第五章熱質(zhì)交換理論

本章將討論各類熱質(zhì)交換設(shè)備的構(gòu)造原理和熱工計算的基本方法，并簡要介紹其性能評價和優(yōu)化設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容

。第五章熱質(zhì)交換設(shè)備

（含其他形式的熱質(zhì)交換）

5.1熱質(zhì)交換設(shè)備的型式與結(jié)構(gòu)

5.2間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算

5.3混合式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算

5.4熱質(zhì)交換設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計及性能評價

主要內(nèi)容5.1熱質(zhì)交換

設(shè)備的型式與結(jié)構(gòu)

5.1.1熱質(zhì)交換設(shè)備的分類5.1.2間壁式換熱器的形式與結(jié)構(gòu)5.1.3混合式換熱器的形式與結(jié)構(gòu)

（一）按工作原理分類

間壁式直接接觸式蓄熱式熱管式（二）按照熱流體與冷流體流動方向分類

順流式逆流式叉流式混合式5.1.1熱質(zhì)交換設(shè)備的分類

（三）按

用

途

分

類表冷器預(yù)熱器加熱器噴淋室過熱器冷凝器蒸發(fā)器加濕器暖風(fēng)機(jī)

（四）按制造材料分類

金屬材料非金屬材料及稀有金屬材料等類型

1、順流換熱器

(a)示意圖；(b)同心管2、逆流換熱器

(a)示意圖；(b)同心管3、叉流換熱器

兩種流體均不混合

一種流體混合另一種不混合

4、混流換熱器

(c)總趨勢為逆流的混合流；

(a)先順后逆的平行混流；

(b)先逆后順的串聯(lián)混流；(d)總趨勢為順流的混合流。各種流動型式比較

發(fā)生相變時冷、熱流體的溫度變化圖

(a)冷凝器中的溫度變化；(b)蒸發(fā)器中的溫度變

實(shí)例：冷凝器中的熱量傳遞過程

可

作

為

順

流

的

實(shí)

際

工

程

中

的

混

合

流

名

稱型

式傳

熱

機(jī)

理表冷器間壁式對流—導(dǎo)熱—對流噴淋室直接接觸式接觸傳熱、傳質(zhì)蒸發(fā)器（鍋爐）間壁式輻射—導(dǎo)熱—兩相傳熱蒸發(fā)器（制冷）間壁式對流—導(dǎo)熱—蒸發(fā)過熱器間壁式輻射+對流—導(dǎo)熱—對流省煤器間壁式對流(輻射分額少)—導(dǎo)熱—對流空氣預(yù)熱器間壁式或蓄熱式對流—導(dǎo)熱—對流蒸汽噴射泵直接接觸式接觸傳熱、傳質(zhì)冷凝器間壁式凝結(jié)—導(dǎo)熱—對流冷卻塔直接接觸式接觸傳熱、傳質(zhì)蒸汽加熱器間壁式凝結(jié)—導(dǎo)熱—對流熱水加熱器間壁式對流—導(dǎo)熱—對流除氧器直接接觸式接觸傳熱、傳質(zhì)蒸汽加濕器直接接觸式接觸傳熱、傳質(zhì)散熱器間壁式對流—導(dǎo)熱—對流+輻射暖風(fēng)機(jī)間壁式對流（或凝結(jié)）—導(dǎo)熱—對流熱

質(zhì)

交

換

設(shè)

備

一

覽

表5.1.2間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的形式與結(jié)構(gòu)

按構(gòu)造主要可分為：管殼式、肋片管式、板式、板翹式、螺旋板式等例如，空調(diào)工程中處理空氣的表冷器，一般在空氣側(cè)加裝各種形式的肋片，如下圖間壁式換熱器種類和型式的不同

換熱設(shè)備兩端流體的不同

1.表冷器

蜂窩式表冷器

2.空調(diào)表冷器（加熱器）

3.TL型高效換熱器（表冷器）

4.干式、濕式大型空冷器

串

片

式

熱

交

換

器5換熱器用的各種肋片形式（a）皺褶繞片

（b）光滑繞片

（c）串片

（d）軋片

（e）二次翻邊5.1.3混合式換熱器形式與結(jié)構(gòu)

混合式換熱器按用途可分為：（1）冷卻塔（或稱冷水塔)用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的方法，將生產(chǎn)中已經(jīng)提高了溫度的水進(jìn)行冷卻降溫之后循環(huán)使用（2）氣體洗滌塔（或稱洗滌塔）空調(diào)工程中廣泛使用的噴淋室，可以認(rèn)為是它的一種特殊形式（3）噴射式熱交換器壓力較高的流體由噴管噴出低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，并一同進(jìn)入擴(kuò)散管（4）混合式冷凝器用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝

下將講述噴淋室和冷卻塔的一些知識5.1.3.1冷卻塔的類型與結(jié)構(gòu)

冷卻塔有很多種類，根據(jù)循環(huán)水在塔內(nèi)是否與水直接接觸，可分成干式、濕式。干式冷卻塔是把循環(huán)水通入安裝于冷卻塔中的散熱器內(nèi)被空氣冷卻，這種塔多用于水源奇缺而不允許水分散失或循環(huán)水有特殊污染的情況。濕式冷卻塔則讓水與空氣直接接觸，它是本章所要討論的對象。

圓形逆流式冷卻塔

蒸發(fā)式冷凝器=水冷式冷凝器+冷卻塔+水池+水泵+連接管道+組裝+儀表閥門5.1.3.2噴淋室的類型與結(jié)構(gòu)

噴淋室中應(yīng)用比較廣泛的是單級、臥式、低速噴淋室，它由許多部件組成。前擋水板有擋住飛濺出來的水滴和使進(jìn)風(fēng)均勻流動的雙重作用，因此有時也稱它為均風(fēng)板。被處理空氣進(jìn)入噴淋室后流經(jīng)噴水管排，與噴嘴中噴出的水滴相接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換。后擋水板能將空氣中夾帶的水滴分離出來，防止水滴進(jìn)入后面的系統(tǒng)。在噴淋室中通常設(shè)置一至三排噴嘴，最多四排噴嘴。噴水方向根據(jù)與空氣流動方向相同與否分為順噴、逆噴和對噴，從噴嘴噴出的水滴完成與空氣的熱質(zhì)交換后，落入底池中。噴淋室的構(gòu)造與工作原理

Carrier公司高速噴淋室Luwa

公司高速噴淋室5.2間壁式熱質(zhì)

交換設(shè)備的熱工計算

5.2.1總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻5.2.2常用計算方法

5.2.3表面式冷卻器的熱工計算

5.2.4其它間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算5.2.1總傳熱系數(shù)與

總傳熱熱阻總傳熱系數(shù)與總熱阻成反比

Rt——總傳熱熱阻

如果兩種流體被一管壁所隔開，由傳熱學(xué)知，其單位管長的總熱阻為:

其中i表示內(nèi)表面，o表示外表面練習(xí)：推導(dǎo)出外表面的傳熱系數(shù)Ko和內(nèi)表面的傳熱系數(shù)Ki

提示：利用傳熱系數(shù)和傳熱熱阻的關(guān)系

注K0A0=KiAi

考慮污垢熱阻對于平壁，考慮其兩側(cè)的污垢熱阻后，總熱阻為同樣請由讀者推導(dǎo)考慮污垢熱阻后的內(nèi)、外表面的傳熱系數(shù)？什么是威爾遜圖解法

5.2.2常用計算方法5.2.2.1換熱器熱工計算的基本公式:傳熱方程式:Q=KAΔtm

熱平衡方程式:Q=G1c1（t1’-t1”）=G2c2（t2”-t2’）

5.2.2.2對數(shù)平均溫差法Δt’和Δt”分別為換熱器兩端的冷、熱流體溫度差。

簡化算法:(注意條件）5.2.2.3效能-傳熱單元數(shù)法

（ε-NTU法）

①熱容比或稱水當(dāng)量比C

②傳熱單元數(shù)NTU

③傳熱效能

G2C2<G1C1時G2C2>G1C1時5.2.3表面式冷卻器

的熱工計算表冷器處理空氣時發(fā)生的熱質(zhì)交換的特點(diǎn)

當(dāng)冷卻器表面溫度低于被處理空氣的干球溫度，但尚高于其露點(diǎn)溫度時，則空氣只被冷卻而并不產(chǎn)生凝結(jié)水。這種過程稱為等濕冷卻過程或干冷過程（干工況）。如果冷卻器的表面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度，則空氣不但被冷卻，而且其中所含水蒸汽也將部分地凝結(jié)出來，并在冷卻器的肋片管表面上形成水膜。這種過程稱為減濕冷卻過程或濕冷過程（濕工況）

濕工況中空氣與表冷器之間不但發(fā)生顯熱交換，而且也發(fā)生質(zhì)交換和由此引起的潛熱交換熱質(zhì)交換規(guī)律符合劉伊斯關(guān)系式

這時推動總熱交換的動力是焓差，而不是溫差。即總熱交換量為

由溫差引起的熱交換量為

換熱擴(kuò)大系數(shù)析濕系數(shù)表示由于存在濕交換而增大了的換熱量

表冷器的設(shè)計—

校核計算

（1）表冷器的熱交換效率ε1

（2）表冷器的接觸系數(shù)ε2

（3）表冷器熱工計算的主要原則①該冷卻器能達(dá)到的ε1、ε2應(yīng)該等于空氣處理過程需要的ε1

、ε2

②該冷卻器能吸收的熱量應(yīng)該等于空氣放出的熱量

（4）關(guān)于安全系數(shù)的考慮*校核原則同①、②

5.2.4其它間壁式熱質(zhì)

交換設(shè)備的熱工計算5.2.4.1空氣加熱器的熱工計算

空氣加熱器中只有顯熱交換，所以它的熱工計算方法比較簡單，只要讓加熱器供給的熱量能等于加熱空氣需要的熱量即可。用對數(shù)平均溫差法可以解決這個問題。

5.2.4.2散熱器的熱工計算

此種換熱器較之前面介紹的最大不同之處在于，流過其一側(cè)的空氣不再是受迫流動，而基本是處于一種自然對流狀態(tài)。

5.3混合式熱質(zhì)

交換設(shè)備的熱工計算

5.3.3噴淋室的設(shè)計計算

5.3.4噴淋室的校核計算

5.3.5

其它混合式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算5.3.1噴淋室處理空氣時發(fā)生的熱質(zhì)交換的特點(diǎn)

5.3.2影響噴淋室處理空氣效果的主要因素5.3.1噴淋室處理空氣時

發(fā)生的熱質(zhì)交換的特點(diǎn)1、空氣與水表面之間不但有熱量交換，而且一般同時還有質(zhì)量交換。2、根據(jù)噴水溫度不同，二者之間可能僅有顯熱交換；也可能既有顯熱交換，又有質(zhì)量交換引起的潛熱交換，顯熱交換與潛熱交換之和構(gòu)成它們之間的總熱交換。3、在實(shí)際的噴淋室里，噴水量總是有限的，空氣與水的接觸時間也不可能很長，所以空氣狀態(tài)和水溫都是不斷變化的，而且空氣的終狀態(tài)也很難達(dá)到飽和。

5.3.2影響噴淋室處理

空氣效果的主要因素5.3.2.1影響噴淋室熱交換效果的因素

（1）空氣質(zhì)量流速的影響

（2）噴水系數(shù)的影響

（3）噴淋室結(jié)構(gòu)特性的影響

5.3.2.2噴淋室的熱交換效率系數(shù)和接觸系數(shù)

（1）噴淋室的熱交換效率系數(shù)η1

（2）噴淋室的接觸系數(shù)η2

5.3.3噴淋室的設(shè)計計算

計算類型已知條件求解內(nèi)容設(shè)計性計算空氣量G噴淋室結(jié)構(gòu)，噴水量W冷水初、終溫tw1，tw2

空氣初狀態(tài)t1，ts1（i1．．．．）空氣終狀態(tài)t2，ts2（i2．．．．)校核性計算空氣量G空氣終參數(shù)t2，ts2（i2．．．．）冷水終溫tw2

空氣初參數(shù)t1，ts1（i1．．．．）噴淋室結(jié)構(gòu)噴水量W，冷水初溫tw1

6.

噴淋室計算的主要原則

①該噴淋室能達(dá)到的η1應(yīng)該等于空氣處理過程需要的η1；

②該噴淋室能達(dá)到的η2應(yīng)該等于空氣處理過程需要的η2；

③該噴淋室噴出的水能夠吸收（或放出)的熱量應(yīng)該等于空氣失去（或得到)的熱量。

噴淋室設(shè)計的計算方法（1）計算用方程組

i1-i2=μc（tw2-tw1）

（2）循環(huán)水量Wx的確定冷水量Wl、循環(huán)水量Wx、回水（或溢流水）量Wh

Wx=W-Wl

（3）噴淋室的阻力計算①前后擋水板的阻力②噴嘴排管阻力③水苗阻力

5.3.4噴淋室的校核計算噴淋室熱工計算必須同時滿足三個方程式，而這樣解出來的噴水初溫必然是一個定值*成本問題

?如果水初溫偏高一些（不是比計算值偏高很多)，但是將水量加大一些，是不是也可達(dá)到同樣的處理效果呢5.3.5其它混合式熱質(zhì)

交換設(shè)備的熱工計算

除噴淋室外，還有大量的其它型式的混合式熱質(zhì)交換設(shè)備，如冷卻塔、加濕器、噴射泵、吸收器等等。在此選擇冷卻塔、噴射泵舉例說明

5.3.5.1冷卻塔的熱工計算

（1）冷卻塔內(nèi)水的降溫過程（2）冷卻塔的熱工計算方法

5.3.5.2噴射泵的熱工計算水-水噴射式熱交換器（1）冷卻塔內(nèi)水的降溫過程冷卻塔內(nèi)水的降溫主要是由于水的蒸發(fā)換熱和氣水之間的接觸傳熱。因?yàn)槔鋮s塔多為封閉形式，且水溫與周圍構(gòu)件的溫度都不很高，故輻射傳熱量可不予考慮

在冷卻塔內(nèi)，不論水溫高于還是低于周圍空氣溫度，總能進(jìn)行水的蒸發(fā)

Q=Qβ+Qα

Q＝Qβ

Q=Qβ-Qα

Q=Qβ-Qα=0水溫下降（2）冷卻塔的熱工計算方法①用焓差法計算冷卻塔的基本方程

利用Merkel熱焓方程和水氣的熱平衡方程，可比較簡便的求解水溫t和熱焓i②冷卻數(shù)的確定③特性數(shù)的確定④換熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)的計算

主要方法是通過實(shí)驗(yàn)取得資料⑤氣水比的確定

氣水比是指冷卻每千克水所需的空氣千克數(shù)，氣水比越大，冷卻塔的冷卻能力越大，一般情況下可選λ＝0.8~１.5。⑥冷卻塔的通風(fēng)阻力計算

通風(fēng)阻力計算的目的是在求得阻力之后選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)（對機(jī)械通風(fēng)冷卻塔）或確定自然通風(fēng)冷卻塔的高度噴射泵噴射泵也是一種典型的混合式熱質(zhì)交換設(shè)備，它是一種以熱交換為目的的噴射器，和其他噴射器一樣，是使壓力、溫度不同的兩種流體相互混合，并在混合過程中進(jìn)行能量交換的一種設(shè)備

5.6熱質(zhì)交換設(shè)備的

優(yōu)化設(shè)計及性能評價

5.6.1熱質(zhì)交換設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計與分析5.6.2熱質(zhì)交換設(shè)備的性能評價5.6.3熱質(zhì)交換設(shè)備的發(fā)展趨勢

5.6.1熱質(zhì)交換設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計與分析在優(yōu)化方法上，把所要研究的目標(biāo)，如“經(jīng)濟(jì)性稱為目標(biāo)函數(shù)，其目的就是要通過優(yōu)化設(shè)計，使這個目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最佳值，亦即達(dá)到最經(jīng)濟(jì)。由于實(shí)際問題的要求不同，如有的設(shè)計要在滿足一定熱負(fù)荷下阻力最小；有的要求傳熱面最小等等，因而就有不同的目標(biāo)函數(shù)

*基本原理

目標(biāo)函數(shù)F（x）＝F（x1，x2,…，xn）最優(yōu)化問題的一般形式可表達(dá)為求解minF（X）

約束條件

hi（X）=0（i=1，2，…，m）

gj（X）≤0（j＝1，2，…，l）

5.6.2熱質(zhì)交換設(shè)備的性能評價*基本要求

①保證滿足生產(chǎn)過程所要求的熱負(fù)荷；②強(qiáng)度足夠及結(jié)構(gòu)合理；③便于制造、安裝和檢修；④經(jīng)濟(jì)上合理。在符合這些要求前提下，尚需衡量熱質(zhì)交換設(shè)備技術(shù)上的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)上的合理性問題

(1)熱質(zhì)交換設(shè)備的單一性能評價法(2)傳熱量與流動阻力損失相結(jié)合的熱性能評價法(3)熵分析法(4)火用分析法(5)縱向比較法(6)兩指標(biāo)分析法(7)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法

5.6.3熱質(zhì)交換設(shè)備的發(fā)展趨勢

熱質(zhì)交換設(shè)備的基本發(fā)展趨勢是：提高傳熱傳質(zhì)效率，增加緊湊性，降低材料消耗，增強(qiáng)承受高溫、高壓、超低溫及耐腐蝕能力，保證互換性及擴(kuò)