《热交换器原理与设计》第4章-混合式热交换器

4混合式热交换器混合式热交换器是冷、热流体直接接触进行传热。这种传热方式避免了传热间壁及其两侧污垢的热阻。只要流体间接触情况良好，就有较大的传热速率。按用途分：1.冷水塔（或称冷却塔）2.气体洗涤塔（或称洗涤塔）3.喷射式热交换器4.混合式冷凝器4.1冷水塔自然通风冷却塔4.1.1冷水塔的类型和构造冷却塔通过热水在塔内喷淋，与周围空气进行热交换(包括显热交换和水蒸发潜热交换)，使水温度降低。图4.1各种湿式冷水塔示意图1配水系统；2淋水装置；3百叶窗；4集水池；5空气分配区；6风机；7风筒；8收水器湿式冷却塔结构示意图干式冷却塔结构示意图冷水塔，一般包括如下几个主要部分：1.淋水装置：又称填料，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。根据水呈现的形状分为点滴式、薄膜式及点滴薄膜式三种。2.配水系统：将热水均匀地分配到整个淋水面上，使淋水装置发挥最大的冷却能力。常用的有槽式、管式和池式三种。3.通风筒：冷水塔的外壳，气流的通道。作用在于创造良好的空气动力条件，将湿热空气排出，减少或避免湿热空气回流。自然通风冷水塔一般很高，有的达150m以上；机械通风冷水塔一般在10m左右。(a)倾斜式(b)棋盘式(c)方格式(d)阶梯式图4.2点滴式淋水装置板条布置方式图4.3薄膜式淋水装置的四种结构(a)小间距平板淋水填料(b)石棉水泥板淋水填料(c)斜波交错填料(d)蜂窝淋水填料图4.4铅丝水泥网板淋水装置(单位:mm)图4.5槽式配水系统图4.6旋转布水的管式配水系统图4.7池式配水系统1.吸声措施：吸声材料及吸声栅。2.减速装置。3.电机。4.风机。5.旋转布水器：铝合金或玻璃钢布水管，装有收水板，克服飘水现象。6.填料：改性PVC余波片，阻力小，阻燃。7.吸声设施：吸声材料及吸声栅。8.支架。9.下塔体：可配溢水，排污，自动给水管。10.进风窗。11.上塔体。4.1.2冷水塔的工作原理☆水蒸发产生的传热量：Qβ

=γ

βp

(p″–p)F

γ—汽化潜热，kJ/kg；

βp—以分压差表示的传质系数，kg/(m2.s.Pa)☆水和空气温度不等导致接触传热：Qα

=α(t–θ)F

α—接触传热的换热系数，kW/(m2.℃)☆当水温高于气温时，Qβ和Qα都是由水向空气传热，水放出总热量为：Q=Qβ

+Qα

→水温下降☆当水温下降到等于空气温度时，Qα

=0这时Q=Qβ

→

蒸发散热Qβ仍在进行当水温下降到低于气温时，Qα为空气流向水，水放出热量为：Q=Qβ–Qα☆当水温下降到某一程度，空气传向水的Qα等于水传向

空气的Qβ，这时：Q=Qβ

–Qα

=0★此时水温为水的冷却极限，此冷却极限与空气湿球温度(τ)近似相等。水出口温度越接近τ，所需冷却设备越庞大，故生产中要求冷却后的水温比τ

高3~5℃。☆水温冷却到极限

τ

时，Qα和Qβ之间的平衡可表示为：

α(θ–τ)F

=

γ

βp

(pτ″

–p)F

pτ″

—温度为τ

时的饱和水蒸气压力，Pa；☆为推导和计算方便，分压力差可用含湿量差代替，

βp以含湿量差表示的传质系数βx代替，故Qβ可写成：

Qβ

=

γ

βx

(x″–x)F☆Qα

和Qβ

间的平衡：α(θ–τ)F

=

γ

βx

(xτ″

–x)F

βx—以含湿量差表示的传质系数，kg/(m2.s)；

xτ″

—与τ相应的饱和空气含湿量，kg/kg；

x—空气的含湿量，kg/kg。☆水在塔内的接触面积F：薄膜式中取决于填料的表面积；点滴式中取决于流体的自由表面积；具体确定此值十分困难。对某特定淋水装置，一定量的淋水装置体积相应具有一定量的面积，称为淋水装置的比表面积，以α(m2/m3)表示。实际计算改用淋水装置体积以及与体积相应的传质系数βxv

和换热系数αv，于是：

βxv=βxa，kg/(m3.s)；αv=α·a，kW/(m3.℃)☆总传热量为：Q=αv

(t

–

θ)V+γβxv

(x″–x)V1）迈克尔焓差方程取逆流塔中某一微段dZ，设该微段内的水气分布均匀。☆进入微段的总水量为L，其水温为t+dt，经热质交换，出水温度为t，蒸发掉的水量为dL。☆进入微段的空气量为G，气温为θ，含湿量为x，焓为i。与水进行热交换后温度、含湿量及焓分别为θ+dθ、x+dx、i+di。☆接触传热与蒸发散热量之和：图4.9逆流式冷水塔中的冷却过程dQ=α(t–θ)αAdZ+γβx(x″–x)αAdZ4.1.3冷水塔的热力计算或：dQ=[(α/βx

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

A—塔的横截面积，m2；

Z—塔内填料高度，m；x″、x—水温t下的饱和空气含湿量及与水接触的空气含湿量，kg/kg。代入：路易斯(Lewis)关系：α/βx

=cx

(cx为湿空气比热)含湿量x的湿空气焓ix

=cxθ+rx，水面饱和空气层(温度等于水温t)的焓i″=cx

t

+rx″，得：

dQ=βx(i″–

i)aAdZ

(4.6)此即迈克尔焓差方程，表明塔内任何部位水、气间交换的总热量与该点水温下饱和空气焓i″与该处空气焓i之差成正比。该方程可视为能量扩散方程，焓差正是这种扩散的推动力。2)水气热平衡方程在没有热损失情况下，水所放出的热量等于空气增加的热量。微段dZ内水所放出的热为：

dQ=Lc(t+dt)–(L–dL)ct=(Ldt+tdL)c(4.7)其中c为水的比热。而空气在该微段吸收的热为

dQ=Gdi

(4.8)因而：Gdi=c(Ldt+tdL)(4.9)式中右边第1项为水温降低dt放出热量，第2项为蒸发dL水量所带走热量，与第1项相比此项较小，为简化计算，将其影响考虑到第1项中，将第1项乘以系数1/K，得：

Gdi

=

cLdt

/K

(4.10)为该微段热平衡方程3)计算冷水塔的基本方程综合迈克尔焓差方程(4.6)和热平衡方程(4.10)：βx(i″–i)αAdZ=(cLdt)

/K(4.17)对此进行变量分离并加以积分：

(4.18)式(4.18)是在迈克尔方程基础上，以焓差为推动力进行冷却时，计算冷水塔的基本方程，若以N代表该式的左边，即：(4.19)称N为按温度积分的冷却数，简称冷却数，它是一个无量纲数。再以N′表示式(4.18)右边部分：N′=βxαAZ/L(4.20)☆N′为冷水塔特性数，表示水温从t1降到t2所需要的特征数数值，它代表着冷却任务的大小。(i″–i)指水面饱和空气层与外界空气的焓之差，此值越小，水的散热就越困难。所以它与外部空气参数有关。☆在气量和水量之比相同时，N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。☆βx反映了淋水装置的散热能力，因而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寸、散热性能及水、气流量有关。☆冷水塔的设计计算，就是要求冷却任务与冷却能力相适应，即N=N′，以保证冷却任务的完成。4)冷却数的确定图4.11辛普逊积分法求冷却数5)特性数的确定为使实际应用方便，常将式(4.20)定义的特性数改写成N′

=βxVV/L

(4.25)6)换热系数与传质系数的计算在计算冷水塔时要求确定换热系数和传质系数。假定热交换和质交换的共同过程是在两者之间的类比条件得到满足的情况下进行，由相似理论分析，换热系数和传质系数之间应保持一定的比例关系。此比例关系与路易斯关系式的结果一致。

α/βx=cx冷水塔计算中，cx一般采用1.05kJ/(kg.℃)。图4.15气水比及冷却数的确定7)气水比的确定☆气水比(λ)指冷却每kg水所需的空气数，气水比越大，冷水塔的冷却能力越大，一般情况下可选λ=0.8~1.5。☆由于空气焓i与λ有关，因而冷却数也与λ有关。同时特性数也与λ有关，因此要求被确定的λ能使N=N′。☆设几个不同λ算出不同的冷却数N，作右图的N~λ曲线。在同一图上作出填料特性曲线N′~λ曲线，交点P所对应的气水比λP就是所求的气水比。☆P点称为冷水塔的工作点。4.1.4冷水塔的通风阻力计算求得阻力后选择适当的风机(对机械通风冷却塔)或确定自然通风冷却塔的高度。1)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。2)自然通风冷水塔自然通风冷水塔的阻力必须等于它的抽力，由此原则可确定空气流速和塔筒高度。抽力：Z

=

H0

g(ρ1–ρ2)

Pa

(4.26)阻力：ΔP

=

ξρm

wm2

/2

Pa(4.27)部

位

名

称局部阻力系数说明进风口ξ1=0.55导风装置ξ2=(0.1+0.000025qw)lqw—淋水密度；m3/(m2·h)，l—导风装置长度，m，对逆流塔取其长度的一半，对横流塔取总长。淋水装置处气流转弯ξ3=0.5淋水装置进口气流突然收缩ξ4=0.5(1-f0/fs)f0—淋水装置有效截面积，m2；fs—淋水装置总截面积，m2。淋水装置ξ5=ξ0(1+Ksqw)Zξ0—单位高度淋水装置阻力系数；Ks—系数，可查有关手册；Z—淋水装置高度，m。淋水装置进口气流突然扩大ξ6=(1-f0/fs)2配水装置ξ7=[0.5+1.3(1-

fch/fs)2]·(fs/fch)2fch—配水装置中气流通过的有效截面积，m2。收水器ξ8=[0.5+2(1-

fg/fn)2]·(fg/fn)2fg—收水器有效截面积，m2；fn—收水器的总面积，m2。风机进风口

(渐缩管形)ξ9可查文献[8]风机扩散口ξ10可查文献[7]气流出口ξ11=1.0表4.1冷水塔各部位的局部阻力系数冷却塔设计气象条件大气压力：p

=100375

Pa

(753mmHg)干球温度：θ=31.5℃湿球温度：τ=28℃

(方形和普通型为27℃)冷却塔设计参数类型进塔水温℃出塔水温℃1.标准型37322.中温型43333.高温型60354.普通型37325.大型塔4232冷却塔标准设计工况参数_国标7190—1997

参数

型

号冷却水量m3/h高度mm外径mm风机直径mm风量m3/h电机功率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冷却塔参数工况：湿球温度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冷水塔的设计计算

[例4.1]4.2

喷射式热交换器4.2.1喷射式热交换器的一般问题喷射式热交换器是一种以热交换为目的的喷射器，它和其他喷射器一样，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。按照被混合的流体的不同，喷射式热交换器中可以是汽－水之间的热交换，水－水之间的热交换，汽－汽之间的热交换等等。主要部件有：工作喷管、引入室、混合室和扩散管。图4.18喷射式热交换器原理图A

工作喷管；B

引入室；C

混合室；D

扩散管被引射流体质量流量喷射系数u

=工作流体质量流量工作流体通过喷管的膨胀，使势能转变为动能，以很高的速度从喷管喷出，并将压力较低的流体(被引射流体)吸到引入室内；工作流体与被引射流体混合后的混合流体速度渐趋均衡，动能相反地转变为势能，然后送给用户。被引射流体

(Ph)ABCDPgPhPo工作流体

(Po)混合流体

(Pg)喷射式热交换器优点：提高被引射流体压力不直接消耗机械能，结构简单。☆水－水喷射式热交换器可将高温水与部分低温水

混合，得到一定温度的混合水，供室内采暖。☆汽－汽喷射式热交换器用来提高低压废气的压力，

使工业废气得到回收，在凝结水回收系统中可借

助它使二次蒸汽得以利用。☆汽－水型和水－汽喷射式热交换器都可作为一种

紧凑的冷凝器来使用。尤其是水－汽型，用于制

糖、乳品加工等，不仅可使蒸发装置的二次蒸汽

冷凝，还可制造真空排除少量的不凝性气体。喷射系数u＝Gh

/GoGh－被引射流体；Go－工作流体；

Gg－混合流体质量守恒能量守恒Go

+Gh

=Gg(1+u)Go

=Ggio

+uih

=(1+u)

igio

+ucth

=(1+u)ctgto

+uth

=(1+u)tg4.2.2汽水喷射式热交换器图4.19汽水喷射式热交换器工作原理动量方程：φ2(Gowp+Ghwh)–(Go+Gh)w3=p3f3+pdf–(ppfp+phfh)(4.35)☆

Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面之间作用于混合室入口段的圆锥形

壁面上的冲量积分为：pdf=ph(fp

+fh–f3)☆将上述假设代入式(4.35)，并考虑

u=Gh/Go，可得：

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

/f3

m/s(4.37)☆混合室出口处混合水的绝对压力：p3=pg–φ32w32/(2vg)，

Pa(4.38)式中：vg—混合水的比容，m3/kg；

pg—扩散管出口混合水的绝对压力，Pa；

φ3—扩散管的速度系数。☆喷管出口处的蒸汽流速：wp=φ1

m/s(4.39)kg/s(4.40)蒸汽通过缩扩喷管的最大流量：将式(4.37)~(4.40)代入式(4.36)，经整理后得到汽－水喷射式热交换器的特性方程：pg–ph

=φ1φ2f1/f3

–(2–φ32)Avg(1+u)2(po/vo)(f1/f3)2

(4.41)式中：，对干饱和蒸汽，k=1.135，则A=0.202pg

–ph=Δpg，为蒸汽水喷射式热交换器产生的压力差即扬程。根据经验数值，推荐φ1=0.95，φ2=0.975，φ3=0.9。用于供热系统，可认为vg=vh=0.001m3/kg，上式成为：

(4.42)极限工作状态及其计算汽－水喷射式热交换器中，喷射系数过小或过大都不能保证喷射器的正常工作。☆喷射系数过小时，水温可提高到混合室压力相应的饱和温度，这样会造成没有足够的水来凝结进入的蒸汽而使喷射器工作遭到破坏，这决定了最小喷射系统umin。☆喷射系数过大时，被引射水的流量过多，混合室中的水温要降低；同时混合室中水的流速增大，而水的压力要降低。当水的流量增加到一定值时，混合室入口截面上的压力p2要降到被加热水温tg

相对应的饱和压力pb，而引起混合室中水的沸腾，这个状态决定了最大喷射系数umax。☆因此在设计喷射器时，应该检验喷射系数是否在umin

和umax的范围之内。混合室始端水压

p2

取决于被引射水由于工作蒸汽和被引射水之间的动量交换而获得的速度。可用伯努利方程确定：

p2=ph

–w22/(2φ42vh)=ph–w22/(1.7vh)

Pa(4.44)式中：φ4—混合室入口段的速度系数，一般φ4=0.925；

vh—被引射水的比容，m3/kg。☆混合室入口处水的流速w2值为：

w2=vh(Go+Gh

)/f3=(1+u)(Govh

)/f3

m/s(4.45)☆将式(4.45)代入式(4.44)得：

p2=ph–

(1+u)2(Go2vh

)/(1.7f32

)

Pa(4.46)☆喷管的流量Go也可写成：

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)，可求出不同喷射系数时的tg和p2，以及与tg相对应的饱和压力pb。将p2=f(u)及pb=f(u)绘于同一图上，它们的交点即表示umax和umin，具体解法见例4.2。喷射器几何尺寸的计算☆喷管临界直径d1可由下式计算：

mm(4.50)式中：v1—蒸汽在喷管中处于临界压力时的比容，m3/kg；

i1—蒸汽在临界压力时的焓，kJ/kg。☆喷管的出口面积：mm(4.51)☆喷管出口直径：mm(4.52)式中：vp—蒸汽在喷管出口压力Pp时的比容，m3/kg。☆喷管渐扩部分的长度：(4.53)其中θ为扩散角，一般取6~8°☆混合室直径d3，可由截面比f1

/f3

加以确定，

其中f1为喷管的临界截面积：

mm2(4.54)混合室长Lh，一般取Lh=(6~10)d3汽水喷射热交换器的设计计算

[例4.2]4.2.3水水喷射式热交换器图4.26水水喷射式热交换器的工作原理动量方程对圆筒形混合室而言，由截面Ⅱ—Ⅱ、Ⅲ—Ⅲ得到：

φ2(Gowp

+Ghw2)–(Go+Gh

)w3=(p3–p2)

f3

(4.56)认为工作流体与被引射流体在进混合室前不相混合，因而工作流体在混合室入口处所占面积与喷管出口面积

fp相等。该假定对

f3

/fp

≥4

时具有足够的准确性。因而被引射流体在混合室入口截面上所占面积：f2

=f3–fp工作流体流量应为：Go

=φ1

fp

(4.57)由于引入室中被引射水流速wh和混合室流体出扩散管的流速wg都相对较低，可忽略。根据动量守恒，被引射流体在混合室入口截面处的压力p2与混合流体在混合室出口截面处的压力p3可表示为：

Pa(4.58)

Pa(4.59)水喷射器中，工作流体与被引射流体都是非弹性流体，因而各截面处的水流速可用连续性方程：

m/s

(4.60)

m/s

(4.61)

m/s

(4.62)将以上各式代入式(4.56)，经整理可得到水喷射器的特性方程式：(4.63)式中：Δpg=pg

–

ph

—水喷射器的扬程，Pa；

Δpp=po

–ph

—工作流体在喷管内的压降，Pa。Δpg

/Δpp称为喷射器的相对压降。上式表明：当给定u值，喷射器扬程与工作流体的可用压降成正比。在vg=vp=vh条件下，并取φ1=0.95，φ2=0.975，φ3=0.9，φ4=0.925时，特性方程简化为：(4.64)若将式中各截面比作如下变换：则式(4.64)变为：

(4.65)可见，水喷射器的特性