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热质交换原理与设备

热质交换原理与设备. 城建学院 吕静 2012.2. 第一章 绪论. 1.1 本课程的作用及主要内容 1.1.1 作用 能量传递： 动量、热量、质量 （自然界、工程领域） 流体力学 传热学 传质学 内在联系 -- 类比的方法（传输理论） 能量转换设备： 型式、结构、性能、优化 冷却水塔、冷凝器、表冷器、喷淋室、 省煤器、过热器等. 《 热质交换原理与设备 》 课程：.

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  1. 热质交换原理与设备 城建学院 吕静 2012.2

  2. 第一章 绪论 1.1本课程的作用及主要内容 1.1.1 作用 能量传递： 动量、热量、质量 （自然界、工程领域） 流体力学 传热学 传质学 内在联系--类比的方法（传输理论） 能量转换设备：型式、结构、性能、优化 冷却水塔、冷凝器、表冷器、喷淋室、 省煤器、过热器等

  3. 《热质交换原理与设备》课程： • 课程中涉及到流体热质交换原理及相应设备的内容抽出来，经综合整理、充实加工而形成的一门课程。 《传热学》《流体力学》《工程热力学》《供暖工程》《区域供热》《工业通风》《空气调节》《空调用制冷技术》《锅炉及锅炉房设备》《燃气燃烧》等 • 以动量传输、热量传输及质量传输共同构成的传输理论为基础，重点研究发生在建筑环境与设备中的热质交换原理与相应设备热工计算方法。 • 专业课与技术课的桥梁，是建筑环境与设备工程专业的一门主干专业理论课。

  4. 1.1.2 主要内容 本课程研究：创造建筑室内环境所用热质交换方法的基 本特性和基本规律，为建筑室内环境技术 提供必要的理论知识和设备知识。 包括五方面的内容： • 热质交换过程：传质的基本概念 扩散传质、对流传质、热质传递模型 动量、热量、质量传递类比。 • 相变热质交换原理：制冷剂液体的沸腾 蒸汽凝结 管内外强迫流动时的相变换热 固液相变热质交换的基本原理。

  5. 空气热质处理方法：空气处理的途径，空气与水/固 体表面之间的热质交换，吸收剂处理空气和 用吸附材料处理空气的机理与方法。 • 其他形式的热质交换：经过处理的空气送入房间时与室 内空气发生热质交换，几种典型燃烧方式下发 生的热质交换。 • 热质交换设备：主要介绍常见热质交换设备的型式与结 构、基本性能参数；间壁式、混合式、相变热 质交换设备的热工计算；典型燃烧装置主要尺 寸和运行参数的计算；热质交换设备的性能评 价及优化设计。

  6. 1.1.3 学习本课程的基本要求 • 了解本课程在专业中的地位及重要性， • 传热学的基础上，进一步掌握传质学的相关理论及动、热、质量传递之间的类比方法； • 熟悉对空气处理的各种方案，掌握空气与水表面间的热质交换的基本理论和基本方法； • 熟悉用固体吸附和液体吸收对空气处理的机理与方法；熟悉相变换热情况下发生的以制冷剂为主的热质交换的物理机理和沸腾凝结的影响因素； • 了解房间送风时各种射流形式与室内空气发生的三传现象，熟悉几种典型燃烧方式下发生的热质交换； • 了解本专业常用热质交换设备的形式与结构，掌握其热工计算的方法，并具有对其进行性能评价和优化设计的初步能力。

  7. 掌握建筑环境与设备中热质交换的基本理论，掌握对空气进行各种处理的基本方法，及相应设备的热工计算方法，具有对其性能进行评价的和优化设计的能力。掌握建筑环境与设备中热质交换的基本理论，掌握对空气进行各种处理的基本方法，及相应设备的热工计算方法，具有对其性能进行评价的和优化设计的能力。 • 具体要求： • 上课认真听讲并思考，做到课前预习、课后复习。 • 每章布置一次作业，一周内独立完成，课前交作业。 • 看一、二本参考书。 《热质交换原理与设备》：闫全英，机械工业出版社 连之伟，建筑工业出版社

  8. 1.2三种传递现象的类比 • 流体中存在 速度 动量传递 分子微观运动引起分子扩散 梯度 温度 热量传递 漩涡混合造成的流体微团 宏观运动引起的湍流传递 浓度 质量传递

  9. 1.2.1 分子传递（传输）性质 • 流体分子传递性质：流体的粘性、热传导性和质量扩散性统称为—。 流场中 分子传递的结果 速度 切应力 分子传递的结果 分布 温度 热传导 不均匀 分子传递的结果 浓度 质量扩散 三种分子传递性质的数学表达式如下：

  10. （1）动量传递公式（牛顿粘性定律） （1-1） 两个做直线运动的流体层之间的切应力正比于垂直于运动方向的速度变化率。 均质不可压缩流： （1-2） 式中： 流体的动力粘性系数，Pas 流体的运动粘性系数，动量扩散系数m2/s 动量浓度变化率，kg/m3s

  11. (2) 热量传递公式（傅立叶定律） 在均匀的、各向同性材料内的一维温度场中，通过导热方式传递的热量通量密度： (1-3) 对恒定热容量的流体： (1-4) 式中： 导热系数， 热扩散系数，导温系数m2/s 焓浓度变化率，热量浓度变化率J/(m3m)

  12. (3)质量传递公式（斐克定律）： 无总体流动或静止的双组分混合物中，质量通量密度为： （1-5) 对于混合物密度为常数的情况下， 的分布为一维的 (1-6) 式中： 组分A在组分B中的扩散系数,m2/s y 组分A的密度发生变化的方向的坐标,m 质量浓度的变化率kg/(m3m)

  13. （1-2） （1-4） （1-6）

  14. 以上六式表示三种分子性质的数学关系式是类似的.以如下的统一公式表示式(1-2)(1-4)(1-6)以上六式表示三种分子性质的数学关系式是类似的.以如下的统一公式表示式(1-2)(1-4)(1-6) (1-7) 的通量密度, C 比例常数 的变化率, 质量、动量、热量 质量、动量、能量的浓度 三个基本传递公式的类似性将导致这三种传递过程具有一系 列类似的特性.

  15. 1.2.2 湍流传递性质 • 湍流流动中,除分子传递外,宏观流体微团的不规则混掺运动也引起动量、热量、质量的传递,湍流传递的强度要比分子传递的强度大得多. 仿照分子传递性质 建立 湍流传递性质公式: (1-8) (1-9) (1-10) 式中: 湍流动力粘性系数, 湍流导热系数 湍流质量扩散系数 平均速度、平均温度、平均密度

  16. 流体中间同时存在湍流传递和分子传递时: (1-11) (1-12) (1-13) 有效动力粘性系数、导热系数、 质量扩散系数. 在充分发展的湍流中,湍流传递系数往往比分子传递系数大得多,所以:

  17. 注:湍流传递从表象出发建立的公式,并未解决μt,λt,DABt的确定问题, μ,λ,DAB取决于热力状态,且物性参数各向同性,而μt,λt,DABt取决于流体的运动边界条件、速度分布等,各向异性.流体传递性质的复杂性,使湍流流动理论分析至今尚未解决,目前主要依靠实验解决.

  18. 1.3热质交换设备的分类 分类方法:工作原理,流体流动方向,设备用途,传传热质,表面结构,制造材料等. (1)按工作原理分类 间壁式(表面式):冷热流体在各自的流道中连续流动,应用最广， 数量最大.表冷器,省煤器,过热器 直接接触式(混合式):两种流体直接接触并允许相互掺混,传热传 质后分开,效率高.喷淋室、冷却塔、蒸汽加湿器等. 蓄热式(回热式,再热式)换热器:借助固体构件(填充物)组成的蓄 热体作中间 载体传递热量.冷热流体先后交替流过蓄热 体流道,属不稳定传热过程.炼铁长的热风炉,锅炉的中间 热式空气预热器及全热回收式空气调节器. 热管换热器:以热管为换热元件的换热器.若干支换热管与中隔板 置于壳体内,形成冷热流体通道,实现传热.主要用于各种 余热的回收利用.

  19. (2)按流体流动方向分类: 顺、逆、叉 、混合式四类 • 顺流式(并流式):冷热流体以平壁隔开,多为同心管 (a) (b) 示意图 同心管 图1.1 顺流换热器

  20. 逆流式:流体平行流动,流动方向相反.冷热流体由相对的两端进入换热器,并由相对的两端离开.逆流式:流体平行流动,流动方向相反.冷热流体由相对的两端进入换热器,并由相对的两端离开. (a) (b) 示意图 同心管 图1.2 逆流换热器

  21. 叉流式(错流式):两种流体的流动方向互相垂直交叉.叉流式(错流式):两种流体的流动方向互相垂直交叉. (a) (b) (c) 示意图 两种流体不混合 一种流体混合 另一种流体不混合 图1.3 叉流换热器

  22. 混流式:两种流体在流动过程中既有顺流也有逆流混流式:两种流体在流动过程中既有顺流也有逆流 (a)先顺后逆 (b)先逆后顺的串联混流 (c)总趋势为逆流的混合流 (d)总趋势为顺流的混合流 图1.4 混流换热器示意图

  23. 顺流平均温差最小,逆流平均温差最大. 顺流时,冷热流体出口温度总低于热流体的出口温度, 而逆流时,却可能高于出口温度.热质交换设备应尽量布 置成逆流式,但最高温度发生在同一端时,应避免. 有相变时,无所谓顺流逆流. (a) (b) 冷凝器中的温度变化 蒸发器中的温度变化 图1.5 发生相变时,冷热流体的温度变化

  24. (3)按用途分类:9类 表冷器:用于把流体冷却到所需温度,被冷却流体在 冷却过程中不发生相变,但其内部某种成分 (水蒸气)可能出现冷凝现象. 加热器:用于把流体加热到所需要的温度,被加热流 体在加热过程中不发生相变. 预热器:用于预先加热流体,以使整套工艺装置效率 得以改善. 喷淋室:通过向被处理流体喷射液体,以直接接触方 式对被处理流体的加热、冷却、加湿等过程. 过热器:用于加热饱和蒸汽到其过热状态.

  25. 蒸发器:用于加热液体使之蒸发汽化,或利用低压液 体蒸发汽化以吸收另一种流体的热量. 冷凝器:用于冷却凝结性饱和蒸汽,使之放出潜热 而凝结液化. 加湿器:用于增加被处理对象的湿度. 暖风机:用于加热空气,以向被供暖房间提供热量. (4)按制造材料分类: 金属: 碳钢,不锈钢,铝,铜,镍几合金; 非金属 :石墨,工程塑料,玻璃陶瓷; 稀有金属:复合材料,钛.

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