第五章热质交换理论

本章将讨论各类热质交换设备的构造原理和热工计算的基本方法，并简要介绍其性能评价和优化设计等相关内容

。第五章热质交换设备

（含其他形式的热质交换）

5.1热质交换设备的型式与结构

5.2间壁式热质交换设备的热工计算

5.3混合式热质交换设备的热工计算

5.4热质交换设备的优化设计及性能评价

主要内容5.1热质交换

设备的型式与结构

5.1.1热质交换设备的分类5.1.2间壁式换热器的形式与结构5.1.3混合式换热器的形式与结构

（一）按工作原理分类

间壁式直接接触式蓄热式热管式（二）按照热流体与冷流体流动方向分类

顺流式逆流式叉流式混合式5.1.1热质交换设备的分类

（三）按

用

途

分

类表冷器预热器加热器喷淋室过热器冷凝器蒸发器加湿器暖风机

（四）按制造材料分类

金属材料非金属材料及稀有金属材料等类型

1、顺流换热器

(a)示意图；(b)同心管2、逆流换热器

(a)示意图；(b)同心管3、叉流换热器

两种流体均不混合

一种流体混合另一种不混合

4、混流换热器

(c)总趋势为逆流的混合流；

(a)先顺后逆的平行混流；

(b)先逆后顺的串联混流；(d)总趋势为顺流的混合流。各种流动型式比较

发生相变时冷、热流体的温度变化图

(a)冷凝器中的温度变化；(b)蒸发器中的温度变

实例：冷凝器中的热量传递过程

可

作

为

顺

流

的

实

际

工

程

中

的

混

合

流

名

称型

式传

热

机

理表冷器间壁式对流—导热—对流喷淋室直接接触式接触传热、传质蒸发器（锅炉）间壁式辐射—导热—两相传热蒸发器（制冷）间壁式对流—导热—蒸发过热器间壁式辐射+对流—导热—对流省煤器间壁式对流(辐射分额少)—导热—对流空气预热器间壁式或蓄热式对流—导热—对流蒸汽喷射泵直接接触式接触传热、传质冷凝器间壁式凝结—导热—对流冷却塔直接接触式接触传热、传质蒸汽加热器间壁式凝结—导热—对流热水加热器间壁式对流—导热—对流除氧器直接接触式接触传热、传质蒸汽加湿器直接接触式接触传热、传质散热器间壁式对流—导热—对流+辐射暖风机间壁式对流（或凝结）—导热—对流热

质

交

换

设

备

一

览

表5.1.2间壁式热质交换设备的形式与结构

按构造主要可分为：管壳式、肋片管式、板式、板翘式、螺旋板式等例如，空调工程中处理空气的表冷器，一般在空气侧加装各种形式的肋片，如下图间壁式换热器种类和型式的不同

换热设备两端流体的不同

1.表冷器

蜂窝式表冷器

2.空调表冷器（加热器）

3.TL型高效换热器（表冷器）

4.干式、湿式大型空冷器

串

片

式

热

交

换

器5换热器用的各种肋片形式（a）皱褶绕片

（b）光滑绕片

（c）串片

（d）轧片

（e）二次翻边5.1.3混合式换热器形式与结构

混合式换热器按用途可分为：（1）冷却塔（或称冷水塔)用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用（2）气体洗涤塔（或称洗涤塔）空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式（3）喷射式热交换器压力较高的流体由喷管喷出低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热传质，并一同进入扩散管（4）混合式冷凝器用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝

下将讲述喷淋室和冷却塔的一些知识5.1.3.1冷却塔的类型与结构

冷却塔有很多种类，根据循环水在塔内是否与水直接接触，可分成干式、湿式。干式冷却塔是把循环水通入安装于冷却塔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染的情况。湿式冷却塔则让水与空气直接接触，它是本章所要讨论的对象。

圆形逆流式冷却塔

蒸发式冷凝器=水冷式冷凝器+冷却塔+水池+水泵+连接管道+组装+仪表阀门5.1.3.2喷淋室的类型与结构

喷淋室中应用比较广泛的是单级、卧式、低速喷淋室，它由许多部件组成。前挡水板有挡住飞溅出来的水滴和使进风均匀流动的双重作用，因此有时也称它为均风板。被处理空气进入喷淋室后流经喷水管排，与喷嘴中喷出的水滴相接触进行热质交换。后挡水板能将空气中夹带的水滴分离出来，防止水滴进入后面的系统。在喷淋室中通常设置一至三排喷嘴，最多四排喷嘴。喷水方向根据与空气流动方向相同与否分为顺喷、逆喷和对喷，从喷嘴喷出的水滴完成与空气的热质交换后，落入底池中。喷淋室的构造与工作原理

Carrier公司高速喷淋室Luwa

公司高速喷淋室5.2间壁式热质

交换设备的热工计算

5.2.1总传热系数与总传热热阻5.2.2常用计算方法

5.2.3表面式冷却器的热工计算

5.2.4其它间壁式热质交换设备的热工计算5.2.1总传热系数与

总传热热阻总传热系数与总热阻成反比

Rt——总传热热阻

如果两种流体被一管壁所隔开，由传热学知，其单位管长的总热阻为:

其中i表示内表面，o表示外表面练习：推导出外表面的传热系数Ko和内表面的传热系数Ki

提示：利用传热系数和传热热阻的关系

注K0A0=KiAi

考虑污垢热阻对于平壁，考虑其两侧的污垢热阻后，总热阻为同样请由读者推导考虑污垢热阻后的内、外表面的传热系数？什么是威尔逊图解法

5.2.2常用计算方法5.2.2.1换热器热工计算的基本公式:传热方程式:Q=KAΔtm

热平衡方程式:Q=G1c1（t1’-t1”）=G2c2（t2”-t2’）

5.2.2.2对数平均温差法Δt’和Δt”分别为换热器两端的冷、热流体温度差。

简化算法:(注意条件）5.2.2.3效能-传热单元数法

（ε-NTU法）

①热容比或称水当量比C

②传热单元数NTU

③传热效能

G2C2<G1C1时G2C2>G1C1时5.2.3表面式冷却器

的热工计算表冷器处理空气时发生的热质交换的特点

当冷却器表面温度低于被处理空气的干球温度，但尚高于其露点温度时，则空气只被冷却而并不产生凝结水。这种过程称为等湿冷却过程或干冷过程（干工况）。如果冷却器的表面温度低于空气的露点温度，则空气不但被冷却，而且其中所含水蒸汽也将部分地凝结出来，并在冷却器的肋片管表面上形成水膜。这种过程称为减湿冷却过程或湿冷过程（湿工况）

湿工况中空气与表冷器之间不但发生显热交换，而且也发生质交换和由此引起的潜热交换热质交换规律符合刘伊斯关系式

这时推动总热交换的动力是焓差，而不是温差。即总热交换量为

由温差引起的热交换量为

换热扩大系数析湿系数表示由于存在湿交换而增大了的换热量

表冷器的设计—

校核计算

（1）表冷器的热交换效率ε1

（2）表冷器的接触系数ε2

（3）表冷器热工计算的主要原则①该冷却器能达到的ε1、ε2应该等于空气处理过程需要的ε1

、ε2

②该冷却器能吸收的热量应该等于空气放出的热量

（4）关于安全系数的考虑*校核原则同①、②

5.2.4其它间壁式热质

交换设备的热工计算5.2.4.1空气加热器的热工计算

空气加热器中只有显热交换，所以它的热工计算方法比较简单，只要让加热器供给的热量能等于加热空气需要的热量即可。用对数平均温差法可以解决这个问题。

5.2.4.2散热器的热工计算

此种换热器较之前面介绍的最大不同之处在于，流过其一侧的空气不再是受迫流动，而基本是处于一种自然对流状态。

5.3混合式热质

交换设备的热工计算

5.3.3喷淋室的设计计算

5.3.4喷淋室的校核计算

5.3.5

其它混合式热质交换设备的热工计算5.3.1喷淋室处理空气时发生的热质交换的特点

5.3.2影响喷淋室处理空气效果的主要因素5.3.1喷淋室处理空气时

发生的热质交换的特点1、空气与水表面之间不但有热量交换，而且一般同时还有质量交换。2、根据喷水温度不同，二者之间可能仅有显热交换；也可能既有显热交换，又有质量交换引起的潜热交换，显热交换与潜热交换之和构成它们之间的总热交换。3、在实际的喷淋室里，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的，而且空气的终状态也很难达到饱和。

5.3.2影响喷淋室处理

空气效果的主要因素5.3.2.1影响喷淋室热交换效果的因素

（1）空气质量流速的影响

（2）喷水系数的影响

（3）喷淋室结构特性的影响

5.3.2.2喷淋室的热交换效率系数和接触系数

（1）喷淋室的热交换效率系数η1

（2）喷淋室的接触系数η2

5.3.3喷淋室的设计计算

计算类型已知条件求解内容设计性计算空气量G喷淋室结构，喷水量W冷水初、终温tw1，tw2

空气初状态t1，ts1（i1．．．．）空气终状态t2，ts2（i2．．．．)校核性计算空气量G空气终参数t2，ts2（i2．．．．）冷水终温tw2

空气初参数t1，ts1（i1．．．．）喷淋室结构喷水量W，冷水初温tw1

6.

喷淋室计算的主要原则

①该喷淋室能达到的η1应该等于空气处理过程需要的η1；

②该喷淋室能达到的η2应该等于空气处理过程需要的η2；

③该喷淋室喷出的水能够吸收（或放出)的热量应该等于空气失去（或得到)的热量。

喷淋室设计的计算方法（1）计算用方程组

i1-i2=μc（tw2-tw1）

（2）循环水量Wx的确定冷水量Wl、循环水量Wx、回水（或溢流水）量Wh

Wx=W-Wl

（3）喷淋室的阻力计算①前后挡水板的阻力②喷嘴排管阻力③水苗阻力

5.3.4喷淋室的校核计算喷淋室热工计算必须同时满足三个方程式，而这样解出来的喷水初温必然是一个定值*成本问题

?如果水初温偏高一些（不是比计算值偏高很多)，但是将水量加大一些，是不是也可达到同样的处理效果呢5.3.5其它混合式热质

交换设备的热工计算

除喷淋室外，还有大量的其它型式的混合式热质交换设备，如冷却塔、加湿器、喷射泵、吸收器等等。在此选择冷却塔、喷射泵举例说明

5.3.5.1冷却塔的热工计算

（1）冷却塔内水的降温过程（2）冷却塔的热工计算方法

5.3.5.2喷射泵的热工计算水-水喷射式热交换器（1）冷却塔内水的降温过程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。因为冷却塔多为封闭形式，且水温与周围构件的温度都不很高，故辐射传热量可不予考虑

在冷却塔内，不论水温高于还是低于周围空气温度，总能进行水的蒸发

Q=Qβ+Qα

Q＝Qβ

Q=Qβ-Qα

Q=Qβ-Qα=0水温下降（2）冷却塔的热工计算方法①用焓差法计算冷却塔的基本方程

利用Merkel热焓方程和水气的热平衡方程，可比较简便的求解水温t和热焓i②冷却数的确定③特性数的确定④换热系数与传质系数的计算

主要方法是通过实验取得资料⑤气水比的确定

气水比是指冷却每千克水所需的空气千克数，气水比越大，冷却塔的冷却能力越大，一般情况下可选λ＝0.8~１.5。⑥冷却塔的通风阻力计算

通风阻力计算的目的是在求得阻力之后选择适当的风机（对机械通风冷却塔）或确定自然通风冷却塔的高度喷射泵喷射泵也是一种典型的混合式热质交换设备，它是一种以热交换为目的的喷射器，和其他喷射器一样，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一种设备

5.6热质交换设备的

优化设计及性能评价

5.6.1热质交换设备的优化设计与分析5.6.2热质交换设备的性能评价5.6.3热质交换设备的发展趋势

5.6.1热质交换设备的优化设计与分析在优化方法上，把所要研究的目标，如“经济性称为目标函数，其目的就是要通过优化设计，使这个目标函数达到最佳值，亦即达到最经济。由于实际问题的要求不同，如有的设计要在满足一定热负荷下阻力最小；有的要求传热面最小等等，因而就有不同的目标函数

*基本原理

目标函数F（x）＝F（x1，x2,…，xn）最优化问题的一般形式可表达为求解minF（X）

约束条件

hi（X）=0（i=1，2，…，m）

gj（X）≤0（j＝1，2，…，l）

5.6.2热质交换设备的性能评价*基本要求

①保证满足生产过程所要求的热负荷；②强度足够及结构合理；③便于制造、安装和检修；④经济上合理。在符合这些要求前提下，尚需衡量热质交换设备技术上的先进性和经济上的合理性问题

(1)热质交换设备的单一性能评价法(2)传热量与流动阻力损失相结合的热性能评价法(3)熵分析法(4)火用分析法(5)纵向比较法(6)两指标分析法(7)热经济学分析法

5.6.3热质交换设备的发展趋势

热质交换设备的基本发展趋势是：提高传热传质效率，增加紧凑性，降低材料消耗，增强承受高温、高压、超低温及耐腐蚀能力，保证互换性及扩