第七章 混合式热质交换设备热工计算

1、第第7章章 混合式热质交换混合式热质交换设备的热工计算设备的热工计算7.1混合式换热器的形式与结构；混合式换热器的形式与结构；7.2影响混合式设备热质交换效果的主要影响混合式设备热质交换效果的主要因素因素7.3混合式设备发生热质交换的特点混合式设备发生热质交换的特点7.4喷淋室的热工计算喷淋室的热工计算7.5冷却塔的热工计算冷却塔的热工计算7.6其他混合式热质交换设备的热工计算其他混合式热质交换设备的热工计算喷淋室喷淋室蒸汽喷射泵蒸汽喷射泵直接接触式（混合式）：直接接触式（混合式）：冷却塔冷却塔直接接触式（混合式）：直接接触式（混合式）：加湿器加湿器直接接触式（混合式）：直接接触式（混合式）：

2、热力除氧器热力除氧器直接接触式（混合式）：直接接触式（混合式）：7.1混合式换热器的形式与结构混合式换热器的形式与结构l冷却塔(或称冷水塔) l气体洗涤塔(或称洗涤塔) l喷射式热交换器 l混合式冷凝器 共同优点是结构简单，消耗材料少，接触面共同优点是结构简单，消耗材料少，接触面大，并因直接接触而有可能使得热量的利用比大，并因直接接触而有可能使得热量的利用比较完全。较完全。 1）喷淋室的类型和构造）喷淋室的类型和构造 喷淋室的构造喷淋室的构造l组成组成：前挡水板、后挡水板、喷嘴、底池、管：前挡水板、后挡水板、喷嘴、底池、管道、防水照明灯、密闭检查门等。道、防水照明灯、密闭检查门等。l挡水板作用

3、：挡水板作用：挡住飞溅出来的水滴；挡住飞溅出来的水滴； 使进风均匀流动。使进风均匀流动。l底池和四种管道相通：底池和四种管道相通：l循环水管：循环水管：6-7-9-10l溢水管：溢水管：14l补水管：补水管：11l泄水管：泄水管：15喷淋室的类型喷淋室的类型l卧式、立式卧式、立式l单级、双级单级、双级l低速、高速低速、高速l带旁通的喷水室带旁通的喷水室l带填料层的喷水室带填料层的喷水室喷淋室的类型喷淋室的类型2）冷却塔的类型与结构）冷却塔的类型与结构l类型类型l水是否与空气直接接触：干式、湿式水是否与空气直接接触：干式、湿式l开放式：自然对流，受风力、风向影响开放式：自然对流，受风力、风向影响

4、l风筒式：自然对流，效果稳定风筒式：自然对流，效果稳定l机械通风式：受迫对流，冷却效果好，稳定可靠机械通风式：受迫对流，冷却效果好，稳定可靠冷却塔的类型冷却塔的类型冷却塔的构造冷却塔的构造 l淋水装置（填料）淋水装置（填料） ：将进水尽可能形成细小：将进水尽可能形成细小的水滴或水膜，增加水气接触面积，延长接触的水滴或水膜，增加水气接触面积，延长接触时间，增进热质交换。分为点滴式、薄膜式及时间，增进热质交换。分为点滴式、薄膜式及点滴薄膜式点滴薄膜式 。l配水系统配水系统 ：将热水均匀地分配到整个淋水面将热水均匀地分配到整个淋水面积上，从而使淋水装置发挥最大的冷却能力。积上，从而使淋水装置发挥最大

5、的冷却能力。由水槽、管嘴及溅水碟组成由水槽、管嘴及溅水碟组成 。有槽式、管式。有槽式、管式和池式。和池式。l通风筒通风筒 ：冷却塔的外壳，：冷却塔的外壳， 气流的通道。气流的通道。 7.2影响混合式设备热质交换效果的影响混合式设备热质交换效果的主要因素主要因素l空气与水之间的焓差；空气与水之间的焓差；l空气的流动状况（空气的流动状况（v）；l水滴大小；水滴大小；l水气比（水气比（）；）；l设备的结构特性设备的结构特性l冷却塔：填料的形式、面积、形状及材料等冷却塔：填料的形式、面积、形状及材料等l喷淋室：喷嘴排数、喷嘴密度、喷水方向、排管间喷淋室：喷嘴排数、喷嘴密度、喷水方向、排管间距、喷嘴孔径

6、、空气和水的初参数。距、喷嘴孔径、空气和水的初参数。7.3喷淋室热质交换的特点喷淋室热质交换的特点l既有热量交换，又有质量交换；既有热量交换，又有质量交换；l既有显热交换，又有潜热交换；既有显热交换，又有潜热交换；l喷水量总是有限的，空气与水的接触时间也不喷水量总是有限的，空气与水的接触时间也不可能很长，所以空气状态和水温都是不断变化可能很长，所以空气状态和水温都是不断变化的的 ，而且空气的终状态也很难达到饱和。，而且空气的终状态也很难达到饱和。 l在焓在焓-湿湿(i-d)图上，实际的空气状态变化过程图上，实际的空气状态变化过程并不是一条直线，而是曲线。并不是一条直线，而是曲线。 l在实际工作

7、中，用连接空气初、终状态点的直在实际工作中，用连接空气初、终状态点的直线来表示空气状态的变化过程。线来表示空气状态的变化过程。 7.3冷却塔热质交换的特点冷却塔热质交换的特点l冷却塔内水的降温主要是由于水的蒸发换热和冷却塔内水的降温主要是由于水的蒸发换热和气水之间的接触传热。气水之间的接触传热。 l蒸发所消耗的热量蒸发所消耗的热量Q总是由水传给空气。总是由水传给空气。l水和空气温度不等导致的接触传热水和空气温度不等导致的接触传热Q的热流的热流方向可从空气流向水，也可从水流向空气方向可从空气流向水，也可从水流向空气 。l当水温高于气温时，当水温高于气温时， Q=Q+Q l当水温等于气温时，当水温

8、等于气温时， Q=Q l当水温低于气温时，当水温低于气温时， Q=Q-Q l冷却极限与空气的湿球温度近似相等冷却极限与空气的湿球温度近似相等 。7.3混合式热质交换设备的热工计混合式热质交换设备的热工计算算1. 喷淋室的热交换效率系数和接触系数喷淋室的热交换效率系数和接触系数喷淋室的热交换效率系数喷淋室的热交换效率系数1 （同时考虑空气和水的状态变化）（同时考虑空气和水的状态变化）说明：说明：t ts2s2与与t tw2w2的差值越大，说的差值越大，说明热湿交换越不完善，明热湿交换越不完善，1 1越小。越小。喷淋室的接触系数喷淋室的接触系数2 （只考虑空气状态变化的（只考虑空气状态变化的 ）喷

9、淋室与表冷器理想过程不同：喷淋室与表冷器理想过程不同：l表冷器表冷器l实际过程实际过程：水量有限，接触时间有限；：水量有限，接触时间有限；l理想过程理想过程：水量无限，接触时间无限；空气终温等：水量无限，接触时间无限；空气终温等于水初温；于水初温；l喷淋室喷淋室l实际过程实际过程：水量有限，接触时间有限；：水量有限，接触时间有限；l理想过程理想过程：水量有限，接触时间无限；空气终温不：水量有限，接触时间无限；空气终温不等于水初温；等于水初温；l假想过程假想过程：水量无限，接触时间无限；：水量无限，接触时间无限；特例：绝热加湿过程特例：绝热加湿过程在这种情况下，在这种情况下，1已无意义，所以喷淋

10、已无意义，所以喷淋室的热交换效果只能室的热交换效果只能用表示空气状态变化用表示空气状态变化完善程度的完善程度的2来表示来表示 2.喷淋室的热交换效率系数和接喷淋室的热交换效率系数和接触系数的实验公式触系数的实验公式 实验条件：实验条件：离心喷嘴；喷嘴密度为离心喷嘴；喷嘴密度为13个个/m2排；排；v 1.53.0kg/（m2s）；喷嘴前水压）；喷嘴前水压1.02.5atm3.喷淋室的设计计算喷淋室的设计计算 （双效率法（双效率法 ）计算类型计算类型 已知条件已知条件求解内容求解内容设计性计设计性计算算空气量空气量G空气初状态空气初状态t1，ts1（i1.）空气终状态空气终状态t2，ts2（i2

11、.）喷淋室结构，喷水喷淋室结构，喷水量量W冷水初、终温冷水初、终温tw1，tw2校核性计校核性计算算空气量空气量G空气初参数空气初参数t1，ts1（i1.）喷淋室结构喷淋室结构喷水量喷水量W，冷水初温，冷水初温tw1空气终参数空气终参数t2，ts2（i2.）冷水终温冷水终温tw2喷淋室计算的主要原则喷淋室计算的主要原则 喷淋室的设计计算方法喷淋室的设计计算方法 (1)计算用方程组计算用方程组 引入空气的焓与湿球温度的比值引入空气的焓与湿球温度的比值 说明说明：1.值取决于湿球温度本身和大气压力；值取决于湿球温度本身和大气压力； 2.在空调常用范围内，在空调常用范围内， 查表查表5-4。 (2)

12、循环水量循环水量Wx的确定的确定221whllctWGictWGihlWW )()(221lwlttcWiiG)()(221lwlttciiGW即lxWWWGW(3)喷淋室的阻力计算喷淋室的阻力计算 1)前后挡水板的阻力前后挡水板的阻力 2)喷嘴排管阻力喷嘴排管阻力 3)水苗阻力水苗阻力 喷淋室的设计计算步骤：喷淋室的设计计算步骤：【例例7-1】1)根据经验选用喷淋室结构。根据经验选用喷淋室结构。 2)根据空气的初参数和处理要求可得需要的喷淋室接触根据空气的初参数和处理要求可得需要的喷淋室接触系数及总喷水量。系数及总喷水量。3)由附录由附录5-8查出相应的喷淋室的查出相应的喷淋室的1实验公式，

13、并列出实验公式，并列出方程方程 。4)根据热平衡方程式根据热平衡方程式(5-83)，将已知数代人，将已知数代人 。5)联立解方程式求出水的初温和终温。联立解方程式求出水的初温和终温。6)求喷嘴前水压。求喷嘴前水压。7)求冷冻水量及循环水量。求冷冻水量及循环水量。 8)阻力计算。阻力计算。 喷淋室的校核计算喷淋室的校核计算 如果水初温偏高一些如果水初温偏高一些(不是比计算值偏高很多不是比计算值偏高很多)，但是将水量加大一些，也可达到同样的处理效但是将水量加大一些，也可达到同样的处理效果。即在一定范围内适当地改变喷水温度并相果。即在一定范围内适当地改变喷水温度并相应地改变喷水系数，确实可以达到同样

14、的处理应地改变喷水系数，确实可以达到同样的处理效果。效果。 【例例7-2】AdZiihdQmd) ( 四、冷却塔的热工计算四、冷却塔的热工计算 (焓差法焓差法 )Merkel方程：方程：tdW)c(Wdtctdt)-(W-dW)Wc(tdQ热平衡方程：热平衡方程：水侧：水侧：空气侧：空气侧：GdidQ KcWdtGdictdWcWdttdW)c(WdtGdi)1 ()(2112ttKGcWii对全塔积分：对全塔积分：综合各式可得综合各式可得KcWdtAdZiihmd/) (分离变量并积分：分离变量并积分：WAZhdZWAhiidtKcmdzmdtt012 12 ttiidtKcN冷却数：冷却数

15、：WAZhNmd特性数：特性数：WAZhNmd两段公式7-31简化查特性曲线图l冷却数冷却数N表示水温从表示水温从t1降到降到t2所需的特征数数值，所需的特征数数值，代表冷却负荷的大小。代表冷却负荷的大小。lN与外部空气参数有关，而与冷却塔的构造和与外部空气参数有关，而与冷却塔的构造和型式无关。型式无关。l在气水比相同时，在气水比相同时，N越大，表示要求散发的热越大，表示要求散发的热量越多，所需淋水装置的体积越大。量越多，所需淋水装置的体积越大。l特性数特性数N中中hmd反映了淋水装置的散热能力，反映了淋水装置的散热能力，反映了冷却塔所具有的冷却能力。反映了冷却塔所具有的冷却能力。lN与淋水装

16、置的构造尺寸、散热性能及水、气与淋水装置的构造尺寸、散热性能及水、气流量有关。流量有关。12 ttiidtKcNWAZhNmd分析：分析：冷却塔计算方法与步骤冷却塔计算方法与步骤l冷却数的确定冷却数的确定(近似积分法近似积分法)l特性数的确定特性数的确定l换热系数与传质系数计算换热系数与传质系数计算l气水比的确定，冷却塔的工作点气水比的确定，冷却塔的工作点P确定确定l通风阻力计算通风阻力计算l【例例7-3】五、其他混合式热质交换设备的五、其他混合式热质交换设备的热工计算热工计算l加湿器的热工计算加湿器的热工计算l空气的加湿处理：等温加湿；等焓加湿；空气的加湿处理：等温加湿；等焓加湿；升温加湿；

17、冷却加湿。升温加湿；冷却加湿。l等焓加湿器：超声波加湿器、喷淋室、等焓加湿器：超声波加湿器、喷淋室、板面蒸发加湿器、透膜式加湿器板面蒸发加湿器、透膜式加湿器8 . 0)(01835. 0)(GAddAddhNssmd喷射泵的热工计算喷射泵的热工计算l喷射器：是使压力、温度不同的两种流体相互喷射器：是使压力、温度不同的两种流体相互混合并在混合过程中进行能量交换的设备。混合并在混合过程中进行能量交换的设备。l分类：汽分类：汽-水热交换、水水热交换、水-水热交换、汽水热交换、汽-汽热交汽热交换。换。l工作原理：喷管、扩压管工作原理：喷管、扩压管l优点：在提高被引射流体的压力的过程中不直优点：在提高被

18、引射流体的压力的过程中不直接消耗机械能，结构简单，与各种系统连接方接消耗机械能，结构简单，与各种系统连接方便。便。l应用：室外热水管网热水供热系统应用：室外热水管网热水供热系统图7-6蒸汽喷射系统示意图(利用膨胀水箱定压)1蒸汽锅炉2分汽缸3蒸汽喷射器4热用户5给水箱6给水泵7除污器8膨胀水箱蒸汽锅炉房采用蒸汽喷射装置形式蒸汽锅炉房采用蒸汽喷射装置形式l由分汽缸来的高压蒸汽进入蒸由分汽缸来的高压蒸汽进入蒸汽喷射器，抽引热水网路回水汽喷射器，抽引热水网路回水并进行加热：并进行加热：l在喷射器进汽管处应该装设止回阀；l右图采用高位水箱定压方式：l汽系统定压作用；l将蒸汽加热后冷凝下来的多余水量，通

19、过凝水管溢流回锅炉房的给水箱。l在喷射器进出口安装压力表和温度表。l蒸汽喷射器可以设置在蒸汽锅炉房内，也可在用户入口或热力站。图7-7蒸汽喷射系统示意图(利用压力调节器定压)1蒸汽锅炉2分汽缸3蒸汽喷射器4热用户5给水箱6给水泵7除污器8回收凝结水的压力调节器9补水的压力调节器利用压力调节器定压的方式水水-水喷射式热交换器的特性方程水喷射式热交换器的特性方程0)1 (GuGgghiuuii)1 (032330202)()()(APPwGGwGwGhhp)/,(/3ppgAAufPP质量守恒方程质量守恒方程能量守恒方程能量守恒方程动量守恒方程动量守恒方程水喷射器设计计算步骤水喷射器设计计算步骤例

20、例7-4l确定水喷射器的喷射系数确定水喷射器的喷射系数u；l确定水喷射器的最佳截面比和最佳压降比；确定水喷射器的最佳截面比和最佳压降比；l据最佳压降比求热网需要提供的最小供回水管的资用据最佳压降比求热网需要提供的最小供回水管的资用压差压差Pp；l确定喷管出口截面积和直径确定喷管出口截面积和直径Ap和和dp；l确定圆筒形混合室的截面积和直径确定圆筒形混合室的截面积和直径A3和和d3；l混合室长度混合室长度Lh；l喷管出口截面与混合室入口截面间的距离喷管出口截面与混合室入口截面间的距离Lc；l确定扩压管出口截面积和直径确定扩压管出口截面积和直径Ag和和dg；l确定扩压管长度确定扩压管长度Lk。本章小结本章小结l熟悉混合式热质交换设备的形式和结构；熟悉混合式热质交换设备的形式和结构；l理解混合式热质交换的特点理解混合式热质交换的特点l掌握混合式热质交换设备的热工计算（喷淋室掌握混合式热质交换设备的热工计算（喷淋室和冷却塔）；和冷却塔）；作业：作业：lP220：1、3、81.表冷器在干工况下换热扩大系数为表