热质交换原理与设备、供热工程指导书
《热质交换原理与设备》课程
(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
(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.
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.
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：
q dt
(1-3)
dy
对恒定热容量的流体：
q
c p
d (cpt) d (cpt)
dy
dy
(1-4)
式中：
d (cpt)
dy
导热系数， w /(moC)
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)
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。
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。
《热质交换原理与设备》课程教学大纲(本科)
热质交换原理与设备(Principle and Equipment of Heat and Mass Transfer)课程代码：02410040学分：2.0学时：32 （其中：课堂教学学时：28实验学时：4上机学时：0课程实践学时:0 ）先修课程：《传热学》、《工程热力学》、《流体力学》适用专业：建筑环境与能源应用工程教材：热质交换原理与设备，连之伟，北京：中国建筑工业出版社，第四版一、课程性质与课程目标（一）课程性质《热质交换原理与设备》是具有承上启下意义，同时起到连接相关专业基础课与专业课桥梁作用的专业基础课。
它是在《传热学》、《流体力学》和《工程热力学》的基础上，将专业中《冷热源工程》、《暖通空调》、《热泵原理与应用》等专业课中涉及流体热质交换原理及相应设备的共性内容抽出，经综合、充实和系统整理而形成的一门专业基础课程。
此课程兼顾理论知识和设备知识，培养学生较全面掌握动量传输、热量传输及质量传输共同构成的传输理论的基础知识，掌握本专业中的典型热质交换设备的热工计算方法，为进一步学习本专业的专业课程打下坚实的基础。
（二）课程目标课程目标1:掌握传质的理论基础，包括传质的基本概念，扩散传质、对流传质的过程及分析, 相际间的热质传递模型。
课程目标2：理解传热传质的分析和计算知识，包括动量、热量和质量的传递类比，对流传质的准则关联式，热量和质量同时进行时的热质传递；学会运用所学知识分析实际问题。
课程目标3：熟悉空气热质处理方法，包括空气处理的各种途径，空气与水/固体表面之间的热质交换过程及主要影响因素，吸附和吸收处理空气的原理与方法，用吸收剂处理空气和用吸附材料处理空气的原理与方法；学会理论联系实际，分析环境控制领域常用的空气热质处理原理。
课程目标4：掌握热质交换设备的热工计算方法，包括间壁式热质交换设备的热工计算，混合式热质交换设备的热工计算和复合式热质交换设备的热工计算，能够针对具体需求对常见热质交换设备进行设计计算和校核计算。
《热质交换原理与设备》实验指导书概述
当确认散热器供、回水温度和流量基本稳定后，即可进行测定。散热器供回水温度tg与th及室内温度t，均采用Pt100.1传感器，配数显巡检测试仪直接测量，流量用转子流量计测量。温度和流量均为每10分钟测读一次。
Gt=L/1000=L·10-3m3/h
式中：L——转子流量计读值；l/h；
4）每一工况的试验，均需测定以下参数：空气进口温度；空气出口温度；空气孔板压差；空气阻力压差。热水进口温度；热水出口温度；热水流量等。
2、操作步骤
1）连接电源（380V，四线，50HZ，10KW）；
2）向电热水箱内注水至超过水加热器最高点，以免加热器内有空气存在；
3）用胶管把换热器进出口处的阻力测嘴与差压传感器连接好，用胶管把孔板流量计前后处的阻力测嘴与差压传感器连接好；
4）接通电源，启动水泵，检查水管路，不得漏水，否则应处理，关闭水泵；
5）设置温控表至所控温度值，启动电加热器；
6）温度到达设值后，启动水泵；
7）启动风机：打开风机开关，调节调速电位器，使风速最大；
8)观察巡检仪显示数据是否正常等。
3、工况调节
1）根据水温度利用水泵出口阀门可调节热水流量。
2）根据空气温差，调节电位器可调节空气流量。
-n6
第6通道开
0
0-40KPa
4-20mA
右散热器阻力(压差)
-n7
第7通道开
0
Pt100.1
环境温度
-n8
第8通道开
1
-n9—-n16
均设置为关
1
第1、2、3、4、7通道设置:
1SL0
输入分度号
09
1SL1
小数点
1
热质交换原理与设备教学大纲
“热质交换原理与设备”课程教学大纲课程名称：热质交换原理与设备英文名称：Principle and Equipment Heat-Mass Exchanging课程编码：CJX0540学时：48 学分：3适用对象：建筑环境与设备工程专业本科生先修课程：传热学，工程热力学，流体力学使用教材：《热质交换原理与设备》，连之伟编著，中国建筑工业出版社，2011主要参考书：[1]《建筑环境传质学》，张寅平、张立志、刘晓华编，中国建筑工业出版社，2006[2]《热质交换原理与设备》，许为全编，清华大学出版社，1999一、课程介绍本课程为建筑环境与设备工程专业主要的专业基础课之一。
主要用于增强学生的专业理论水平，开阔学生的科学视野，从动量、热量和质量传递的统一的传递过程理论的高度上学习和研究本专业工程实践中遇到的诸如：热质交换设备的设计、加工、运行管理方面遇到的一些问题。
起到联系本专业基础课与技术课的桥梁作用，培养学生理论联系实际的能力。
掌握传输过程的基本理论及三种传输过程的类比；掌握空气热质交换理论方法和常用热质交换设备的热工计算方法，具备初步的优化设计和性能评价能力。
二、教学基本要求掌握质传递的基本规律和热质传递的类比，了解制冷剂为主的沸腾、凝结的基本规律；掌握强迫流的相变传热及固液相变热质交换基本原理，熟悉空气处理的各种途径；掌握空气与水/固表面之间的热质交换，熟悉用吸收剂的吸附材料处理空气的机理，熟悉被处理空气与室内空气发生的热质交换，了解常用热质交换设备的形式与结构、基本性能参数；掌握间壁式、混合式，有相变热质交换设备的热工计算，了解热质交换设备的评价的优化设计。
三、课程内容第一章绪论：建筑环境与设备专业涉及的热质交换现象及其设备分类，本门课程在专业中的地位与作用，本门课程的主要研究内容与方法。
第二章传质的理论基础：传质概论，扩散传质，对流传质，相际间的对流传质模型。
基本要求:理解浓度，扩散通量等基本概念，传质的两大基本方式和常见的8种形式，掌握Fick定律，Stefan定律，扩散系数概念，薄膜理论，三传的传递方程，传热传质同时传递模型的建立，雷诺类似律；了解柯尔本类似律，动量交换与热交换的类比在质交换中的应用；掌握对流传质的准则关联式，刘易斯关系式。
热质交换原理与设备
热质交换原理与设备2.1 空气的热湿处理实验2.2.1 实验目的1) 掌握空气混合过程中空气状态点的变化规律。
2) 通过在表冷器中对空气和水的热湿交换过程测试，使学生加深对空气和水间接接触时传热传质过程的理解，并测定表冷器的热工性能；3) 熟悉和掌握有关热工测试的方法。
2.2.2 实验原理1) 表冷器传热过程分析及热工计算方法表冷器上发生的热质交换过程如下图所示。
热质交换过程包括空气与表冷器的显热交换、水蒸汽的凝结质交换、以及凝结伴随的潜热交换。
其中，t 为主流空气的干球温度；t b 为湿空气与凝结水膜之间边界层的温度；t i 为凝结水膜的温度；t w 为表冷器冷表面的温度；G 为湿空气的流量；W 为冷却剂的流量。
显热交换量的计算式为：dF t t h dQ b x )(-=凝结水膜湿空气W冷表面式中，h 为显热交换系数，d F 为表冷器的热交换面积。
湿空气的凝结量为：dF d d h dW b md )(-=式中，h md 为传质系数，d 为主流湿空气的含湿量，d b 为湿空气与凝结水膜之间边界层的含湿量。
凝结过程释放的潜热量为：dF d d rh rdW dQ b md q )(-==式中，r 为水蒸汽凝结的潜热释放量。
表冷器空气处理过程的总热交换量为：dF i i h dQ dQ dQ b md q x )(-=+=其中，i 为主流湿空气的焓，i b 为湿空气与凝结水膜之间边界层的焓。
上式即为麦凯尔方程。
而显热传热系数与质交换系数的关系可由刘易斯关系式来表示：pmd c h h =其中，c p 为空气的定压比热。
表冷器对湿空气冷却除湿实际过程与理想过程存在一定的偏差，如下图所示，实际发生的湿空气过程为从状态1到状态2而不能达到饱和状态3。
其中热交换效率可表示为：1w 1211t t t t --=ε 其中，ε1为热交换效率，t w1为冷却剂的入口温度。
上式亦称为表冷器的第一热交换效率。
接触系数为：31212t t t t --=ε其中， 2为接触系数，t3为饱和状态温度。
热质交换原理与设备要点总结
<热质交换原理与设备>第一章绪论1．分子传递的三定律3个传递系数、公式、结构上的类似性。
2．紊流传递，分子传递的基本概念基于流态划分的传递现象的两种基本形式。
3．设备的分类以及它们各自的传热机理第二章热质交换过程1．传质定义：分子扩散和对流扩散的概念基于质交换的构因划分的质交换的基本方式对流传质量概念2．5种扩散通量的定义之间的关系扩散通量质扩散通量、摩尔扩散通量、扩散通量向量、绝对扩散通量、相对扩散通量3．斐克定律的其它表示形式质量平均速度与扩散速度4．斯蒂芬定律应用情况；积分形式、微分形式，转化条件（转化为斐克定律）5．扩散系数定义，o D的定义（公式不记），随压强和温度的变化情况6．对流传质的基本公式7．边界层的概念？意义？对流传质简化模型的中心思想。
8．薄膜渗透理论的基本论点、结论（公式、推导不计）9．各准则数的物理意义普朗特，施密特，刘伊斯10．类似律的本质：阐述三传之间的类似关系（建立了…和之间的关系）11．同一表面上传质对传热的影响，对壁面热传导和总传热量影响相反由（2-90）和图2-16来分析影响12．刘伊斯关系式的表达式和意义第三章相变热量交换原理1．什么是沸腾放热的临界热流密度？有何意义？2．汽化核心分析3．影响沸腾换热的因素4．影响凝结现象的因素第四章空气热质处理方法1．麦凯尔方程的意义，热质交换设备的图解方法。
2．空气与水直接接触时热湿交换的原理，显热，潜热推动力，空气状态变化过程，实际过程3．吸收吸附法较之表冷器除湿的优点。
4．干燥循环的3个环节5．吸附剂传质速度的影响因素。
6．吸附原理：表面自由焓7．动态吸附除湿的再生方式8．吸附除湿空调系统9．吸收原理：气液平衡关系第五章 其它形式的热质交换1．空气射流的种类、特点等温自由射流的速度衰减。
非等温射流温度边界层，速度边界层，浓度边界层的特性。
起始段，主体段2．回风口空气衰减规律3．送风温差第六章 热质交换设备1．表冷器的热工计算(1)传热系数与哪些因素有关 迎面风速，析湿系数，水流速(2) 效能—传热单元法 主要原则，几个参量的意义2．喷淋室的热工计算（1）影响喷淋室热交换效果的因素。
热质交换原理与设备第二版课程设计
热质交换原理与设备第二版课程设计1. 课程背景热交换技术是化工、冶金、能源等领域的核心技术之一，广泛应用于各种工业设备中。
本课程介绍了热交换原理、热交换设备的种类和应用以及热交换器的设计和维护等方面，旨在为学生提供系统的热交换知识和实践能力。
2. 课程目标本课程旨在让学生掌握以下内容：•热交换的基本原理和分类；•不同类型热交换器的工作原理和应用；•热交换器的设计方法和流程；•热交换器的维护和检修。
3. 课程大纲3.1 热质交换基础知识•热动力学基础热力学第一定律、热力学第二定律等基础知识。
•热传导基础热传导基本理论、传热方程、传热系数等。
•热传递的分析方法热传递的计算和分析方法。
3.2 热交换原理•热质交换的定义和基本原理热质交换的概念和基本原理。
•热传导途径热传导途径及其特点。
•热传递的条件和影响因素热传递的条件和影响因素。
3.3 热交换设备•热交换器分类及其特点热交换器分类和特点。
•常用热交换器的结构和工作原理常用热交换器的结构和工作原理。
3.4 热交换器设计和维护•热交换器设计过程热交换器设计的步骤、参数计算和选择方法。
•热交换器维护和检修热交换器的保养、维修和检修方法。
4. 实验设计实验一：热传导实验实验二：热交换器的性能测试实验三：热交换器的设计与优化实验四：热交换器的维护和检修5. 参考书目•《换热器基础》（周立德）；•《热工工艺与设备》（袁求实）；•《热力学与传热学》（黄昌谦）；•《化工装备设计基础》（潘家华）。
以上参考书目为必选，具体课程参考书目在授课时另行通知。
6. 课程评估课堂出勤情况和实验成果占据主要评估因素。
每次实验成果占总成绩比例30%，课堂出勤情况占比20%。
期末考试占比50%。
热质交换原理与设备概述
热质交换原理与设备概述在热质交换过程中，热量的传递通过传热表面进行，介质之间不直接接触。
根据传热方式的不同，热质交换可以分为对流换热和辐射换热两种。
对流换热是通过流体的流动来实现热量传递，常见的设备有管壳式换热器、板式换热器等；辐射换热是通过辐射作用来实现热量传递，常见的设备有塔式冷却器、蒸发器等。
换热器是热质交换中应用最广泛的设备之一，其原理是通过传热表面将热量从一个介质传递到另一个介质。
常见的换热器有管壳式换热器、板式换热器、螺旋板式换热器等，其结构形式和换热原理各有不同，可以根据具体的工艺需求进行选择。
冷凝器和蒸发器是热质交换中另外两种重要的设备。
冷凝器主要用于将蒸汽冷凝成液体，蒸发器则用于将液体蒸发成蒸汽。
它们在化工生产过程中起着非常重要的作用，可以有效地实现能源的利用和介质的循环利用。
吸收器是一种特殊的热质交换设备，主要用于吸收剂对溶质的吸收作用。
它在化工领域中应用广泛，可以用于气体的干燥、溶液的浓缩、气液的分离等工艺。
总的来说，热质交换原理与设备是化工、能源、环保等行业中不可或缺的重要内容，它们的应用可以有效地提高能源利用率和生产效率，降低生产成本，保护环境并推动工业发展。
随着技术的不断发展和进步，热质交换原理与设备也将不断完善和改进，为人类社会带来更多的福祉。
热质交换原理与设备作为化工、能源和环保等行业的重要环节，在现代工业生产中发挥着关键作用。
热质交换过程是将两种物质之间的热量转移交换，通常在不同温度的条件下进行。
这需要通过热质交换设备，将热能从一个介质传递到另一个介质，以满足工业生产过程中的热能需求。
在热质交换过程中，介质的传热方式有对流、辐射和传热。
对流换热是指介质之间的热量通过传导和对流进行传递；辐射换热是指介质通过辐射方式进行热量传递；传热是指介质之间的热量通过固体传热表面进行传递。
这些传热方式的不同会影响热质交换设备的选择和设计。
换热器是热质交换中应用最广泛的设备之一，主要用于热能的传递。
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热网水力工况
一、实验目的
使用热网水力工况模型实验装置进行几种水力工况变化的实验，能直接了解热水网路水压的变化情况，巩固热水网路水力工况计算的基本原理。
掌握水力工况分析方法、验证热水网路水压图和水力工况的理论。
二、实验装置如图1所示。
图1设备简图
设备由管道、阀门、流量计、模拟锅炉、水泵等组成，用来模拟由5个用户组成的热水网路。
上半部有高位水箱和安装在一块垂直木版上的10根玻璃管，玻璃管的顶端与大气相通，玻璃管下端用胶管与网路分支点相接，用来测量热网用户连接点处的供水干管的测压管水头(水压曲线高度)。
每组用户的两支玻璃管间附有标尺以便读出各点压力。
三、实验步骤
阀门操作见系统图。
1、平常水压图。
启动水泵缓慢打开阀A和a阀门，水由水泵经锅炉，一部分进入供水干管、用户、回水管；另一部分进入高位水箱，待系统充满水，打开B阀的同时关闭A阀，保持水箱稳定，调节各阀门，以增加或减少管段的阻力，使各节点之间有适当的压差，待系统稳定后，记录各点的压力和流量，并以此绘制正常水压图。
图2 系统图
2、关小供水干管中阀门1时的水压图
将阀门1关小些，这时热网中总流量将减少，供水干管与回干管的水速降低，单位长度的压力降减少，因此水压图比正常工况时平坦些，在阀门1处压力突然降低，阀门1以前的用户，由于支路水头增加，流量都有所增加，越接近阀门1的用户增加越多，阀1以后各用户的流量将减少，减少的比例相同。
即所谓一致等比失调，记录各点压力、流量。
绘制新水压图与正常的进行比较，并记录各用户流量的变化程度。
3、关闭E用户时的水压图
将阀1恢复原状，各点压力一般不会恢复到原来读数位置，不一定强求符合原来正常水压图。
关闭阀门2，记录新水压图各点的压力、流量。
4、关小阀门3时的水压图
将阀门2恢复到原来的位置，把阀门3关小，记录新水压图各点的压力、流量。
5、阀门3恢复到原来的位置打开阀门4，关小阀门5，观察网路各点的压力变化情况。
即回水定压。
6、关闭阀门4，打开阀门5。
观察网路各点的压力变化情况。
即给水定压。
实验完毕，停止水泵运行。
四、数据整理
a 、记录压力及流量读数
b 、水力失调度x 计算： 正常
变P P V V x g
s
∆∆==
c 、根据实验情况分别绘制水压图。
并评价各工况实验结果。
七、实验思考
1.膨胀水箱的高度对系统管网的压力变化是否有影响
2.如何消除或减少用户的流量调节对其他用户的影响？
3.实验结果与理论知识是否一致？有什么不同点？
空气调节系统模拟
一、实验装置
实验装置见图1-1所示，本实验装置有空气热湿处理设备及制冷系统，可做集中式空调系统中的直流式系统，封闭式系统、一次回风式系统、制冷系统及调节等实验研究。
在实验时，可充分利用实验装置模拟夏季、冬季、室内及室外环境。
图1-1综合式中央空调实验装置
1.风管
2.孔板流量计
3.调节阀门
4.倾斜式微压计
5.空气混合器
6.整流孔板
7.风机
8.流量控制盘
9.电加热器 10.电加湿装置 11.表面式冷却器 12.制冷压缩机13.风冷冷凝器14.贮液器 15.制冷剂（R22）流量计 16.膨胀阀 17.干湿球温度计
二、直流式空气调节系统及测定
直流式空气调节系统是将来自室外空气经热湿处理后送到空调房间，吸收余热余湿后全
部排除室外，即系统的进风量等于排风量，G
1=G
d。
如图1-2（a）所示。
图1-2直流式空气调节系统
1.利用实验装置模拟室外环境，如上图（b）虚线框内，可模拟夏季室外环境。
2.各选择一夏季、冬季空气处理方案，把室外空气处理到某送风状态，调节一定风量进行运行测定。
3.计算空气在空调处理系统中的热量、湿量得失，测定计算各处理设备的能耗。
4.提出直流式空气调节系统的优缺点。
三、再循环式空气调节系统及测定
再循环式空气调节系统是把来自空调房间的空气经热湿处理后再送回空调房间，而没有室外空气补入空调系统。
即空调房间和空气处理装置及送风、回风管路构成了一个循环系统。
如图1-3（a）所示。
图1-3再循环式空气调节系统
1.模拟夏季室内环境见上图（b）虚线框内。
选择空气处理方案，拟定室内空气状态参数，调节一定的风量进行测定。
2.计算室内余热，余湿及热湿比。
3.计算空气在处理系统中的热量、湿量得失，计算各处理设备的耗能。
将处理过程在h-d 图上表示并说明。
4.根据实验装置试提出冬季空气处理方案，并用草图及在h-d图上表示并加以说明。
四、混合式空气调节系统及测定
由目前的实验我们知道，再循环式空调系统卫生条件差，而直流式空调系统在经济上又是不合理的。
它们都是在特殊要求下使用的。
为满足卫生要求，又较为经济合理，一般是采用回风式空调系统。
即把空调房间的一部分空气与室外的一部分新鲜空气混合经热湿处理后送到空调房间，如图1-4（a）所示。
图1-4混合式空气调节系统
1.模拟冬季室内环境，选择空气处理方案，拟定室内空气状态参数。
调节系统风量及新风百分比进行运行测定。
2.计算室内余热，余湿及热湿比热。
3.计算空气在空调处理系统中热量、湿量得失。
测定计算各处理设备的耗能。
4.根据实验装置试提出冬季空气处理方案，并用草图及在h-d 图上表示并加以说明。
五、操作步骤
1.实验之前、先首调整压差计为水平位置，熟悉实验装置各个部分、测试仪表装置及要调节的部件，作好其他准备工作。
2.合上总电闸，接通电源，这时风机转动，调整风量。
3.启动电加热器或电加湿器及制冷系统，待系统运行稳定进行实验测定。
4.关闭电加热器电加湿器及制冷系统，调节风量为最大风量运行5分钟左右，拉下总电闸断开电源。
六、计算说明
空调系统进风量： ）（s kg P G /0757.0111ρ∆= 空调系统排风量： ）（s kg P G d d /073.01
4ρ∆= 电加热器、电加湿器耗电功率： ）（W IV N =
风机、制冷压缩机耗电功率： ）（W IV N ϕcos = 电加热器表面热损失： )100(3.4t Q -=
式中：Δp 1、Δp d —分别表示进风口与出风处孔板流量计、单位为mmH 2O ； ρ1、ρd —分另为进风口和出风口空气的密度(kg/m 3)； t —环境温度（℃）；
I 、V —分别为工作电流和工作电压； ϕcos —电机功率因数。
对风机： 0.1cos =ϕ；对制冷压缩机：9.0cos =ϕ。
此外，在对空气湿球温度测定时，要满足风速v ≥3.5 m/s ，v ≤3.5 m/s 时， 查图1-5对湿球温度进行修正计算。
实际湿球温度 s s s t t t ∆-='
七、实验内容与要求
1.用实验装置分别对空气进行加热、加湿过程及冷却过程。
2.计算空气在各处理过程中的得失热量、湿量、并根据热湿平衡原理计算误差，分析产生误差的主要原因。
3.画实验装置草图，在h —d 图上表示各个空气处理过程。
例如：在等湿加热过程中，空气得热量： )(21h h G Q -= kw 电加热器耗电功率： 310-=IV N kw 相对误差： %100N
Q N -=∆
式中：G —系统的空气风量(kg/s)：
h 1、h 2—分别为进风与出风口处空气的焓(kJ/kg)。
图1-5 湿球温度修正
图1-6 h—d图例。