混合式热交换器

1、混合式热交换器混合式热交换器混合式热交换器：冷、热流体直接接触进行传热。应用场合：凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却，循环水的冷却，汽一水之间的混合加热，蒸汽的冷凝，等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其他许多生产部门中。优点：有较大的传热速率 。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较完全 。按用途分类：按用途分类：(1)冷水塔（或称冷却塔） 用自然通风或机械通风的方法，用空气将热水进行冷却降温，例如热力发电厂的循环水、合成氨生产中的冷却水，都是经过冷水塔降温之后循环使用以提高经济性。 (2)气体洗涤

2、塔（或称洗涤塔） 工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分、除净气体中的尘灰、气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。由于以水冷却气体与上述用空气冷却循环水的传热机理基本相似，因而本章对以上丙种设备将只以冷水塔为例加以讨论。 (3)喷射式热交换器 使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。 (4)混合式冷凝器 这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝，最后得到的是水与冷凝液的混合物，可以根据需要，或循环使用，或就

3、地排放。4.1 冷水塔 一个十万千瓦的热力发电厂，冷却水量需达9 000 t/h左右；一个年产3 500 t聚丙烯的化工设备，冷却水用量达3 000 t/h左右。 分类：n干式冷水塔：是把循环水送到安装于冷却塔干式冷水塔：是把循环水送到安装于冷却塔中的散热器内被空气冷却，这种塔多用于水中的散热器内被空气冷却，这种塔多用于水源奇缺而不允许水分散失或循环水有特殊污源奇缺而不允许水分散失或循环水有特殊污染的情况。染的情况。n湿式冷水塔：让水与空气直接接触，把水中湿式冷水塔：让水与空气直接接触，把水中的热传给空气，在这种塔中，水因蒸发而造的热传给空气，在这种塔中，水因蒸发而造成损耗，蒸发又使循环的冷却

4、水含盐度增加，成损耗，蒸发又使循环的冷却水含盐度增加，为了稳定水质，必须排放掉一部分含盐度较为了稳定水质，必须排放掉一部分含盐度较高的水，补充一定的新水，因此湿式冷水塔高的水，补充一定的新水，因此湿式冷水塔要有补给水源。要有补给水源。湿式冷水塔分类：主要部件：主要部件：1)淋水装置淋水装置作用：淋水装置又称填料，其作用在于将进塔的作用：淋水装置又称填料，其作用在于将进塔的热水尽可能形成细小的水滴或水膜，以增加热水尽可能形成细小的水滴或水膜，以增加水和空气的接触面积，延长接触时间，增进水和空气的接触面积，延长接触时间，增进水气之间的热质交换。水气之间的热质交换。要求：要求它能提供较大的接触面积并

5、具有良好要求：要求它能提供较大的接触面积并具有良好的亲水性能，制造简单而又经久耐用，安装的亲水性能，制造简单而又经久耐用，安装检修方便，价格便宜等。检修方便，价格便宜等。 分类：淋水装置可根据水在其中所呈现的形状分分类：淋水装置可根据水在其中所呈现的形状分为点滴式、薄膜式及点滴薄膜式三种。为点滴式、薄膜式及点滴薄膜式三种。（1）点滴式）点滴式 用水平的或倾斜布置的三角形或矩形板条按一定间距排列而成，以水滴下落过程中水滴表面的散热以及在板条上溅散而成的许多小水滴表面的散热为主，约占散热量的60%75%，而沿板条形成的水膜的散热只占总散热量的25%30% 。 （2）薄膜式）薄膜式 这种淋水装置的特

6、点是利用间隔很小的平这种淋水装置的特点是利用间隔很小的平膜板或凹凸形波板、网格形膜板所组成的膜板或凹凸形波板、网格形膜板所组成的多层空心体，使水沿着其表面形成缓慢的多层空心体，使水沿着其表面形成缓慢的水流，而空气则经多层空心体间的空隙，水流，而空气则经多层空心体间的空隙， 形成水气之间的接触面。水在其中的散热形成水气之间的接触面。水在其中的散热主要依靠表面水膜、格网间隙中的水滴表主要依靠表面水膜、格网间隙中的水滴表面和溅散而成的水滴的散热等三个部分，面和溅散而成的水滴的散热等三个部分，而水膜表面的散热居于主要地位，约占而水膜表面的散热居于主要地位，约占70% 。（3）点滴薄膜式）点滴薄膜式 2

7、）配水系统）配水系统作用：在于将热水均匀地分配到整个淋水作用：在于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面积上，从而使淋水装置发挥最大的冷却能力。常用的配水系统有槽式、管式却能力。常用的配水系统有槽式、管式和池式三种。和池式三种。3）通风筒）通风筒 通风筒是冷水塔的外壳，气流的通道，其通风筒是冷水塔的外壳，气流的通道，其作用在于创造良好的空气动力条件，并将排作用在于创造良好的空气动力条件，并将排出冷却塔的湿热空气送往高空，减少或避免出冷却塔的湿热空气送往高空，减少或避免湿热空气回流。湿热空气回流。 4.1.2 冷水塔的工作原理n主要是由于水的蒸发散热和气水之间的接触传热。

8、主要是由于水的蒸发散热和气水之间的接触传热。 n水的表面蒸发：处于无规则状态中的水分子，其运水的表面蒸发：处于无规则状态中的水分子，其运动速度差别很大，速度大的分子动能也大，它们能动速度差别很大，速度大的分子动能也大，它们能克服内聚力的束缚冲出水面，成为自由蒸汽分子。克服内聚力的束缚冲出水面，成为自由蒸汽分子。这些分子中的一部分与空气分子碰撞后可能重新回这些分子中的一部分与空气分子碰撞后可能重新回到水面被水吸收（冷凝），而另一部分可由于扩散到水面被水吸收（冷凝），而另一部分可由于扩散和对流的作用进入空气的主流，成为空气中的水分和对流的作用进入空气的主流，成为空气中的水分子。上述这种水分子在常温

9、下逸出水面成为自由蒸子。上述这种水分子在常温下逸出水面成为自由蒸汽分子的传质现象称为水的表面蒸发。由于逸出水汽分子的传质现象称为水的表面蒸发。由于逸出水分子的平均动能比其余没有逸出水面的分子大，因分子的平均动能比其余没有逸出水面的分子大，因而蒸发的结果会使水温下降。而蒸发的结果会使水温下降。n单位面积水面上的表面蒸发速度与水温和蒸汽单位面积水面上的表面蒸发速度与水温和蒸汽分子向空气中扩散的速度有关。分子向空气中扩散的速度有关。n蒸汽分子向空气中扩散的速度之所以有关是因蒸汽分子向空气中扩散的速度之所以有关是因为空气中水分子返回水面的速度与空气中的水为空气中水分子返回水面的速度与空气中的水分浓度成

10、比例。当空气中的水分子浓度达到某分浓度成比例。当空气中的水分子浓度达到某个数值时，会出现水分子逸出水面的速度与空个数值时，会出现水分子逸出水面的速度与空气中水分子返回水面的速度相等的情况，这时气中水分子返回水面的速度相等的情况，这时空气中水分子含量达到饱和，蒸发散热就将减空气中水分子含量达到饱和，蒸发散热就将减弱甚至停止。故在一定温度下，蒸发速度取决弱甚至停止。故在一定温度下，蒸发速度取决于水分子由水面附近向空气深处的扩散速度于水分子由水面附近向空气深处的扩散速度n当未饱和空气与水接触时，在水与气的分界面当未饱和空气与水接触时，在水与气的分界面上存在极薄的一层饱和空气层，水首先蒸发到上存在极薄

11、的一层饱和空气层，水首先蒸发到饱和气层中，然后再扩散到空气中去。饱和气层中，然后再扩散到空气中去。 设水面温度为t，紧贴水面的饱和空气层的温度与它相同，但其饱和水蒸气的分压力为p，而远离水面空气流的温度为，它的蒸汽分压力是空气相对湿度和空气温度时的饱和蒸汽压力p的乘积，即 于是在水面饱和气层和空气流之间就形成了于是在水面饱和气层和空气流之间就形成了分压力差分压力差: :它是水分子向空气中蒸发扩散的推动力。只要它是水分子向空气中蒸发扩散的推动力。只要pp，水的表面就会产生蒸发，而与水面温度，水的表面就会产生蒸发，而与水面温度t高高于还是低于水面上的空气温度于还是低于水面上的空气温度无关。在冷水塔

12、无关。在冷水塔的工作条件下，总是符合的工作条件下，总是符合pp的，因此不论水温的，因此不论水温高于还是低于周围空气温度，高于还是低于周围空气温度，p总是正数，故在总是正数，故在冷水塔中总能进行水的蒸发，蒸友所消耗的热量冷水塔中总能进行水的蒸发，蒸友所消耗的热量总是由水传给空气，其值可表示为总是由水传给空气，其值可表示为: 水和空气温度不等导致接触传热是引起水温变化的另一个原水和空气温度不等导致接触传热是引起水温变化的另一个原因，接触传热的推动力为两者的温差（因，接触传热的推动力为两者的温差（t-），接触传热的），接触传热的热流方向可从空气流向水，也可从水流向空气，这要看两热流方向可从空气流向水

13、，也可从水流向空气，这要看两者的温度以何者为高，其值为者的温度以何者为高，其值为: 在冷水塔中，一般空气量很大，空气温度变化较在冷水塔中，一般空气量很大，空气温度变化较小。当水温高于气温时，蒸发散热和接触传热都向小。当水温高于气温时，蒸发散热和接触传热都向同一方向（即由水向空气）传热，因而由水放出的同一方向（即由水向空气）传热，因而由水放出的总热量为总热量为:如果如果QQ，水温仍将下降。但是，水温仍将下降。但是Q 渐趋减小，而渐趋减小，而Q 渐趋增加，于是当水温下降到某一程度时，由空渐趋增加，于是当水温下降到某一程度时，由空气传向水的接触传热量筹于由水传向空气的蒸发散热气传向水的接触传热量筹于

14、由水传向空气的蒸发散热量，这时：量，这时： 其结果是使水温下降。当水温下降到等于空气温度其结果是使水温下降。当水温下降到等于空气温度时，接触传热量时，接触传热量Q=0。这时。这时: 故蒸发散热仍在进行。而当水温继续下降到低于气温故蒸发散热仍在进行。而当水温继续下降到低于气温时，接触传热量时，接触传热量Q Q。的热流方向从空气流向水，与蒸。的热流方向从空气流向水，与蒸发散热的方向相反，于是由水放出的总热量为：发散热的方向相反，于是由水放出的总热量为： 从此开始，总传热量等于零，水温也不再下降，这时从此开始，总传热量等于零，水温也不再下降，这时的水温为水的冷却极限。对于一般的水的冷却条件，的水温为

15、水的冷却极限。对于一般的水的冷却条件，此冷却极限与空气的湿球温度近似相等。因而湿球温此冷却极限与空气的湿球温度近似相等。因而湿球温度代表着在当地气温条件下，水可能冷却到的最低温度代表着在当地气温条件下，水可能冷却到的最低温度。度。从而可见，蒸发冷却过程中伴随着物质交换，水可以从而可见，蒸发冷却过程中伴随着物质交换，水可以被冷却到比用以冷却它的空气的最初温度还要低的程被冷却到比用以冷却它的空气的最初温度还要低的程度，这是蒸发冷却所特有的性质。度，这是蒸发冷却所特有的性质。 当水温被冷却到冷却极限当水温被冷却到冷却极限r时，时， Q和和Q之间的之间的平衡关系可用下式表示：平衡关系可用下式表示： 实

16、际计算中就不用接触面积而改用淋水装置（或实际计算中就不用接触面积而改用淋水装置（或填料）体积以及与体积相应的传质系数填料）体积以及与体积相应的传质系数 xV和换和换热系数热系数v，于是：，于是： 而总传热量为而总传热量为 ：4.1.3 冷水塔的热力计算水气热平衡方程： 在没有热损失的情况下，水所放出的热量应当等于空气增加的热量。 分离变量并积分得：分离变量并积分得：N代表该式的左边部分：代表该式的左边部分： 称称N为按温度积分的冷却数，简称冷却数，它是一个无量纲为按温度积分的冷却数，简称冷却数，它是一个无量纲数。冷却数表示水温从数。冷却数表示水温从tl降到降到t2所需要的特征数数值，它代所需要

17、的特征数数值，它代表着冷却任务的大小。表着冷却任务的大小。 在冷却数中的（在冷却数中的（i-i）是指水面饱和空气层的焓与外界空气）是指水面饱和空气层的焓与外界空气的焓之差的焓之差Ai，此值越小，水的散热就越困难。所以它与外，此值越小，水的散热就越困难。所以它与外部空气参数有关，而与冷水塔的结构和型式无关。在气量部空气参数有关，而与冷水塔的结构和型式无关。在气量和水量之比相同时，和水量之比相同时，N值越大，表示要求散发的热量越多，值越大，表示要求散发的热量越多，所需淋水装置的体积越大。所需淋水装置的体积越大。 再以再以N表示式表示式(4.18)右边部分，即右边部分，即称称N为冷水塔特性数。特性数

18、反映了淋水塔为冷水塔特性数。特性数反映了淋水塔所具有的冷却能力，它与淋水装置的构造尺所具有的冷却能力，它与淋水装置的构造尺寸、散热性能及水、气流量有关。寸、散热性能及水、气流量有关。 冷却数的确定：对4-19式求积分得：若对精度要求不高，且若对精度要求不高，且t t15时，常用下列两时，常用下列两段公式简化计算：段公式简化计算： 5)特性数的确定 可见特性数取决于容积传质系数、冷水塔的构可见特性数取决于容积传质系数、冷水塔的构造及淋水情况等因素。造及淋水情况等因素。6)换热系数与传质系数的计算换热系数与传质系数的计算7)气水比的确定 气水比是指冷却每公斤水所需的空气公斤数。气水比是指冷却每公斤

19、水所需的空气公斤数。 由于空气的焓由于空气的焓i i与气水比有关，因而冷却数也与气水比有与气水比有关，因而冷却数也与气水比有关。同时特性数也与气水比有关，因此要求被确定的气水关。同时特性数也与气水比有关，因此要求被确定的气水比能使比能使N= NN= N。为此，可用牛顿迭代法上机计算或者在设。为此，可用牛顿迭代法上机计算或者在设计计算中假设几个不同的气水比算出不同的冷却数计计算中假设几个不同的气水比算出不同的冷却数N N，作，作如图如图4. 154. 15所示的所示的N NA A曲线。再在同一图上作出填料特性曲线。再在同一图上作出填料特性曲线曲线NNA A曲线，这两条曲线的交点曲线，这两条曲线的

20、交点P P所对应的气水比所对应的气水比APAP就就是所求的气水比。是所求的气水比。P P点称为冷水塔的工作点。点称为冷水塔的工作点。 4.1.4 冷水塔的通风阻力计算冷水塔的通风阻力计算 通风阻力计算的目的是在求得阻力之后选择适当的通风阻力计算的目的是在求得阻力之后选择适当的风机（对机械通风冷却塔）或确定自然通风冷却塔风机（对机械通风冷却塔）或确定自然通风冷却塔的高度。的高度。1)机械通风冷却塔机械通风冷却塔 空气流动阻力包括由空气进口之后经过各个部位的空气流动阻力包括由空气进口之后经过各个部位的局部阻力。各部位的阻力系数常采用试验数值或利局部阻力。各部位的阻力系数常采用试验数值或利用经验公式计算。表用经验公式计算。表4.1列出了局部阻力系数的计列出了局部阻力系数的计算公式，在给水排水设计手册中列出了多种填算公式，在给水排水设计