熱質(zhì)交換原理與設(shè)備第一章緒論

第一章 緒論1.1 三傳現(xiàn)象1.2 熱質(zhì)交換設(shè)備概述1.3 本門課程的主要研究內(nèi)容2025/2/181.1“三傳”現(xiàn)象當(dāng)流體中存在速度、溫度和濃度的梯度時，則分別發(fā)生動量、熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象。動量、熱量和質(zhì)量的傳遞，既可以是由分子的微觀運(yùn)動引起的分子擴(kuò)散，也可以是由旋渦混合造成的流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動引起的湍流傳遞。2025/2/18當(dāng)流體中各層的流速不一樣，即存在速度梯度時，引起宏觀的動量傳遞現(xiàn)象，即在相鄰兩流層之間的接觸面上，分子傳遞的結(jié)果形成一對阻礙兩層相對運(yùn)動的切應(yīng)力。切應(yīng)力

的大小可由流體力學(xué)中的牛頓公式表示

（1-1）式中 ——速度； ——垂直于運(yùn)動方向的坐標(biāo)； ——動力粘性系數(shù)。1.1“三傳”現(xiàn)象2025/2/18當(dāng)流體中各部分溫度不同，即存在溫度梯度時，會引起宏觀的傳熱現(xiàn)象，分子傳遞的結(jié)果使熱量從高溫處傳向低溫處。傳熱量

的大小可由傳熱學(xué)中的傅里葉導(dǎo)熱公式表示

（1-2）式中

——溫度； ——溫度發(fā)生變化方向的坐標(biāo)； ——導(dǎo)熱系數(shù)。1.1“三傳”現(xiàn)象2025/2/18在多組分的混合流體中，當(dāng)流體中某種組分的濃度不均勻，即存在濃度梯度時，分子傳遞的結(jié)果便引起宏觀的擴(kuò)散傳質(zhì)現(xiàn)象。擴(kuò)散速率

可由斐克定律表示

（1-3）

式中

——濃度； ——濃度發(fā)生變化方向的坐標(biāo)； ——擴(kuò)散系數(shù)。1.1“三傳”現(xiàn)象2025/2/18由公式（1-1）~（1-3）可見，表示三種傳遞的機(jī)理都相同，它們依從的規(guī)律也類似，都可以用共同的形式表示：

傳遞速率

=擴(kuò)散率×傳遞推動力1.1“三傳”現(xiàn)象2025/2/18在湍流流動中，除分子傳遞現(xiàn)象外，宏觀流體微團(tuán)的不規(guī)則混合運(yùn)動也引起的動量、熱量和質(zhì)量的湍流傳遞，其結(jié)果從表象上看起來，相當(dāng)于在流體中產(chǎn)生了附加的“湍流切應(yīng)力”、“湍流熱傳導(dǎo)”和“湍流質(zhì)量擴(kuò)散”。仿照分子傳遞性質(zhì)的定律可以建立湍流傳遞性質(zhì)的公式，即

（1-4）

式中

——時均速度； ——垂直于運(yùn)動方向的坐標(biāo)； ——湍流動力粘性系數(shù)。1.1“三傳”現(xiàn)象2025/2/18（1-5）

式中 ——時均溫度； ——溫度發(fā)生變化方向的坐標(biāo)； ——湍流導(dǎo)熱系數(shù)。

（1-6）

式中 ——時均濃度； ——濃度發(fā)生變化方向的坐標(biāo)； ——湍流質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)。1.1“三傳”現(xiàn)象2025/2/18應(yīng)當(dāng)指出的是，這些從表象出發(fā)建立起來的公式（1-4）~（1-6）并沒有根本解決湍流傳遞的計算問題。因?yàn)榉肿觽鬟f系數(shù)

、

和

只取決于流體的熱物性，而湍流傳遞系數(shù)

、

和

則要取決于流體的宏觀運(yùn)動，故確定湍流傳遞系數(shù)

、

和

，比起確定分子傳遞系數(shù)

、

和

困難得多。1.1“三傳”現(xiàn)象2025/2/18

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

熱質(zhì)交換設(shè)備的分類方法很多，可以按工作原理、流體流動方向、設(shè)備用途、傳熱表面結(jié)構(gòu)、制造材質(zhì)等分為各種類型。（1）按工作原理分類按不同的工作原理可以把熱質(zhì)交換設(shè)備分為：間壁式、直接接觸式、蓄熱式和熱管式等類型。2025/2/18間壁式又稱表面式，在此類熱質(zhì)交換設(shè)備中，熱、冷介質(zhì)在各自的流道中連續(xù)流動完成熱量傳遞任務(wù)，彼此不接觸、不滲混。它是應(yīng)用最廣泛，使用數(shù)量最大的一類。鍋爐設(shè)備中的過熱器、省煤器和制冷系統(tǒng)中的冷凝器、蒸發(fā)器等均屬此類。直接接觸式又稱為混合式，在此類熱質(zhì)交換設(shè)備中，兩種流體直接接觸并允許相互滲混，傳遞熱量和質(zhì)量后，再各自全部或部分分開，因而傳熱傳質(zhì)效率高。電站設(shè)備中的冷卻塔、熱力除氧器等均屬此類。

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

2025/2/18蓄熱式又稱為回?zé)崾交蛟偕綋Q熱器，它借助由固體構(gòu)件（填充物）組成的蓄熱體作為中間載體傳遞熱量。在此類換熱器中，熱、冷介質(zhì)依時間先后交替流過由蓄熱體組成的流道，熱流體先對其加熱，使蓄熱體溫度升高，把熱量存儲于蓄熱體內(nèi)，隨即冷流體流過，吸收蓄熱體通道壁放出的熱量。電站鍋爐設(shè)備中的空氣預(yù)熱器及全熱回收式空氣調(diào)節(jié)器等都有此種結(jié)構(gòu)。熱管換熱器是以熱管為換熱元件的換熱器。由若干熱管組成的換熱管束通過中間隔板置于殼體中分別形成熱、冷流體通道，熱、冷流體在通道中分別橫向流過熱管加熱段、熱管冷卻段組成的換熱管束，連續(xù)流動完成熱量傳遞任務(wù)。當(dāng)前該類換熱器多用于各種余熱回收工程。

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

2025/2/18（2）按照熱、冷流體的流動方向分類按照熱、冷流體的流動方向，可分為：順流式、逆流式、叉流式和混流式等類型。在順流式換熱器中，兩股流體從同一端進(jìn)入，相同方向平行流動，從另一端出來，見圖1-1。流體溫度的變化可理想化地認(rèn)為是一維，見圖1-2。對于單程換熱器，在相同的流率、熱容率比(質(zhì)量與比熱的乘積)和傳熱面積下，這種換熱器效率最低。并且，由于進(jìn)口端的溫差較大可能導(dǎo)致?lián)Q熱器的進(jìn)口壁面熱應(yīng)力較高。盡管這種換熱器的應(yīng)用不是很廣泛，但具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

2025/2/181．這種流動形式下，沿傳熱管縱向的壁面溫度分布均勻，而在逆流換熱器中，管子的壁面溫度會過高或過低；

2．當(dāng)熱流體的溫度可能達(dá)到其露點(diǎn)時這種換熱器較合適；3．用于沸騰時能使核態(tài)沸騰提早。

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

2025/2/18逆流式，兩種流體也是平行流動，但它們的流動方向相反，見圖1-3。溫度分布可以理想化為一維，見圖1-4。理想情況下，單流道的這種流動方式的換熱器在相同參數(shù)時效率最高。在一給定的橫截面，換熱器壁面的溫差最小，因此，相比其它流動方式，在同等性能下這種換熱器的壁面熱應(yīng)力最小。在一些類型的換熱器中，布置逆流方式并不容易，因?yàn)樽屃黧w在兩端分開制造起來存在困難，進(jìn)出口的封頭設(shè)計也很復(fù)雜和困難。

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

2025/2/18叉流式或稱錯流式，兩種流體的流動方向互相垂直交叉，見圖1-5。叉流換熱器的熱效率在并流與逆流的情況之間。由于這種情況可大大簡化封頭的設(shè)計，因此在延伸表面換熱器中它是最常用的一種流動型式。如果換熱器的效率要求大于80％，設(shè)計成錯流可能導(dǎo)致尺寸很大，這種情況下選擇逆流較好?；炝魇剑瑑煞N流體在流動過程中既有順流部分，又有逆流部分。

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

2025/2/18在各種流動形式中，順流和逆流可以看作是兩個極端情況。順流時冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫度，而逆流時冷流體的出口溫度卻可能超過熱流體的出口溫度。從這點(diǎn)來看，換熱器應(yīng)當(dāng)盡量布置成逆流，而盡可能避免作順流布置。即冷流體和熱流體的最高溫度發(fā)生在換熱器的同一端，使得該處的壁溫特別高。對于高溫?fù)Q熱器來說，這是應(yīng)注意避免的。為了降低這里的壁溫，有時甚至有意改用順流，鍋爐中的高溫過熱器就有這種布置。

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

2025/2/18（3）按設(shè)備用途分類按設(shè)備用途，可分為：預(yù)熱器、加熱器、過熱器、冷凝器、蒸發(fā)器等等。預(yù)熱器用于預(yù)先加熱流體，以使整套工藝裝置效率得到改善；加熱器用于把流體加熱到所需溫度，被加熱流體在加熱過程中不發(fā)生相變；過熱器用于加熱飽和蒸汽到其過熱狀態(tài)；冷凝器用于冷卻凝結(jié)性飽和蒸汽，使之放出潛熱而凝結(jié)液化；蒸發(fā)器用于加熱液體使之蒸發(fā)汽化。

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

2025/2/18（4）按制造材質(zhì)分類按照制造熱質(zhì)交換設(shè)備的材料來分：有金屬的、陶瓷的、石墨的、塑料的、玻璃的等等。在生產(chǎn)中使用最多的是用普通金屬材料，如碳鋼、不銹鋼、銅及其合金等制造的換熱器。由于石油、化學(xué)、冶金等工業(yè)中的許多工藝過程多在高溫、高壓、極強(qiáng)腐蝕性等條件下進(jìn)行，金屬材料換熱器已不能滿足需要，因而開始研制和生產(chǎn)由陶瓷、石墨、塑料、玻璃等制造的非金屬材料的換熱器。

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

2025/2/18石墨具有優(yōu)良的耐腐蝕及傳熱性能，不易結(jié)垢，機(jī)械加工性能好，但易脆裂，不抗拉，不抗彎。石墨換熱器在強(qiáng)腐蝕性液體或氣體中應(yīng)用最能發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，它幾乎可以處理除氧化酸外的一切酸堿溶液。用于制造換熱器的工程塑料很多，目前以聚四氟乙烯為最佳，其性能可與金屬換熱器相比但卻具有特殊的耐腐蝕性。它主要用于硫酸廠的酸冷卻。玻璃換熱器能抗化學(xué)腐蝕，且能保證被處理介質(zhì)不受或少受污染。它廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)，例如高純度硫酸蒸餾等工藝過程。

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的種類、型式、流動方式和構(gòu)造

2025/2/181.2 一些設(shè)備的參考圖片2025/2/181.2 一些設(shè)備的參考圖片立式殼管式冷凝器2025/2/181.2 一些設(shè)備的參考圖片水冷式冷凝器2025/2/181.2 一些設(shè)備的參考圖片蒸發(fā)式冷凝器2025/2/181.2 一些設(shè)備的參考圖片圓形逆流式冷卻塔2025/2/181.2 一些設(shè)備的參考動畫空調(diào)制冷基本原理汽化在制冷中的應(yīng)用高壓管路儲存制冷劑方法2025/2/181.3本門課程的主要研究內(nèi)容傳熱與傳質(zhì)是實(shí)際工程中普遍存在的現(xiàn)象。本門課程就是研究創(chuàng)造建筑室內(nèi)環(huán)境所用的熱質(zhì)交換方法的基本特性和基本規(guī)律，為創(chuàng)造建筑室內(nèi)環(huán)境所用的熱質(zhì)交換技術(shù)提供必要的理論知識和設(shè)備知識。其主要內(nèi)容有：傳熱傳質(zhì)過程，相變熱質(zhì)交換過程與設(shè)備，空氣與水之間熱質(zhì)交換過程與設(shè)備等。傳熱傳質(zhì)過程部分，主要涉及傳質(zhì)的基本概念、擴(kuò)散傳質(zhì)、對流傳質(zhì)、熱質(zhì)傳遞模型和動量、熱量和質(zhì)量的傳遞類比、傳熱強(qiáng)化和場協(xié)同原則、間壁式換熱器及其熱工計算方法。2025/2/18相變熱質(zhì)交換過程與設(shè)備部分，主要討論以制冷劑為主的液體沸騰和蒸氣凝結(jié)的基本規(guī)律，并探討管內(nèi)外強(qiáng)迫流動時的相變換熱及固液相變熱換熱的基本原理，介紹專業(yè)中常見的冷凝器和蒸發(fā)器種類和基本構(gòu)造、傳熱熱阻和熱工計算等。空氣與水之間熱質(zhì)交換過程與設(shè)備部分，主要包括空氣與水／固體表面之間的熱質(zhì)交換，用吸收劑處理空氣和用吸附材料處理空氣的機(jī)理與方法，冷卻塔、噴霧室、表冷器、液體除濕設(shè)備、蒸發(fā)式冷凝器等熱質(zhì)交換設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成，材料選擇及相應(yīng)的熱工計算方法。1.3本門課程的主要研究內(nèi)容2025/2/18對于本課程內(nèi)容，要求學(xué)生了解本課程在專業(yè)中的地位與重要性；在掌握了傳熱學(xué)知識的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步掌握傳質(zhì)學(xué)的相關(guān)理論，并掌握動量、能量及質(zhì)量傳遞間的類比方法；熟悉在相變換熱情況下發(fā)生的以制冷劑為主的熱質(zhì)交換的物理機(jī)理和沸騰與凝結(jié)的影響因素；掌握空氣與水表面間熱質(zhì)交換的基本理論和基本方法，熟悉用固體吸附和液體吸收對空氣處理的機(jī)理與方法；了解本專業(yè)常用熱質(zhì)交換設(shè)備的型式與結(jié)構(gòu)，掌握其熱工計算方法，并具有對其進(jìn)行性能評價和優(yōu)化設(shè)計的初步能力。最終通過本課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，達(dá)到掌握在傳熱傳質(zhì)同時進(jìn)行時發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備中的熱質(zhì)交換的基本理論及相應(yīng)的設(shè)備熱工計算方法，并具有對其進(jìn)行性能評價和優(yōu)化設(shè)計的初步能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好的建筑室內(nèi)環(huán)境打下基礎(chǔ)。1.3本門課程的主要研究內(nèi)容2025/2/18第一章

思考題與習(xí)題試簡述“三傳”過程中的傳遞率的計算公式及所用到的各量及符號的意義。動力粘性系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)的單位各