 70000 Nm/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。 3首先，在这一命题中并没有给出烟气的出口温度，因此，需要选择一个合理的烟气出口温度，并与用户协商。 该余热锅炉所产生的
7、 0.6MPa 的饱和蒸汽对应的饱和温度可由热物性表查出：tv=158 C。由此确定烟气出口温度应该大于 158 C，最后协商确定烟气出口温度取 Tg2=190 C。 回收热负荷： Q= GgCpg（Tg1-Tg2）=（700001.295/3600 ） 1.11（320-190）=3633 KW 由上面的几个实例可知，计算热负荷应遵循下面几条原则： （1）、对用户给出的参数按“热流体侧” 和“冷流体侧”进行分类比对，如 序号 热流体侧 序号 冷流体侧 1 热流体进口温度 4 冷流体进口温度 2 热流体出口温度 5 冷流体出口温度 3 热流体流量 6 冷流体流量 一般只需给出上述六个量中的 5
8、 个，选择给出条件最全面的那一侧流体进行热负荷计算。例如，若热流体侧 1、2、3 个条件都给出了，而冷流体侧只给出了两个 4、5，则应依据热流体侧给出的条件计算热负荷，即： Q=【流体流量，（kg/s ）】【进口焓值（kJ/kg）出口焓值（kJ/kg）】，得出的单位是 kJ/s 或 KW。 进出口焓值，对于水和水蒸气而言，可直接查物性表，对于烟气和空气，若用户没有给出焓值的数据，则可按下式计算： 焓值（kJ/kg）= 比热（kJ/kg C ） 温度（C） 即，i =CpT （2）、不要轻易相信用户（需方）给定的参数，尤其是烟气或空气流量，需要经过分析和核实。例如，有的用户将风机的铭牌流量作为计
9、算热负荷的参数，这是不对的。若流量是波动的（如炼钢炉的排气），则应了解其波动的振幅和周期，取其合理的数值作为设计值。大多数情况下，需要和用户进行面对面的分析和协商，做深入的调研或测试，以确定较为准确的设计参数，作为计算热负荷的依据。 曾经有过这样一个案例：某钢铁厂为了回收电弧炼铁炉的余热，要求上一台余热回收装置，用以产生蒸汽。当时根据厂方提供的数据，可以产生 35t/h 蒸汽，经过设计、制造、4安装运行后，得到的实际产汽量仅为 1518t/h。为什么有这么大的差距？后来经过调查，发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
10、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
11、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 C 50 C，7500 Nm /h，Q=242KW 冷流体（空气）：20 C30 C，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/（1.00510）=24kg/s=86686kg/h=67000 Nm/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，
12、 热流体（烟气）：310 C 190C，70000 Nm /h，Q=3633KW 冷流体（蒸气）：进口水温158 C，产汽量未知。 （未知） 首先与用户协商后，设定进口水温为 100 C（经省煤器后进入）。 需要确定的就是蒸汽产量 Gv 了 Gv=Q/（i“158 C-i100 C） 5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 C =2755kJ/kg，进口水的焓值 i100 C=419.1 kJ/kg 故： Gv =3633/（2755419.1）=1.555kg/s=5599kg/h=5.6t/h(产汽量) 在该项目的
13、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：6第七
14、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 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。）
15、 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/（C)）。（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
16、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 式中， 为翅化比，即加翅片后面积扩大的倍数， 为翅片效率，是小于 1 的数。 7加翅片后的总效果是 ho h 。 下面举几个传热过程的实例： 【例 1】：一个蒸汽加热器，用管内的蒸汽加热翅片管外的空气，这是一个典型的传热过程：热量从管内的热流体（蒸汽的凝结）通过翅片管的管壁传给冷流体（空气）。 【例 2】：某一翅片管式锅炉省煤器，热量从管外流动的高温烟气通
17、过管壁传给管内的冷流体水，这也是一个典型的传热过程。 【例 3】：家用暖气片，暖气片内流动的是热水，暖气片外是室内空气的自然对流。从内部的热水通过暖气壁面传给冷流体空气的过程是一个典型的传热过程。 应当指出，在稳定状态下，传热量 Q 在任一分过程中保持同一数值，即传入的 Q 值等于传出的 Q 值。所谓稳定状态，是指系统和设备的各点温度不随时间而变化时的状态。 2.传热系数 翅片管的传热过程，可用下面的图解加以说明，并最后推出传热系数的定义和表达式。过程 1-过程 2 -过程 3为 了 方 便 讨 论，将 圆 管 壁 面 简 化 为 平 壁89将上述三式左右分别相加，消去 Twi，Two得到下式
18、： )1(oioi hAQToiih1)从而得出最重要的传热公式：Q = A KT;；T=Ti-Tooih1式中， ，叫传热系数，表示单位面积、单位温差 ( Ti To )时传热量。单位TAK为 W/（ ）3. 传热热阻及数量级分析 传热系数可表示为传热热阻的形式： 总RTAKQ110（1/K） 越大，传热量越小，所以 （1/K）叫作传热热阻，用 R 总 表示。oihK11R 总 =Ri + Rw + Ro式中，R 总= 1/K，为 传热热阻，单位为：（ ）/wRi，Rw，Ro 分别代表串联于传热过程中的管内对流换热热阻，管壁热阻和管外对流换热热阻。如下图所示：在翅片管的传热过程中，各项热阻的
19、大小是不同的，比较如下：对于管内为水的流动：hi5000 W/（ ）,Ri=1/hi=0.0002 （）/W设管壁厚度 =0.003m, 导热系数 =40 W/（m ）( 对碳钢 )（ ）/W075.43.wR管外为翅片管，设基管外表面的换热系数 ho=200 W/（ ）,Ro=1/ho=0.005（）/W上例中，Ro：Ri ：Rw=1 ：0.04：0.015；由此可见，管壁导热热阻 Rw=/ 很小，约占总热阻的 1% 左右，可忽略之。 fhhhKoioioi )(1f 为小于 1 的常数，上例中， 93.054oihf为了设计安全，对翅片管传热，可取 f =0.80.9。主要考虑：管面的污垢
20、和积灰是一项附加的热阻，可使 R 总增大，使传热系数有所下降。此外，系数 f 也考虑了管内热阻 Ri及管壁热阻 Rw 的影响。 一般，f 值可按下表选取 11管外有积灰 f =0.8 管内为水的单相对流时 管外无积灰 f =0.9 管内为水的相变时 （沸腾和凝结） 管外有积灰 f =0.9 * 特殊情况：若管内为制冷剂或碳/氢化合物的液体或相变时，可取 f =0.7 4. 传热系数的估算表根据简化后的传热系数 K 的计算式： K=hof 及翅片管管外换热系数的换算式：ho=h 利用第二讲，第四讲中 h, , 的计算结果,可以得出不同情况下的传热系数 K 的估算值，见下表。表中包括了目前常用的翅
21、片管规格和常见的冷热流体的情况，与精确的计算结果相比，误差在10% 左右，是可以接受的。 气体绕流翅片管束时的换热系数和传热系数计算表 h , ho W/（), K ， W/（) 迎面质量流速 /S 1 /S 2 /S 3 /S 4 /S 翅片管规格 CPG(252.5/50/6/1) Pt=65mm 传热系数 K h=29.0 =7.4 =0.85 ho=182.4 K=146/164 h=47.8 =7.4 =0.83 ho=293.6 K=235/264 h=64 =7.4 =0.8 ho=378.4 K=303/341 h=78.7 =7.4 =0.78 ho=454.8 K=364/
22、409 翅片管规格 CPG(252.5/50/6/1) Pt=65mm h=27.7 =7.4 =0.86 h=45.5 =7.4 =0.84 h=64.0 =7.4 =0.81 h=78.7 =7.4 =0.79 12传热系数 K ho=176.2 K=141/159 ho=282.8 K=224/255 ho=383.6 K=307/345 ho=460.0 K=368/414 翅片管规格 CPG(252.5/55/6/1) Pt=65mm 传热系数 K h=26.7 =9.2 =0.82 ho=201.4 K=161/181 h=43.8 =9.2 =0.80 ho=322.4 K=25
23、8/290 h=58.7 =9.2 =0.77 ho=415.8 K=333/374 h=74.3 =9.2 =0.75 ho=512.7 K=410/461 翅片管规格 CPG(252.5/55/6/1) Pt=70mm 传热系数 K h=25.5 =9.2 =0.84 ho=197.0 K=158/177 h=42.0 =9.2 =0.82 ho=316.8 K=253/285 h=56.2 =9.2 =0.80 ho=413.6 K=331/372 h=69.0 =9.2 =0.78 ho=495.1 K=396/446 翅片管规格 CPG(323/62/8/1) Pt=76mm 传热系
24、数 K h=27.6 =6.62 =0.81 ho=148.0 K=118/133 h=45.4 =6.62 =0.85 ho=237.4 K=190/214 h=60.7 =6.62 =0.77 ho=309.4 K=248/278 h=74.6 =6.62 =0.75 ho=370.4 K=296/333 翅片管规格 CPG(323/70/8/1) Pt=85mm 传热系数 K h=25.0 =8.71 =0.76 ho=165.5 K=132/149 h=41.1 =8.71 =0.73 ho=261.3 K=209/235 h=54.9 = 8.71 =0.71 ho=339.5 K=
25、272/306 h=67.5 =8.71 =0.70 ho=411.5 K=329/370 翅片管规格 CPG(323/62/6/1) Pt=76mm 传热系数 K h=25.7 =8.49 =0.82 ho=178.9 K=143/161 h=42.3 =8.49 =0.80 ho=287.3 K=230/259 h=56.6 =8.49 =0.77 ho=370.0 K=296/333 h=69.6 =8.49 =0.75 ho=443.1 K=354/399 翅片管规格 CPG(383.5/68/8/1) h=28.5 =6.32 h=46.9 =6.32 h=62.7 =6.32 h=
26、77.1 =6.32 13Pt=80mm 传热系数 K =0.82 ho=147.7 K=118/133 =0.80 ho=237.1 K=190/213 =0.78 ho=309.1 K=247/278 =0.76 ho=370.3 K=296/333 翅片管规格 CPG(383.5/68/8/1) Pt=88mm 传热系数 K h=26.8 =6.32 =0.84 ho=142.3 K=114/128 h=29.0 =6.32 =0.82 ho=227.0 K=182/204 h=29.0 =6.32 =0.80 ho=295.8 K=237/266 h=29.0 =6.32 =0.78
27、ho=354.9 K=284/319 翅片管规格 CPG(383.5/76/8/1) Pt=90mm 传热系数 K h=24.8 =8.25 =0.75 ho=153.5 K=123/138 h=29.0 =8.25 =0.73 ho=246.3 K=197/222 h=29.0 =8.25 =0.71 ho=320.4 K=256/288 h=29.0 =8.25 =0.70 ho=388.0 K=310/349 翅片管规格 CPG(383.5/68/6/1) Pt=80mm 传热系数 K h=26.4 =8.1 =0.82 ho=175.3 K=140/158 h=43.5 =8.1 =0
28、.80 ho=281.9 K=226/254 h=61.6 =8.1 =0.78 ho=389.2 K=311/350 h=75.8 =8.1 =0.76 ho=466.6 K=373/420 翅片管规格 CPG(513.5/81/8/1) Pt=95mm 传热系数 K h=28.6 =5.92 =0.84 ho=142.2 K=114/128 h=47.0 =5.92 =0.82 ho=228.2 K=183/205 h=62.9 =5.92 =0.80 ho=297.9 K=238/268 h=77.3 =5.92 =0.78 ho=356.9 K=286/321 翅片管规格 CPG(51
29、3.5/89/8/1) Pt=104mm 传热系数 K h=25.0 =7.6 =0.78 ho=148.2 K=119/133 h=29.0 =7.6 =0.76 ho=237.4 K=190/214 h=29.0 =7.6 =0.74 ho=309.3 K=247/278 h=29.0 =7.6 =0.72 ho=369.9 K=296/333 14说明：K= * / * 其中斜线上面红色的数值代表管内是水的单相流动, 斜线下面蓝色的数值代表管内是水的相变换热（沸腾或凝结）。5. 问题讨论 【问题 1】有的读者提出用增加流速的办法也可以有效地增加管外侧的对流换热，难道一定要用翅片管吗？ 回
30、答：是的，一定要用翅片管。因为用增加流速的办法对增大对流换热和传热的作用是有限的，而只有采用翅片管才可能大幅度地增强传热。请注意上面表格中每一个方框栏中所列举的数据：其中，h 的数值也可看作未加翅片时光管的对流换热数值，当流速从 1/（S）增至 4/（S ）时， h 的数值可从 25 w/（ ）左右增加至 70 w/（）以上，看起来流速增加的效果是显著的。但请比较 ho 的变化，ho 代表采用翅片以后，换算到光管外表面的换热系数，当流速从 1/（S）增至 4 /（S）时，ho 将从 150 w/（ ）左右增加至 400 w/（ ）。由此可见，翅片的作用是不可替代的。此外，还应考虑到，流速是不允
31、许随意增加的，流速过高会导致流动阻力的急剧上升，增加运行成本。 【问题 2】传热公式 Q = A KT 与其他局部过程的换热计算式的区别在哪儿，传热公式有什么优点？ 回答：传热公式是基于从热流体到冷流体的整个传热过程推导出来的，而局部的换热计算式，如管外部的对流换热式 Q=A ho (Two-To)仅适用于这一特定的局部换热过程。 传热公式的最大优点在于其传热温差T=Ti-To 是热流体和冷流体之间的温度差。众所周知，流体的温度是比较容易测量和获取的；而任何一个局部的换热式中都包含了壁面温度(Two 或 Twi)。壁面温度的测量是很困难的，在一个大的换热设备中，要测量、获取它的壁面平均温度几乎
32、是不可能的。 【问题 3】既然传热系数 K 与三个局部过程的特性有关 :oihK11为什么这么看重翅片侧的换热系数 ho，且令 K= ( 0.8 0.9 ) ho 回答：这是因为翅片侧的“热阻”最大，唯有它对整个传热过程起到“控制”作用。在翅片管传热的应用条件下，假定管内是水的单相流动或水的相变过程（沸腾或凝结），管内的换热系数 hi 在 500010000 之间，而管外翅片侧的换热系数 ho 在 150400 之间。两者相差是很悬殊的。所以其热阻（1/ho ）将起到控制作用，总热阻仅比它大一点点。因而传热系15数 K 的数值总是接近 ho 的数值，且总是小于 ho 的数值 6. 应该记住的几
33、个概念 如果您对本讲的推导感到有点费解的话，下面几个简单的概念或基本公式是应该记住的，这对掌握翅片管换热器的设计方法是至关重要的。 * 传热过程是热量由热流体通过管壁传给冷流体的整个过程，它由三个局部过程组成。* 传热公式 Q = A KT ，一定要牢记。不论对所有型式的换热器的设计，还是对翅片管换热器的设计，它是形式最简单，但是最重要的公式，它是所有计算式中的 1 ！ * 之所以称上述公式最重要，因为换热器的传热面积 A 就是由这一传热公式计算出来的： m2 TKA其中,热负荷 Q 的计算已经在第六讲中讲过了，传热系数 K 的计算，在本讲中也交待了，剩下的就是温差T 了，这将是下讲的任务。
34、16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
35、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17冷热流体的温度变化图中 T1 ， T1代表热流体的进出口温度T2 ， T2代表冷流体的进出口温度由图可见，在不同的传热面积上，冷热流体的温差是不同的。为了求评价的传热温差，需要求解两曲线之间所夹面积的平均值。求解结果为： miniaxlT式中Tmax ，Tmin 分别是大的端部温差和小的端部温差，如图所示。因为分母出现了对数值，因而此传热评价温差又称为“对数平均温差”
36、 。应该指出，冷热流体的端部温度，就是冷热流体在换热器的进出口温度，这是换热器设计的基本条件，是应该预先给出或推算出的，见本讲座第六讲“热负荷和热平衡” 。例如：已知热流体温度：T1 =80，T1= 30冷流体温度： T1 =20，T1= 40其逆流时的对数平均温差建议按下面的排列方式计算；下式中，箭头代表流体的流动方向，两个端部温差也即一些出，不容易出错。热流体： 8030冷流体： 40201840 106.2104lnT冷热流体逆流换热的优点是：（1）对数平均温差大：计算表明在同样的进出口温度下，逆流时的对数平均温差总比两流体顺流时温差大。T 越大，就意味着可节省传热面积，所以，在换热器设
37、计中，设计者总是尽量让冷热流体逆向流动。（2）冷热流体逆流时，在传热面的任一位置上两侧的局部传热温差比较均匀，不会出现传热温差一头过大，一头过小的情况。传热温差比较均匀，就意味着单位面积上的传热量也比较均匀，不会出现因某处传热量过大，甚至超出其传热极限，而另一端传热两国小，而使传热面积没有得到充分利用的情况。（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
38、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。19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 即T 交叉流=T 逆流是一个小于 1 但接近 1 的数值，可以由算
39、式和相应图表确定。对于翅片管束的大多数换热情况， 0.98。因为 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。3计算举例 【例 1】 ：见第六讲中的例 1，哈尔滨双合翅片管厂（）生产的某型翅片管式锅炉省煤器，烟气入口温度T1 =220，出口温度 T1 =120，冷流体水的入口温度 T2 =48，出口温度 T2= 56。流动方式属逆向交叉流，试计算其传热温差计算：首先列出下式，按逆流计算热流体： 220 120冷流体： 56 4820164 728.17264lnT【例 2】 ：
40、见第六讲中的例 3.是哈尔滨双合翅片管厂（）生产的一台蒸汽加热空气的设备，饱和蒸汽的入口温度是 150，凝结后，排出的冷凝水的温度是 120；管外冷流体是空气，从 0被加热到 100，求其传热温差。计算：这一例子比较特殊：管内的热流体既有相变（从 150的蒸汽变为 150的水），也有单相流体的冷却（从 150的水冷却至 120的水），冷热流体的温度变化曲线如下图所示由图可见，这实际上是两个换热器组合在一起了，第一个换热器，对应的传热面积为A1,第二个换热器对应的面积为 A2，应分别计算两个换热器的传热评价温差，由热平衡可以确定冷流体（空气）的中间为 6，计算如下：*对 A1 换热器： 热流体：
41、 150150冷流体： 100650 144219.85014lnT*对 A2 换热器： 热流体： 150120冷流体： 6 0144 1206.13204lnT好了，由哈尔滨双合翅片管厂（）提供本讲的内容就讲完了，留下一个练习：试利用第六讲的热负荷及热平衡（）概念，计算上面例题中空气的中点温度。第九讲 翅片管换热器的工艺设计主讲人 哈尔滨工业大学刘纪福教授经过了哈尔滨双合翅片管厂（）翅片管/热管讲座前面几讲的技术准备之后，本讲就要进入目标课题翅片管换热器的工艺设计。 设计的出发点和归宿就是再三强调过并称之为“Number One”的传热公式，在以传热面积作为设计目标时，传热公式可写为： Q
42、A= KT 式中， Q：传热量（热负荷） kw 或 w。22由第六讲为基础，进行计算； K：传热系数，w / ()。 按第七讲及以前相关章节进行计算或选择； T：传热温差，。 第八章讲解了其计算方法。 最后，所需翅片管的传热面积 A 就可以计算出来了。 哈尔滨双合翅片管厂（）的设计步骤如下： 【步骤 1】梳理用户给出的条件和要求，计算热负荷用户给出的条件（给出下列六项中的 5 项） 1.热流体流量，kg/h 或 Nm/h 或 m/h 2.热流体入口温度：T1 3. 热流体出口温度：T1 4.冷流体流量，kg/h 或 Nm/h 或 m/h 5.冷流体入口温度：T2 6.冷流体出口温度：T2 此外
43、尚需注明： 【步骤 2】选定换热器的迎风面质量流速 m kg/s所谓迎风面积：指气体（烟气或空气）进入管束之前的流通面积；所谓迎风面质量流速：是指单位迎风面积上，单位时间（s）所流过的气体质量（kg）；迎风面质量流用户提出的其他条件 *翅片管侧的允许阻力降P, Pa *积灰状况：含灰量，g/ m 灰份粒度 *燃料品种及成份（当气体为烟气时） *腐蚀和磨损的潜在可能性 *应用环境：室内/室外，环境温度，允许标高，安装空间 *其他条件 计算热负荷 Q（kw）并利用热平衡原理确定待定的给出条件23m ( kg/s) 的选定方法和考虑因素详见哈尔滨双合翅片管厂（）翅片管/热管讲座第四讲。2-1 质量流
44、速的选取如果对气体侧的阻力降没有特殊要求，建议选择默认值 m=3 kg/（s） ；如果气体侧的允许阻力降很低时，建议 m 在 12 kg/（ s）之间进行选择； 如果担心积灰比较严重，希望使气流本身具有一定的自吹灰能力，建议 m 选 4 kg/（ s ） 附加说明：在翅片管最窄流通截面处的风速大约为迎风面上的 2 倍，当烟气的当地风速在 810 m/s 时，就具备了一定的自吹灰能力 2-2 选定气体的迎风面质量流速以后，所需的迎风面积就可简单地计算出来了：)/( 2smkgvGF迎 风 面 质 量 流 速质 量 流 量迎 风 面特别提示：若给出的是气体的体积流量 V(m/h) , 应将其换算成
45、质量流量； G (kg/s) = V (m/h) (kg/ m)/3600 式中， 为气体的密度，按体积流量对应的温度值查物性表 2-3 确定迎风面的形状 一般设定为矩形，L1 L2 = F 迎风面 L1, L2 为矩形的两个边，L1, L2 的选择要考虑气体流动的均匀性，也要考虑翅片管怎么放置比较合适。是沿长边放置还是沿短边布置，等等。【步骤 3】选定翅片管尺寸规格及在迎风面上的管间距及管子根数和长度3-1 根据哈尔滨双合翅片管厂（ ）生产的高频焊翅片管的应用条件和应用经验，推荐翅片管规格的默认值： CPG(383.5/68/8/1) Pt=80mm 等边三角形排列 设计者可以改变上述默认值
46、，考虑的因素为 （1）若设备热负荷较大，为了减少翅片管根数，可以选用较大直径的翅片管，如:CPG(513.5/90/8/1)，Pt=108mm （2）对于空气冷却器，为了增大管内流体的流速和换热，经常习惯选用较小直径的翅片24管，例如： CPG(252.5/50/5/1) ，Pt=60mm （3）根据积灰的可能性及严重程度，选定不同的翅片间距。3-2 确定迎风面上的翅片管根数和长度，迎风面上有两个边长尺寸 L1, L2 可供选择，若 L1 L2，一般选 L1 作为翅片管的长度，则翅片管在迎风面上可以摆放的根数 N1 由 L2决定，即 N1= L2 / Pt ,取圆整值。这样，迎风面上的翅片管布置就可画出来了。如下图：3-3 计算迎风面上的基管传热面积 A1 A1=DoL1N1 【步骤 4】计算翅片管的换热系数和传热系数 4-1 由气体侧的平均温度查取相应物理值，如在省煤器中，烟气侧的平均温度 Tg = （1/2 ） (T1 +T1) 依此查取烟气物性表中的下列物理量： * 密度： kg/ m * 比热： Cp kJ/ kg * 导热系数： w/m * 黏度系数： /mS * 蒲朗特数： Pr 4-2 由哈尔滨双合翅片管厂（）翅片管/热管讲座第四讲中推荐的公式计算翅片外表面为基准的换热系数 h (w/)也可以由估算表中找到相近的 h 值。 4
