《熱交換器原理與設計》第4章-混合式熱交換器

4混合式熱交換器混合式熱交換器是冷、熱流體直接接觸進行傳熱。這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側污垢的熱阻。只要流體間接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。按用途分：1.冷水塔（或稱冷卻塔）2.氣體洗滌塔（或稱洗滌塔）3.噴射式熱交換器4.混合式冷凝器4.1冷水塔自然通風冷卻塔4.1.1冷水塔的類型和構造冷卻塔通過熱水在塔內噴淋，與周圍空氣進行熱交換(包括顯熱交換和水蒸發(fā)潛熱交換)，使水溫度降低。圖4.1各種濕式冷水塔示意圖1配水系統(tǒng)；2淋水裝置；3百葉窗；4集水池；5空氣分配區(qū)；6風機；7風筒；8收水器濕式冷卻塔結構示意圖干式冷卻塔結構示意圖冷水塔，一般包括如下幾個主要部分：1.淋水裝置：又稱填料，作用在于將進塔的熱水盡可能形成細小的水滴或水膜，以增加水和空氣的接觸面積，延長接觸時間，增進水氣之間的熱質交換。根據水呈現(xiàn)的形狀分為點滴式、薄膜式及點滴薄膜式三種。2.配水系統(tǒng)：將熱水均勻地分配到整個淋水面上，使淋水裝置發(fā)揮最大的冷卻能力。常用的有槽式、管式和池式三種。3.通風筒：冷水塔的外殼，氣流的通道。作用在于創(chuàng)造良好的空氣動力條件，將濕熱空氣排出，減少或避免濕熱空氣回流。自然通風冷水塔一般很高，有的達150m以上；機械通風冷水塔一般在10m左右。(a)傾斜式(b)棋盤式(c)方格式(d)階梯式圖4.2點滴式淋水裝置板條布置方式圖4.3薄膜式淋水裝置的四種結構(a)小間距平板淋水填料(b)石棉水泥板淋水填料(c)斜波交錯填料(d)蜂窩淋水填料圖4.4鉛絲水泥網板淋水裝置(單位:mm)圖4.5槽式配水系統(tǒng)圖4.6旋轉布水的管式配水系統(tǒng)圖4.7池式配水系統(tǒng)1.吸聲措施：吸聲材料及吸聲柵。2.減速裝置。3.電機。4.風機。5.旋轉布水器：鋁合金或玻璃鋼布水管，裝有收水板，克服飄水現(xiàn)象。6.填料：改性PVC余波片，阻力小，阻燃。7.吸聲設施：吸聲材料及吸聲柵。8.支架。9.下塔體：可配溢水，排污，自動給水管。10.進風窗。11.上塔體。4.1.2冷水塔的工作原理☆水蒸發(fā)產生的傳熱量：Qβ

=γ

βp

(p″–p)F

γ—汽化潛熱，kJ/kg；

βp—以分壓差表示的傳質系數，kg/(m2.s.Pa)☆水和空氣溫度不等導致接觸傳熱：Qα

=α(t–θ)F

α—接觸傳熱的換熱系數，kW/(m2.℃)☆當水溫高于氣溫時，Qβ和Qα都是由水向空氣傳熱，水放出總熱量為：Q=Qβ

+Qα

→水溫下降☆當水溫下降到等于空氣溫度時，Qα

=0這時Q=Qβ

→

蒸發(fā)散熱Qβ仍在進行當水溫下降到低于氣溫時，Qα為空氣流向水，水放出熱量為：Q=Qβ–Qα☆當水溫下降到某一程度，空氣傳向水的Qα等于水傳向

空氣的Qβ，這時：Q=Qβ

–Qα

=0★此時水溫為水的冷卻極限，此冷卻極限與空氣濕球溫度(τ)近似相等。水出口溫度越接近τ，所需冷卻設備越龐大，故生產中要求冷卻后的水溫比τ

高3~5℃?！钏疁乩鋮s到極限

τ

時，Qα和Qβ之間的平衡可表示為：

α(θ–τ)F

=

γ

βp

(pτ″

–p)F

pτ″

—溫度為τ

時的飽和水蒸氣壓力，Pa；☆為推導和計算方便，分壓力差可用含濕量差代替，

βp以含濕量差表示的傳質系數βx代替，故Qβ可寫成：

Qβ

=

γ

βx

(x″–x)F☆Qα

和Qβ

間的平衡：α(θ–τ)F

=

γ

βx

(xτ″

–x)F

βx—以含濕量差表示的傳質系數，kg/(m2.s)；

xτ″

—與τ相應的飽和空氣含濕量，kg/kg；

x—空氣的含濕量，kg/kg?！钏谒鹊慕佑|面積F：薄膜式中取決于填料的表面積；點滴式中取決于流體的自由表面積；具體確定此值十分困難。對某特定淋水裝置，一定量的淋水裝置體積相應具有一定量的面積，稱為淋水裝置的比表面積，以α(m2/m3)表示。實際計算改用淋水裝置體積以及與體積相應的傳質系數βxv

和換熱系數αv，于是：

βxv=βxa，kg/(m3.s)；αv=α·a，kW/(m3.℃)☆總傳熱量為：Q=αv

(t

–

θ)V+γβxv

(x″–x)V1）邁克爾焓差方程取逆流塔中某一微段dZ，設該微段內的水氣分布均勻?！钸M入微段的總水量為L，其水溫為t+dt，經熱質交換，出水溫度為t，蒸發(fā)掉的水量為dL?！钸M入微段的空氣量為G，氣溫為θ，含濕量為x，焓為i。與水進行熱交換后溫度、含濕量及焓分別為θ+dθ、x+dx、i+di?！罱佑|傳熱與蒸發(fā)散熱量之和：圖4.9逆流式冷水塔中的冷卻過程dQ=α(t–θ)αAdZ+γβx(x″–x)αAdZ4.1.3冷水塔的熱力計算或：dQ=[(α/βx

t+rx″)–(α/βxθ+rx)]βxaAdZ式中：a—填料的比表面積，m2/m3；

A—塔的橫截面積，m2；

Z—塔內填料高度，m；x″、x—水溫t下的飽和空氣含濕量及與水接觸的空氣含濕量，kg/kg。代入：路易斯(Lewis)關系：α/βx

=cx

(cx為濕空氣比熱)含濕量x的濕空氣焓ix

=cxθ+rx，水面飽和空氣層(溫度等于水溫t)的焓i″=cx

t

+rx″，得：

dQ=βx(i″–

i)aAdZ

(4.6)此即邁克爾焓差方程，表明塔內任何部位水、氣間交換的總熱量與該點水溫下飽和空氣焓i″與該處空氣焓i之差成正比。該方程可視為能量擴散方程，焓差正是這種擴散的推動力。2)水氣熱平衡方程在沒有熱損失情況下，水所放出的熱量等于空氣增加的熱量。微段dZ內水所放出的熱為：

dQ=Lc(t+dt)–(L–dL)ct=(Ldt+tdL)c(4.7)其中c為水的比熱。而空氣在該微段吸收的熱為

dQ=Gdi

(4.8)因而：Gdi=c(Ldt+tdL)(4.9)式中右邊第1項為水溫降低dt放出熱量，第2項為蒸發(fā)dL水量所帶走熱量，與第1項相比此項較小，為簡化計算，將其影響考慮到第1項中，將第1項乘以系數1/K，得：

Gdi

=

cLdt

/K

(4.10)為該微段熱平衡方程3)計算冷水塔的基本方程綜合邁克爾焓差方程(4.6)和熱平衡方程(4.10)：βx(i″–i)αAdZ=(cLdt)

/K(4.17)對此進行變量分離并加以積分：

(4.18)式(4.18)是在邁克爾方程基礎上，以焓差為推動力進行冷卻時，計算冷水塔的基本方程，若以N代表該式的左邊，即：(4.19)稱N為按溫度積分的冷卻數，簡稱冷卻數，它是一個無量綱數。再以N′表示式(4.18)右邊部分：N′=βxαAZ/L(4.20)☆N′為冷水塔特性數，表示水溫從t1降到t2所需要的特征數數值，它代表著冷卻任務的大小。(i″–i)指水面飽和空氣層與外界空氣的焓之差，此值越小，水的散熱就越困難。所以它與外部空氣參數有關。☆在氣量和水量之比相同時，N值越大，表示要求散發(fā)的熱量越多，所需淋水裝置的體積越大。☆βx反映了淋水裝置的散熱能力，因而特性數反映了淋水塔所具有的冷卻能力，它與淋水裝置的構造尺寸、散熱性能及水、氣流量有關。☆冷水塔的設計計算，就是要求冷卻任務與冷卻能力相適應，即N=N′，以保證冷卻任務的完成。4)冷卻數的確定圖4.11辛普遜積分法求冷卻數5)特性數的確定為使實際應用方便，常將式(4.20)定義的特性數改寫成N′

=βxVV/L

(4.25)6)換熱系數與傳質系數的計算在計算冷水塔時要求確定換熱系數和傳質系數。假定熱交換和質交換的共同過程是在兩者之間的類比條件得到滿足的情況下進行，由相似理論分析，換熱系數和傳質系數之間應保持一定的比例關系。此比例關系與路易斯關系式的結果一致。

α/βx=cx冷水塔計算中，cx一般采用1.05kJ/(kg.℃)。圖4.15氣水比及冷卻數的確定7)氣水比的確定☆氣水比(λ)指冷卻每kg水所需的空氣數，氣水比越大，冷水塔的冷卻能力越大，一般情況下可選λ=0.8~1.5?！钣捎诳諝忪蔵與λ有關，因而冷卻數也與λ有關。同時特性數也與λ有關，因此要求被確定的λ能使N=N′。☆設幾個不同λ算出不同的冷卻數N，作右圖的N~λ曲線。在同一圖上作出填料特性曲線N′~λ曲線，交點P所對應的氣水比λP就是所求的氣水比?！頟點稱為冷水塔的工作點。4.1.4冷水塔的通風阻力計算求得阻力后選擇適當的風機(對機械通風冷卻塔)或確定自然通風冷卻塔的高度。1)機械通風冷卻塔空氣流動阻力包括由空氣進口之后經過各個部位的局部阻力。各部位的阻力系數常采用試驗數值或利用經驗公式計算。2)自然通風冷水塔自然通風冷水塔的阻力必須等于它的抽力，由此原則可確定空氣流速和塔筒高度。抽力：Z

=

H0

g(ρ1–ρ2)

Pa

(4.26)阻力：ΔP

=

ξρm

wm2

/2

Pa(4.27)部

位

名

稱局部阻力系數說明進風口ξ1=0.55導風裝置ξ2=(0.1+0.000025qw)lqw—淋水密度；m3/(m2·h)，l—導風裝置長度，m，對逆流塔取其長度的一半，對橫流塔取總長。淋水裝置處氣流轉彎ξ3=0.5淋水裝置進口氣流突然收縮ξ4=0.5(1-f0/fs)f0—淋水裝置有效截面積，m2；fs—淋水裝置總截面積，m2。淋水裝置ξ5=ξ0(1+Ksqw)Zξ0—單位高度淋水裝置阻力系數；Ks—系數，可查有關手冊；Z—淋水裝置高度，m。淋水裝置進口氣流突然擴大ξ6=(1-f0/fs)2配水裝置ξ7=[0.5+1.3(1-

fch/fs)2]·(fs/fch)2fch—配水裝置中氣流通過的有效截面積，m2。收水器ξ8=[0.5+2(1-

fg/fn)2]·(fg/fn)2fg—收水器有效截面積，m2；fn—收水器的總面積，m2。風機進風口

(漸縮管形)ξ9可查文獻[8]風機擴散口ξ10可查文獻[7]氣流出口ξ11=1.0表4.1冷水塔各部位的局部阻力系數冷卻塔設計氣象條件大氣壓力：p

=100375

Pa

(753mmHg)干球溫度：θ=31.5℃濕球溫度：τ=28℃

(方形和普通型為27℃)冷卻塔設計參數類型進塔水溫℃出塔水溫℃1.標準型37322.中溫型43333.高溫型60354.普通型37325.大型塔4232冷卻塔標準設計工況參數_國標7190—1997

參數

型

號冷卻水量m3/h高度mm外徑mm風機直徑mm風量m3/h電機功率kWDBNL4—202018241460800124000.8DBNL4—303019951730930143000.8DBNL4—4040234219121200180001.1DBNL4—5050284219121200215001.1DBNL4—6060283022151400280001.5DBNL4—7070308022151400323001.5DBNL4—8080309426291600329002.2DBNL4—100100334426291600434002.2DBNL4—200200380337322400943005.5DBNL3—3003004085434728001343007.5DBNL4—40040044735134340018740011.0DBNL4—50050048686044380024200015.0DBNL4—60060052196746420028000015.0DBNL4—70070057196746420030220018.5DBNL4—80080055897766500039350018.5DBNL4—90090060897766500040800022.0冷卻塔參數工況：濕球溫度τ=28℃；?t=5℃，t1=37℃、t2=32℃；?t=8℃，t1=40℃、t2=32℃；?t=10℃，t1=43℃、t2=33℃；?t=20℃，t1=55℃、t2=35℃；?t=25℃，t1=60℃、t2=35℃4.1.5冷水塔的設計計算

[例4.1]4.2

噴射式熱交換器4.2.1噴射式熱交換器的一般問題噴射式熱交換器是一種以熱交換為目的的噴射器，它和其他噴射器一樣，是使壓力、溫度不同的兩種流體相互混合，并在混合過程中進行能量交換的一種設備。按照被混合的流體的不同，噴射式熱交換器中可以是汽－水之間的熱交換，水－水之間的熱交換，汽－汽之間的熱交換等等。主要部件有：工作噴管、引入室、混合室和擴散管。圖4.18噴射式熱交換器原理圖A

工作噴管；B

引入室；C

混合室；D

擴散管被引射流體質量流量噴射系數u

=工作流體質量流量工作流體通過噴管的膨脹，使勢能轉變?yōu)閯幽?，以很高的速度從噴管噴出，并將壓力較低的流體(被引射流體)吸到引入室內；工作流體與被引射流體混合后的混合流體速度漸趨均衡，動能相反地轉變?yōu)閯菽埽缓笏徒o用戶。被引射流體

(Ph)ABCDPgPhPo工作流體

(Po)混合流體

(Pg)噴射式熱交換器優(yōu)點：提高被引射流體壓力不直接消耗機械能，結構簡單。☆水－水噴射式熱交換器可將高溫水與部分低溫水

混合，得到一定溫度的混合水，供室內采暖?！钇麌娚涫綗峤粨Q器用來提高低壓廢氣的壓力，

使工業(yè)廢氣得到回收，在凝結水回收系統(tǒng)中可借

助它使二次蒸汽得以利用?！钇秃退麌娚涫綗峤粨Q器都可作為一種

緊湊的冷凝器來使用。尤其是水－汽型，用于制

糖、乳品加工等，不僅可使蒸發(fā)裝置的二次蒸汽

冷凝，還可制造真空排除少量的不凝性氣體。噴射系數u＝Gh

/GoGh－被引射流體；Go－工作流體；

Gg－混合流體質量守恒能量守恒Go

+Gh

=Gg(1+u)Go

=Ggio

+uih

=(1+u)

igio

+ucth

=(1+u)ctgto

+uth

=(1+u)tg4.2.2汽水噴射式熱交換器圖4.19汽水噴射式熱交換器工作原理動量方程：φ2(Gowp+Ghwh)–(Go+Gh)w3=p3f3+pdf–(ppfp+phfh)(4.35)☆

Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面之間作用于混合室入口段的圓錐形

壁面上的沖量積分為：pdf=ph(fp

+fh–f3)☆將上述假設代入式(4.35)，并考慮

u=Gh/Go，可得：

φ2Gowp–(1+u)Gow3=f3(p3–ph)(4.36)☆水在混合室出口處的流速：w3=(1+u)Govg

/f3

m/s(4.37)☆混合室出口處混合水的絕對壓力：p3=pg–φ32w32/(2vg)，

Pa(4.38)式中：vg—混合水的比容，m3/kg；

pg—擴散管出口混合水的絕對壓力，Pa；

φ3—擴散管的速度系數?！顕姽艹隹谔幍恼羝魉伲簑p=φ1

m/s(4.39)kg/s(4.40)蒸汽通過縮擴噴管的最大流量：將式(4.37)~(4.40)代入式(4.36)，經整理后得到汽－水噴射式熱交換器的特性方程：pg–ph

=φ1φ2f1/f3

–(2–φ32)Avg(1+u)2(po/vo)(f1/f3)2

(4.41)式中：，對干飽和蒸汽，k=1.135，則A=0.202pg

–ph=Δpg，為蒸汽水噴射式熱交換器產生的壓力差即揚程。根據經驗數值，推薦φ1=0.95，φ2=0.975，φ3=0.9。用于供熱系統(tǒng)，可認為vg=vh=0.001m3/kg，上式成為：

(4.42)極限工作狀態(tài)及其計算汽－水噴射式熱交換器中，噴射系數過小或過大都不能保證噴射器的正常工作。☆噴射系數過小時，水溫可提高到混合室壓力相應的飽和溫度，這樣會造成沒有足夠的水來凝結進入的蒸汽而使噴射器工作遭到破壞，這決定了最小噴射系統(tǒng)umin?！顕娚湎禂颠^大時，被引射水的流量過多，混合室中的水溫要降低；同時混合室中水的流速增大，而水的壓力要降低。當水的流量增加到一定值時，混合室入口截面上的壓力p2要降到被加熱水溫tg

相對應的飽和壓力pb，而引起混合室中水的沸騰，這個狀態(tài)決定了最大噴射系數umax?！钜虼嗽谠O計噴射器時，應該檢驗噴射系數是否在umin

和umax的范圍之內?；旌鲜沂级怂畨?/p>

p2

取決于被引射水由于工作蒸汽和被引射水之間的動量交換而獲得的速度?？捎貌匠檀_定：

p2=ph

–w22/(2φ42vh)=ph–w22/(1.7vh)

Pa(4.44)式中：φ4—混合室入口段的速度系數，一般φ4=0.925；

vh—被引射水的比容，m3/kg?！罨旌鲜胰肟谔幩牧魉賥2值為：

w2=vh(Go+Gh

)/f3=(1+u)(Govh

)/f3

m/s(4.45)☆將式(4.45)代入式(4.44)得：

p2=ph–

(1+u)2(Go2vh

)/(1.7f32

)

Pa(4.46)☆噴管的流量Go也可寫成：

kg/s

(4.47)☆于是：

Pa

(4.48)☆以k=1.135，vh=0.001m3/kg代入，有：

p2=ph

–0.237*10-3

(po/vo)(f1/f3)2(1+u)2

Pa

(4.49)按式(4.43)和(4.49)，可求出不同噴射系數時的tg和p2，以及與tg相對應的飽和壓力pb。將p2=f(u)及pb=f(u)繪于同一圖上，它們的交點即表示umax和umin，具體解法見例4.2。噴射器幾何尺寸的計算☆噴管臨界直徑d1可由下式計算：

mm(4.50)式中：v1—蒸汽在噴管中處于臨界壓力時的比容，m3/kg；

i1—蒸汽在臨界壓力時的焓，kJ/kg。☆噴管的出口面積：mm(4.51)☆噴管出口直徑：mm(4.52)式中：vp—蒸汽在噴管出口壓力Pp時的比容，m3/kg?！顕姽軡u擴部分的長度：(4.53)其中θ為擴散角，一般取6~8°☆混合室直徑d3，可由截面比f1

/f3

加以確定，

其中f1為噴管的臨界截面積：

mm2(4.54)混合室長Lh，一般取Lh=(6~10)d3汽水噴射熱交換器的設計計算

[例4.2]4.2.3水水噴射式熱交換器圖4.26水水噴射式熱交換器的工作原理動量方程對圓筒形混合室而言，由截面Ⅱ—Ⅱ、Ⅲ—Ⅲ得到：

φ2(Gowp

+Ghw2)–(Go+Gh

)w3=(p3–p2)

f3

(4.56)認為工作流體與被引射流體在進混合室前不相混合，因而工作流體在混合室入口處所占面積與噴管出口面積

fp相等。該假定對

f3

/fp

≥4

時具有足夠的準確性。因而被引射流體在混合室入口截面上所占面積：f2

=f3–fp工作流體流量應為：Go

=φ1

fp

(4.57)由于引入室中被引射水流速wh和混合室流體出擴散管的流速wg都相對較低，可忽略。根據動量守恒，被引射流體在混合室入口截面處的壓力p2與混合流體在混合室出口截面處的壓力p3可表示為：

Pa(4.58)

Pa(4.59)水噴射器中，工作流體與被引射流體都是非彈性流體，因而各截面處的水流速可用連續(xù)性方程：

m/s

(4.60)

m/s

(4.61)

m/s

(4.62)將以上各式代入式(4.56)，經整理可得到水噴射器的特性方程式：(4.63)式中：Δpg=pg

–

ph

—水噴射器的揚程，Pa；

Δpp=po

–ph

—工作流體在噴管內的壓降，Pa。Δpg

/Δpp稱為噴射器的相對壓降。上式表明：當給定u值，噴射器揚程與工作流體的可用壓降成正比。在vg=vp=vh條件下，并取φ1=0.95，φ2=0.975，φ3=0.9，φ4=0.925時，特性方程簡化為：(4.64)若將式中各截面比作如下變換：則式(4.64)變?yōu)椋?/p>

(4.65)可見，水噴射器的特性