熱質(zhì)交換原理與設(shè)備-第一章

參考書熱質(zhì)交換原理與設(shè)備，連之偉主編，中國建筑工業(yè)出版社熱質(zhì)交換原理與設(shè)備第一章緒論第二章熱質(zhì)交換過程第三章相變熱傳質(zhì)交換原理第四章空氣熱質(zhì)處理方法第五章其它形式的熱質(zhì)交換第六章熱質(zhì)交換設(shè)備主要內(nèi)容：第一章緒論

§1-1三種傳遞現(xiàn)象的類比§1-2熱質(zhì)交換設(shè)備的分類§1-3本門課程在專業(yè)中的地位與作用§1-4本門課程的主要研究?jī)?nèi)容動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象，在自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中是普遍存在的。《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》這門課程，就是重點(diǎn)研究發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)領(lǐng)域里的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象。

近年來，許多工程領(lǐng)域，例如動(dòng)力機(jī)械工程、制冷工程、冶金工程、生化工程、環(huán)境工程及建筑環(huán)境與設(shè)備工程等對(duì)于氣體、液體和固體的傳質(zhì)過程的研究興趣日益增大。因此目前許多工程專業(yè)都分別開設(shè)動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞這三門課程。1960年R.B.伯德(R.B.Bird)等人首先在《傳遞現(xiàn)象》(TransportPhenomena)一書中對(duì)這三種傳遞現(xiàn)象用統(tǒng)一的方法進(jìn)行了討論，力圖闡明這三種傳遞過程之間在定性和定量描述以及計(jì)算上的相似性。這對(duì)于學(xué)生更深入理解傳遞過程的機(jī)理是十分有益的。自此，統(tǒng)一研究這三種傳遞現(xiàn)象的課程越來越受到人們的重視，它已成為許多工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。本門課程就是將這一專業(yè)基礎(chǔ)課與其在本專業(yè)上的應(yīng)用結(jié)合起來，架設(shè)起專業(yè)基礎(chǔ)課與技術(shù)保的橋梁。1.1三種傳遞現(xiàn)象的類比當(dāng)流體中存在速度、溫度和濃度的梯度時(shí)，則分別發(fā)生動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象。動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞，既可以是由分子的微觀運(yùn)動(dòng)引起的分子擴(kuò)散，也可以是由旋渦混合造成的流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)引起的湍流傳遞。1.1.1分子傳遞(傳輸)性質(zhì)流體的粘性、熱傳導(dǎo)性和質(zhì)量擴(kuò)散性通稱為流體的分子傳遞性質(zhì)。因?yàn)閺奈⒂^上來考察，這些性質(zhì)分別是非均勻流場(chǎng)中分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)同一個(gè)過程所引起的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的結(jié)果。當(dāng)流場(chǎng)中速度分布不均勻時(shí)，分子傳遞的結(jié)果產(chǎn)生切應(yīng)力；而溫度分布不均勻時(shí)，分子傳遞的結(jié)果產(chǎn)生熱傳導(dǎo)；在多組分的混合流體中，如果某種組分的濃度分布不均勻，分子傳遞的結(jié)果便引起該組分的質(zhì)量擴(kuò)散。表示上述三種分子傳遞性質(zhì)的數(shù)學(xué)關(guān)系分別為：兩個(gè)作直線運(yùn)動(dòng)的流體層之間的切應(yīng)力正比于垂宣于運(yùn)動(dòng)方向的速度變化率，即(1)牛頓粘性定律對(duì)于均質(zhì)不可壓縮流體，上式可改寫為：(3)斐克定律(2)傅立葉定律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：對(duì)于恒定熱容量的流體，上式可改寫為：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)的分布為一維的，則通過分子擴(kuò)散傳遞的組分A的質(zhì)量通量密度為：對(duì)于混合物密度為常數(shù)的情況上式可改寫為：這些表達(dá)式說明動(dòng)量交換、熱量交換、質(zhì)量交換的規(guī)律可以類比。動(dòng)量交換傳遞的量是運(yùn)動(dòng)流體單位容積所具有的動(dòng)量；熱量交換傳遞的量是物質(zhì)每單位容積所具有的焓；質(zhì)量交換傳遞的量是擴(kuò)散物質(zhì)每單位容積所具有的質(zhì)量也就是濃度CA。顯然，這些量的傳遞速率都分別與各量的梯度成正比。系數(shù)D、a、均具有擴(kuò)散的性質(zhì)，它們的單位均為m2/s，D為分子擴(kuò)散或質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，a為熱擴(kuò)散系數(shù)v為動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)或稱運(yùn)動(dòng)粘度。這三個(gè)傳遞公式可以用如下的統(tǒng)一公式來表示，1.1.2湍流傳遞性質(zhì)在湍流流動(dòng)中，除分子傳遞現(xiàn)象外，宏觀流體微團(tuán)的不規(guī)則泥摻運(yùn)動(dòng)也引起動(dòng)且、熱量和質(zhì)量的傳遞，其結(jié)果從表象上看起來，相當(dāng)于在流體中產(chǎn)生了剛D的“湍流切應(yīng)力”，“湍流熱傳導(dǎo)”和“湍流質(zhì)量擴(kuò)散”。由于流體微團(tuán)的質(zhì)量比分子的質(zhì)量大得多，所以湍流傳遞的強(qiáng)度自然要比分子傳遞的強(qiáng)度大得多。盡管湍流混摻運(yùn)動(dòng)與分子運(yùn)動(dòng)之間有重要差別，然而早期半經(jīng)驗(yàn)湍流理論的創(chuàng)立者還是仿照分子傳遞性質(zhì)的定律建立了湍流傳遞性質(zhì)的公式。在這種理論中定義了湍流動(dòng)力粘性系數(shù)，湍流導(dǎo)熱系數(shù)，和湍流質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，并認(rèn)為對(duì)于只有一個(gè)速度分量的一維流動(dòng)而言，湍流切應(yīng)力、湍流熱量通量密度和湍流擴(kuò)散引起的組分A的質(zhì)量通量密度分別與平均速度、平均溫度和組分A的平均密度的變化率成正比，亦即

因?yàn)樵诹黧w中同時(shí)存在湍流傳遞件質(zhì)和分子傳遞性質(zhì)，所以總的切應(yīng)力、總的熱量通量密度qs和組分A的總的質(zhì)量通量密度ms分別為：熱質(zhì)交換設(shè)備的分類方法很多，可以按工作原理、流體流動(dòng)方向、設(shè)備用途、傳熱傳質(zhì)表面結(jié)構(gòu)、制造材質(zhì)等分為各種類型。在各種分類方法中，最基本的是按工作原理分類。1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的分類

(1)按工作原理分類按不同的工作原理可以把熱質(zhì)交換設(shè)備分為間壁式、直接接觸式、蓄熱式和熱管式等類型。間壁式又稱表面式，在此類換熱器中，熱、冷介質(zhì)在各自的流通中連續(xù)流動(dòng)完成熱量傳遞任務(wù)，彼此不接觸，不滲混。凡是生產(chǎn)中介質(zhì)不容滲混的場(chǎng)合都使用此類型換熱器，它是應(yīng)用最廣泛，使用數(shù)量最大的一類。專業(yè)上的表面式冷卻器、過熱器、省煤器、散熱器、暖風(fēng)機(jī)、燃?xì)饧訜崞?、冷凝器、蒸發(fā)器等均屬此類。直接接觸式又稱為混合式，在此類熱質(zhì)交換設(shè)備中，兩種流體直接接觸并允許相互滲混，傳遞熱量和質(zhì)量后，再各自全部或部分分開，因而傳熱傳質(zhì)效率高。專業(yè)上的噴淋室及蒸汽噴射泵、冷卻塔、蒸汽加濕器、熱力除氧器等均屬此類。蓄熱式又稱回?zé)崾交蛟偕綋Q熱器，它借助由固體構(gòu)件(填充物)組成的蓄熱體作為中間載體傳遞熱量。在此類換熱器中，熱、冷流體依時(shí)間先后交替流過由蓄熱體組成的流道，熱流體先對(duì)其加熱，使蓄熱體溫度升高，把熱量?jī)?chǔ)存于固體蓄熱體內(nèi)，隨即冷流體流過，吸收蓄熱體通道壁放出的熱量。熱管換熱器是以熱管為換熱元件的換熱器。由若干支熱管組成的換熱管束通過中隔板置于殼體內(nèi)，中隔板與熱管加熱段、冷卻段及相應(yīng)的殼體內(nèi)腔分別形成熱、冷流體通道，熱、冷流體在通道中橫掠熱管束連續(xù)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳熱。當(dāng)前該類換熱器多用于各種余熱回收工程。在間壁式、混合式和蓄熱式三種主要熱質(zhì)交換設(shè)備類型中，間壁式的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、分析研究和計(jì)算方法比較豐富和完整，它們的某些計(jì)算方法對(duì)混合式和蓄熱式也適用。熱質(zhì)交換設(shè)備按照其內(nèi)熱流體與冷流體的流動(dòng)方向，可分為：順流式、逆流式、叉流式和混合式等類型。順流式或稱并流式，其內(nèi)冷、熱兩種流體平行地向著同一方向流動(dòng)，如圖1-1(a)所示。冷、熱流體同向流動(dòng)時(shí)，可以用平壁隔開，但是更通常的是用同心管(或是雙層管)隔開，其布置簡(jiǎn)圖示于圖1-1(b)。在這樣的順流布置中，熱，冷流體出同一端進(jìn)入換熱器，向著同一方向流動(dòng)，并由同一端離開換熱器。

(2)按照熱流體與冷流體的流動(dòng)方向分類圖1-1順流換熱器(a)示意圖(b)同心管逆流式，兩種流體也是平行流動(dòng)，但它們的流動(dòng)方向相反，如圖1-2(a)所示。冷、熱流體逆向流動(dòng)，由相對(duì)的兩端進(jìn)入換熱器，向著相反的方向流動(dòng)，并由相對(duì)的兩端離開換熱器，其布置簡(jiǎn)圖示于圖1-2(b)。叉流式或稱錯(cuò)流式，兩種流體的流動(dòng)方向互相垂直交叉，示意圖如圖1-3(a)所示。這種布置通常是用在氣體受迫流過一個(gè)管束而管內(nèi)則是被泵送的液體，圖1-3(b)、(c)表示了兩種常見的布置方式。對(duì)于像圖1-3(b)那樣的帶肋片的管束，氣體流是不混合的。象圖1-3(f)那樣的布置，氣流是混合的。圖1-2逆流換熱器(a)示意圖(b)同心管混流式，兩種流體在流動(dòng)過程中既有順流部分，又有逆流部分，圖1-4(a)及(b)所示就是一例。當(dāng)冷、熱流體交叉次數(shù)在四次以上時(shí)，可根據(jù)兩種流體流向的總趨勢(shì)，將其看成逆流或順流，如圖1-4(c)及(d)。圖1-3叉流換熱器(a)示意圖；(b)兩種流體均不混合；(c)一種流體混合，另一種不混合圖1-4混流式換熱器示意圖(a)先順后逆的平行混流；(b)先逆后的串聯(lián)混流；(c)總趨勢(shì)為逆流的混合流；(d)總趨勢(shì)為順流的混合流在各種流動(dòng)形式中，順流和逆流可以看作是兩個(gè)極端情況。在進(jìn)出口溫度相同的條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小；順流時(shí)，冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫度，而逆流時(shí)冷流體的出口溫度卻可能超過熱流體的出口溫度。

當(dāng)冷、熱流體中有一種發(fā)生相變時(shí)，冷、熱流體的溫度變化就如圖l-5所示。其中國l-5(a)表示冷凝器中的溫度變化；圖1-5(b)表示蒸發(fā)器中的溫度變化，布置這類換熱器時(shí)就無所謂順流、逆流了。同樣，當(dāng)兩種流體的水容量C(Gc)相差較大，或者冷、熱流體之間的溫差比冷、熱流體本身的溫度變化大得多時(shí)，順流、逆流的差別就不顯著了。純粹的逆流和順流，只有在套管換熱器或螺旋板式換熱器中才能實(shí)現(xiàn)。但對(duì)工程計(jì)算來說，混合流，如圖1-6所示的流經(jīng)管束的流動(dòng)，只要管束曲折的次數(shù)超過4次，就可作為純逆流和純順流來處理了。圖1-5發(fā)生相變時(shí)冷、熱流體的溫度變化圖(a)-冷凝器中的溫度變化；(b)-蒸發(fā)器中的溫度變化圖1-6可作為純順流的實(shí)際工程中的混合流熱質(zhì)交換設(shè)備按照用途來分有：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)等等。1)表冷器用于把流體冷卻到所需溫度，被冷卻流體在冷卻過程中不發(fā)生相變，但其內(nèi)某種成分，如空氣中的水蒸氣，可能出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象；2)加熱器用于把流體加熱到所需溫度，被加熱流體在加熱過程中不發(fā)生相變；3)預(yù)熱器用于預(yù)先加熱流體，以使整套工藝裝置效率得到改善；4)噴淋室通過向被處理流體噴射液體，以直接接觸的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)被處理流體的加熱、冷卻、加濕、減濕等處理過程；5)過熱器用于加熱飽和蒸汽到其過熱狀態(tài)；6)蒸發(fā)器用于加熱液體使之蒸發(fā)氣(汽)化，或利用低壓液體蒸發(fā)氣化以吸收另一種流體的熱量；7)冷凝器用于冷卻凝結(jié)性飽和蒸氣(汽)，使之放出潛熱而凝結(jié)液化；8)加濕器用于增加被處理對(duì)象的濕度；9)暖風(fēng)機(jī)用于加熱空氣，以向被供暖房間提供熱量。(3)按用途分類(4)按制造材料分類熱質(zhì)交換設(shè)備按制造材料可分為金屬材料、非金屬材料及稀有金屬材料等類型。在生產(chǎn)中使用最多的是用普通金屬材料，如碳鋼、不銹鋼、鋁、銅、鎳及其合金等制造的熱質(zhì)交換設(shè)備。由于石油、化學(xué)、冶金、核動(dòng)力等工業(yè)中的許多工藝過程多在高溫、高壓、高真空或深冷、劇毒等條件下進(jìn)行，而且常常伴隨著極強(qiáng)的腐蝕性，因而對(duì)熱質(zhì)交換設(shè)備的材料提出了許多特殊甚至苛刻的要求。金屬材料換熱器已遠(yuǎn)不能滿足需要，因此開始研制和生產(chǎn)了非金屬及稀有金屬材料的換熱器。非金屬換熱器有石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷換熱器等。石墨具有優(yōu)良的耐腐蝕及傳熱性能，線膨脹系數(shù)小，不易結(jié)垢，機(jī)械加工性能好易脆裂、不抗拉、不抗彎。石墨換熱器在強(qiáng)腐蝕性液體或氣體中應(yīng)用最能發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)幾乎可以處理除氧化酸外的一切酸堿溶液。用于制造熱質(zhì)交換設(shè)備的工程塑料很多，目前以聚四氟乙烯為最佳，其性能可與金屬換熱器相比但卻具有特殊的耐腐蝕性。它主要用于硫酸廠的酸冷卻，用以代替原有冷卻器，可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。玻璃換熱器能抗化學(xué)腐蝕，且能保證被處理介質(zhì)不受或少受污染。它廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)，例如香精油及高純度硫酸蒸餾等工藝過程。稀有金屬換熱器是在解決高溫、強(qiáng)腐蝕等換熱問題時(shí)研制出來的，但材料價(jià)格昂貴使其應(yīng)用范圍受到限制。為了降低成本，已發(fā)展了復(fù)合材料，加以復(fù)合鋼板和襯里等形式提供使用。對(duì)于制造換熱器，目前是鈦金屬應(yīng)用較多，鋯等其它稀有金屬應(yīng)用較少。建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的畢業(yè)生，要能夠從事工業(yè)與民用建筑中環(huán)境控制技術(shù)領(lǐng)域的工作，具有暖通空調(diào)、燃?xì)夤?yīng)、建筑給排水等公共設(shè)施系統(tǒng)和建筑熱能供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行能力，具有制定建筑自動(dòng)化系統(tǒng)方案的能力，并具有初步的應(yīng)用研究與開發(fā)能力。從上述本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)不難看出，在專業(yè)的各個(gè)方向上，為實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)的環(huán)境控制，要牽涉到大量的能量變換及與實(shí)現(xiàn)這些能量轉(zhuǎn)換相應(yīng)的設(shè)備的知識(shí)。

1.3本門課程在專業(yè)中的地位與作用本課程是將專業(yè)中的《傳熱學(xué)》《流體力學(xué)》《工程熱力學(xué)》及《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)》《鍋爐及織爐房設(shè)備》《燃?xì)馊紵返日n程中牽涉到流體熱質(zhì)交換原理及相應(yīng)設(shè)備的內(nèi)容抽出，經(jīng)綜合整理、充實(shí)加工而形成的一門課程，它是以動(dòng)量傳輸、熱量傳輸及質(zhì)量傳輸共同構(gòu)成的傳輸理論(TransportTheory)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備中的熱質(zhì)交換原理及相應(yīng)的設(shè)備熱工計(jì)算方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好的建筑室內(nèi)環(huán)境打下基礎(chǔ)。傳熱與傳質(zhì)是實(shí)際工程中普遍存在的現(xiàn)象。本門課程就是研究創(chuàng)造建筑室內(nèi)環(huán)境所用的熱質(zhì)交換方法的基本特性和基本規(guī)律，為創(chuàng)造建筑室內(nèi)環(huán)境所用的熱質(zhì)交換技術(shù)提供必要的理論知識(shí)和設(shè)備知識(shí)。其主要內(nèi)容有：熱質(zhì)交換過程，相變熱質(zhì)交換原理，空氣熱質(zhì)處理方法，其它形式的熱質(zhì)交換和熱質(zhì)交換設(shè)備等。熱質(zhì)交換過程部分，主要涉及傳質(zhì)的基本概念、擴(kuò)散傳質(zhì)、對(duì)流傳質(zhì)、熱質(zhì)傳遞模型和動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞類比。相變熱質(zhì)交換原理部分，主要討論以制冷劑為主的液體沸騰和蒸氣凝結(jié)的基本規(guī)律，并探討管內(nèi)外強(qiáng)迫流動(dòng)時(shí)的相變換熱及