第一章熱質(zhì)交換與設(shè)備原理緒論

1、（第三版）（第三版）熱質(zhì)交換原理熱質(zhì)交換原理與設(shè)備與設(shè)備v建設(shè)部于建設(shè)部于1997年成立了年成立了“面向面向21世紀(jì)高等教育世紀(jì)高等教育教學(xué)內(nèi)容和課程體系的改革與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和課程體系的改革與實(shí)踐”課題組課題組,本著本著加強(qiáng)基礎(chǔ)加強(qiáng)基礎(chǔ),提高學(xué)生綜合能力的原則提高學(xué)生綜合能力的原則,對(duì)更名后的對(duì)更名后的“建筑環(huán)境與設(shè)備工程建筑環(huán)境與設(shè)備工程”專業(yè)課程體系進(jìn)行了改革，專業(yè)課程體系進(jìn)行了改革，增加了三門專業(yè)基礎(chǔ)與專業(yè)理論平臺(tái)課，增加了三門專業(yè)基礎(chǔ)與專業(yè)理論平臺(tái)課，熱質(zhì)熱質(zhì)交換原理與設(shè)備交換原理與設(shè)備是其中之一。是其中之一。 前 言v該課程是由該課程是由供暖工程供暖工程、區(qū)域供熱區(qū)域供熱、工工業(yè)通風(fēng)

2、業(yè)通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)空氣調(diào)節(jié)、空調(diào)用制冷技術(shù)空調(diào)用制冷技術(shù)、鍋爐與鍋爐房設(shè)備鍋爐與鍋爐房設(shè)備和和燃?xì)馊紵細(xì)馊紵葘I(yè)等專業(yè)課程中所涉及到的流體間進(jìn)行傳熱、傳熱機(jī)理和課程中所涉及到的流體間進(jìn)行傳熱、傳熱機(jī)理和設(shè)備的內(nèi)容系統(tǒng)整合而形成的一門新課程，它以設(shè)備的內(nèi)容系統(tǒng)整合而形成的一門新課程，它以動(dòng)量傳輸、熱量傳輸及質(zhì)量傳輸共同構(gòu)成的傳輸動(dòng)量傳輸、熱量傳輸及質(zhì)量傳輸共同構(gòu)成的傳輸理論為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備工理論為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)中的熱質(zhì)交換原理與設(shè)備的熱工計(jì)算方法程專業(yè)中的熱質(zhì)交換原理與設(shè)備的熱工計(jì)算方法，為進(jìn)一步學(xué)好專業(yè)課程打下基礎(chǔ)。，為進(jìn)一步學(xué)好專業(yè)課程打下基

3、礎(chǔ)。 v課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)：課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)：v熱、質(zhì)交換過程是實(shí)際暖通空調(diào)工程中普遍存在熱、質(zhì)交換過程是實(shí)際暖通空調(diào)工程中普遍存在的現(xiàn)象，該課程主要由建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的現(xiàn)象，該課程主要由建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)涉及的熱質(zhì)交換原理部分與設(shè)備部分組成。涉及的熱質(zhì)交換原理部分與設(shè)備部分組成。v原理部分在著重介紹熱質(zhì)交換過程描述的傳質(zhì)學(xué)原理部分在著重介紹熱質(zhì)交換過程描述的傳質(zhì)學(xué)及其與傳熱學(xué)的類比關(guān)系，介紹了相變過程熱質(zhì)及其與傳熱學(xué)的類比關(guān)系，介紹了相變過程熱質(zhì)交換原理及其應(yīng)用和對(duì)空氣進(jìn)行熱質(zhì)處理的方法交換原理及其應(yīng)用和對(duì)空氣進(jìn)行熱質(zhì)處理的方法。其中，相變熱質(zhì)交換主要是針對(duì)在冰蓄冷技術(shù)。其中，相變熱

4、質(zhì)交換主要是針對(duì)在冰蓄冷技術(shù)中有廣泛應(yīng)用的固液相變換熱的有關(guān)知識(shí)，并對(duì)中有廣泛應(yīng)用的固液相變換熱的有關(guān)知識(shí)，并對(duì)其在集中空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用也做了一定的闡述。其在集中空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用也做了一定的闡述。該課程的重點(diǎn)是對(duì)空氣進(jìn)行熱質(zhì)處理的原理與常該課程的重點(diǎn)是對(duì)空氣進(jìn)行熱質(zhì)處理的原理與常用方法的介紹。這部分不但對(duì)空氣與固體表面和用方法的介紹。這部分不但對(duì)空氣與固體表面和空氣與水直接接觸時(shí)的熱質(zhì)交換原理進(jìn)行了深入空氣與水直接接觸時(shí)的熱質(zhì)交換原理進(jìn)行了深入詳盡的闡述，而且對(duì)吸收、吸附法處理空氣的基詳盡的闡述，而且對(duì)吸收、吸附法處理空氣的基本知識(shí)也做了必要的描述。本知識(shí)也做了必要的描述。v設(shè)備部分重點(diǎn)突出熱

5、質(zhì)交換原理在暖通空調(diào)有關(guān)設(shè)備部分重點(diǎn)突出熱質(zhì)交換原理在暖通空調(diào)有關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用，側(cè)重于掌握設(shè)備熱工計(jì)算基本方設(shè)備中的應(yīng)用，側(cè)重于掌握設(shè)備熱工計(jì)算基本方法。該部分按間壁式和混合式這兩種典型的熱質(zhì)法。該部分按間壁式和混合式這兩種典型的熱質(zhì)交換設(shè)備分類方式展開。間壁式換熱器在對(duì)總傳交換設(shè)備分類方式展開。間壁式換熱器在對(duì)總傳熱系數(shù)充分分析的基礎(chǔ)上，介紹了這類換熱器熱熱系數(shù)充分分析的基礎(chǔ)上，介紹了這類換熱器熱工計(jì)算的常用計(jì)算方法，以最常用的表冷器為例工計(jì)算的常用計(jì)算方法，以最常用的表冷器為例進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)空氣加熱器等其他間壁式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)空氣加熱器等其他間壁式換熱器也做了必要的介紹。對(duì)于混

6、合式換熱器，換熱器也做了必要的介紹。對(duì)于混合式換熱器，在歸納了影響這類設(shè)備熱質(zhì)交換效果的主要因素在歸納了影響這類設(shè)備熱質(zhì)交換效果的主要因素后，對(duì)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生的熱質(zhì)交換特點(diǎn)做了介紹，后，對(duì)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生的熱質(zhì)交換特點(diǎn)做了介紹，然后以噴淋室和冷卻塔的熱工計(jì)算為例進(jìn)行了詳然后以噴淋室和冷卻塔的熱工計(jì)算為例進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)噴射泵和其他混合式換熱器也做了細(xì)的闡述，對(duì)噴射泵和其他混合式換熱器也做了較為詳細(xì)的介紹。在設(shè)備部分的最后，也介紹了較為詳細(xì)的介紹。在設(shè)備部分的最后，也介紹了熱質(zhì)交換設(shè)備的仿真及其性能評(píng)價(jià)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。熱質(zhì)交換設(shè)備的仿真及其性能評(píng)價(jià)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。27-72022-3-1內(nèi)內(nèi) 容容1.11

7、.227-82022-3-11.3 1.1 三種傳遞現(xiàn)象的類比三種傳遞現(xiàn)象的類比 v動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的實(shí)現(xiàn)方式：動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的實(shí)現(xiàn)方式：分子的微觀運(yùn)動(dòng)引起的分子的微觀運(yùn)動(dòng)引起的分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散；旋渦混合造成的流體微團(tuán)宏觀運(yùn)動(dòng)引起的旋渦混合造成的流體微團(tuán)宏觀運(yùn)動(dòng)引起的湍流傳遞湍流傳遞流體系統(tǒng)中：流體系統(tǒng)中：速度梯度速度梯度動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞溫度梯度溫度梯度熱量傳遞熱量傳遞濃度梯度濃度梯度質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞27-92022-3-1a）牛頓粘性定律牛頓粘性定律v兩個(gè)作直線運(yùn)動(dòng)的流體層之間的切應(yīng)力正兩個(gè)作直線運(yùn)動(dòng)的流體層之間的切應(yīng)力正比于垂直于運(yùn)動(dòng)方向的速度變化率，即比于垂直于運(yùn)動(dòng)方向的速度變

8、化率，即:dydudyud)(v對(duì)于均質(zhì)不可壓縮流體，上式可改寫為：對(duì)于均質(zhì)不可壓縮流體，上式可改寫為：27-102022-3-1b）傅立葉定律傅立葉定律 v在均勻的各向同性材料內(nèi)的一維溫度場(chǎng)中，通在均勻的各向同性材料內(nèi)的一維溫度場(chǎng)中，通過導(dǎo)熱方式傳遞的熱量通量密度為：過導(dǎo)熱方式傳遞的熱量通量密度為： dydtqv對(duì)于恒定熱容量的流體，上式可改寫為：對(duì)于恒定熱容量的流體，上式可改寫為： dytdadytdq)c()c(cppp27-112022-3-1c）斐克）斐克(Fick)定律定律 v在無總體流動(dòng)或靜止的雙組分混合物中，若組分在無總體流動(dòng)或靜止的雙組分混合物中，若組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

9、(或質(zhì)量份額或質(zhì)量份額)aA的分布為一維的，則通過的分布為一維的，則通過分子擴(kuò)散傳遞的組分分子擴(kuò)散傳遞的組分A的質(zhì)量通量密度為：的質(zhì)量通量密度為： dydaDjAABAv對(duì)于混合物密度為常數(shù)的情況，上式可改寫為對(duì)于混合物密度為常數(shù)的情況，上式可改寫為： dydDjAABADAB: 組分組分A在組分在組分B中的擴(kuò)散系數(shù)，中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;27-122022-3-1匯總匯總v動(dòng)量傳遞公式表明：動(dòng)量通量密度正比于動(dòng)量動(dòng)量傳遞公式表明：動(dòng)量通量密度正比于動(dòng)量濃度的變化率。濃度的變化率。v能量傳遞公式表明：能量通量密度正比于能量能量傳遞公式表明：能量通量密度正比于能量濃度的變化率。濃度的變化率。v

10、質(zhì)量傳遞公式表明：組分質(zhì)量傳遞公式表明：組分A的質(zhì)量通量密度正的質(zhì)量通量密度正比于組分比于組分A的質(zhì)量濃度的變化率。的質(zhì)量濃度的變化率。27-132022-3-1dydCFD統(tǒng)一公式統(tǒng)一公式:FD : 的通量密度；的通量密度；：單位體積的某種量；：單位體積的某種量；d/dy: 的變化率；的變化率；C: 比例常數(shù)比例常數(shù)(擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù))。質(zhì)量傳遞：質(zhì)量傳遞：FD =mA, = A, CDAB;動(dòng)量傳遞：動(dòng)量傳遞：FD =, = u, C。能量傳遞：能量傳遞：FD =q, = cpt, Ca;27-142022-3-1d）湍流傳遞性質(zhì)）湍流傳遞性質(zhì) 湍湍流流流流動(dòng)動(dòng)分子擴(kuò)散傳遞分子擴(kuò)散傳遞宏觀

11、流體宏觀流體微團(tuán)摻混微團(tuán)摻混也引起傳遞現(xiàn)象也引起傳遞現(xiàn)象動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞熱量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞湍流切應(yīng)力湍流切應(yīng)力湍流熱流密度湍流熱流密度湍流質(zhì)量通量密度湍流質(zhì)量通量密度dydDmAABtAtdytdqttdyudtt27-152022-3-1dyuddyudeffttS)(dytddytdqefftS)(dydDdydDDmAABeffAABtABS)(有效動(dòng)力粘度系數(shù):eff有效導(dǎo)熱系數(shù):eff有效質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù):ABeffD 通常，充分發(fā)展湍流中，湍流傳遞系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大通常，充分發(fā)展湍流中，湍流傳遞系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子傳遞系數(shù)。于分子傳遞系數(shù)。 總的效應(yīng)總的效應(yīng)27-162022-3-1

12、v分子傳遞系數(shù)分子傳遞系數(shù), a, DAB： 是物性，與溫度、壓力有關(guān)；是物性，與溫度、壓力有關(guān)；通常各項(xiàng)同性通常各項(xiàng)同性。v湍流傳遞系數(shù)湍流傳遞系數(shù)t, at, DABt：不是物性，主要與流體流動(dòng)有關(guān)；不是物性，主要與流體流動(dòng)有關(guān)；通常各項(xiàng)異性通常各項(xiàng)異性。 兩種傳遞系數(shù)的比較兩種傳遞系數(shù)的比較27-172022-3-1幾種典型的傳遞現(xiàn)象組織系統(tǒng)類比關(guān)系 1.2 熱質(zhì)交換設(shè)備的分類熱質(zhì)交換設(shè)備的分類 （1）按工作原理分類按工作原理分類 v間壁式(表面式)v直接接觸式（混合式）v蓄熱式（回?zé)崾健⒃偕剑﹙熱管式27-192022-3-1（2）按照熱流體與冷流體流動(dòng)方向分類按照熱流體與冷流體流動(dòng)

13、方向分類 v順流式順流式v逆流式逆流式v叉流式叉流式 v混合式混合式27-202022-3-12 2 間壁式的主要形式間壁式的主要形式（1 1）套管式換熱器）套管式換熱器適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。 圖圖103 103 套管式換熱器示意圖套管式換熱器示意圖 這是間壁式換熱器的一種主要形式，又稱管這是間壁式換熱器的一種主要形式，又稱管 殼式換熱器。殼式換熱器。（2 2）殼管式換熱器）殼管式換熱器 圖圖104 104 簡單的管殼式換熱器示意圖簡單的管殼式換熱器示意圖圖圖105 12105 12型換熱器立體示意圖型換熱器立體示意圖思考鏈接：思考鏈接：管殼

14、式換熱器管殼式換熱器1管殼式換熱器管殼式換熱器2（3）交叉流換熱器 它是間壁式換熱器的又一種主要型式。根據(jù)換熱表它是間壁式換熱器的又一種主要型式。根據(jù)換熱表 面結(jié)構(gòu)的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的面結(jié)構(gòu)的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的 區(qū)別區(qū)別 。圖圖106 106 板翅式交叉流換熱器板翅式交叉流換熱器（4）板式換熱器 板式換熱器拆卸清洗方便，故適合于含有易污染板式換熱器拆卸清洗方便，故適合于含有易污染 物的流體的換熱。物的流體的換熱。圖圖107 107 板式換熱器板式換熱器思考鏈接：思考鏈接：板式換熱器板式換熱器示意圖示意圖 兩種流體均不混合兩種流體均不混合 一種流體混合一種流體

15、混合另一種不混合另一種不混合 27-262022-3-1 ( (c) ) 總趨勢(shì)為逆總趨勢(shì)為逆流的混合流流的混合流 (a)先順后逆的平行混流先順后逆的平行混流 (b) 先逆后順的串聯(lián)混流先逆后順的串聯(lián)混流(d) 總趨勢(shì)為順總趨勢(shì)為順流的混合流流的混合流27-272022-3-1順流順流逆流逆流xTThTcT1T2xTTh (Hot)Tc (cold)T1T2Cold fluidHot fluidCold fluidHot fluid27-282022-3-1螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器27-292022-3-1發(fā)生相變時(shí)冷、熱流體的溫度變化圖發(fā)生相變時(shí)冷、熱流體的溫度變化圖( (a) ) 冷凝

16、器中的溫度變化；冷凝器中的溫度變化；( (b) ) 蒸發(fā)器中的溫度變化蒸發(fā)器中的溫度變化27-302022-3-1（3）按用途分類）按用途分類 表冷器 加熱器 預(yù)熱器 噴淋室 過熱器 冷凝器 蒸發(fā)器 加濕器 暖風(fēng)機(jī)（4）按制造材料分類按制造材料分類金屬材料金屬材料 非金屬材料非金屬材料( (石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷等）石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷等）稀有金屬材料（鈦、鋯等）稀有金屬材料（鈦、鋯等） 27-312022-3-11.3 本課程的地位與作用本課程的地位與作用 建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)涉及大量能量轉(zhuǎn)換及能建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)涉及大量能量轉(zhuǎn)換及能量交換，需要掌握相關(guān)能量轉(zhuǎn)換、交換知識(shí)及相量交換，需要掌握相關(guān)能量轉(zhuǎn)換、交換知識(shí)及相應(yīng)設(shè)備工作原理和設(shè)計(jì)知識(shí)。應(yīng)設(shè)備工作原理和設(shè)計(jì)知識(shí)。27-322022-3-1專業(yè)常見的設(shè)備型式與傳熱機(jī)理表專業(yè)常見的設(shè)備型式與傳熱機(jī)理表27-332022-3-1 本課程是將傳熱學(xué)流體力學(xué)工本課程是將傳熱學(xué)流體力學(xué)工程熱力學(xué)供暖工程區(qū)域供熱工程熱力學(xué)供暖工程區(qū)域供熱工業(yè)通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)空調(diào)用制冷技術(shù)業(yè)通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)空調(diào)用制冷技術(shù)鍋爐