第七章 混合式热质交换设备的热工计算热质交换与设备原理PPT课件
热质交换原理与设备
质量通量用绝对速度表示A A A u m ρ=用扩散速度表示()u uA A JA -=ρ摩尔通量用绝对速度表示A A A u C N =用扩散速度表示)(M A A A u u C J -=传质通量是单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量，传质通量等于传质速度与浓度的乘积。
)(/1B B A A u u u ρρρ+=质量传质：分子传质又称为分子扩散，它是由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。
对流传质：指避免和运动流体之间或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递。
分子扩散和对流扩散的总作用成为对流传质交换斐克定律（扩散基本定律）—在浓度场不随时间变化的情况下，组分A 向组分B 的扩散通量与组分A 的浓度梯度成正比，表达式：质量扩散通量dzB d D BA jB dz A d D AB ja ρρ-=-=,摩尔扩散通量dZdCB D BA JB dZ dCA D AB JA -=-=,两组分扩散系统有：JB JA jb jA -=-=,所以扩散系数D D BA D AB ==注：菲克定律只适用于由于分子无规则热运动引起的扩散过程，其传递的速度为扩散速度，一般表达式：)(B A A z A A m m a d d D m ++-=ρ M M a A A = )(B A A Z CA A N N x d d D N ++-= nn x A A =组分的实际传质通量=分子扩散通量+主题流动通量。
扩散系数：物质的分子扩散系数表示它的扩散能力，是物质的物理性质之一，定义：扩散系数是沿扩散方向，在单位时间浓度降得条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数，单位㎡/s 。
浓度边界层决定了对流传质，如果在表面处流体中的某种组分A 的浓度S A C ,和自由流体的∞,A C 不同，就将产生浓度边界层，它是存在浓的梯度的流体区域，并且它的厚度c δ被定义为[][]99.0/,=--∞AS A S A C C C C 时的y 值，在表面和自由流的流体之间的对流造成的组分的传递是由这个边界层中的条件决定的。
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
当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量和质量的传递现象。
动量、热量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由漩涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。
质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量称为该组分的质量浓度。
物质的量浓度：单位体积混合物中某组分的物质的量称为该组分的物质的量浓度，符号C。
绝对速度= 主体流动速度+ 扩散速度单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量称为传质通量。
传质通量等于传质速度与浓度的乘积。
质量传递的方式分为分子传质和对流传质。
分子传质又称为分子扩散，它是由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。
对流传质是指壁面和运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递。
在湍流流体中，由于存在大大小小的漩涡运动，而引起各部位流体间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质便朝着浓度降低的方向进行传递，这种凭借流体质点的湍流和漩涡来传递物质的现象，称为紊流扩散。
斐克定律：在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中组分A和组分B将发生互扩散，其中组分A 向组分B的扩散通量与组分A的浓度梯度成正比。
斐克定律只适用于由于分子无规则热运动引起的扩散过程，其传递的速度即为扩散速度。
组分的实际传质通量= 分子扩散通量+ 主体流动通量在气体扩散过程中，分子扩散有两种形式，双向扩散和单向扩散。
等分子反方向扩散（双向扩散）：设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则成为等分子反方向扩散。
组分A通过停滞组分B的扩散（单向扩散）：设组分A、B两组分组成的混合物中，组分A 为扩散组分，组分B为不扩散组分，组分A通过停滞组分B进行扩散。
液体中的等分子反方向扩散发生在摩尔潜热相等的二元混合物蒸馏时的液相中，此时，易挥发组分A向气液相界面方向扩散，而难挥发组分B则向液相主体的方向扩散。
热质交换原理与设备-连之伟
2019/11/8
60-37
5.2 吸收剂处理空气的机理和方法
5.2.1 吸收现象简介 气体吸收是用某种液体吸收气体中某种组分。 吸收能力与气体分压、温度、吸收液浓度等有关。 工作过程：吸收 - 再生（浓缩吸收液）- 吸收。
2019/11/8
60-38
多孔介质比表面积大，所以吸附剂多为多孔介质。 多孔介质孔隙越小，比表面积越大，孔隙内吸附能力越强
（5）吸附剂的特性参数 1）多孔吸附剂的 外观体积
V堆 V隙 V孔 V真
V隙 颗粒间隙体积
V孔 颗粒内细孔体积
V真 骨架体积
2019/11/8
60-12
2）吸附剂密度 堆积密度：
吸附剂：使气相浓缩的物质 吸附质：被浓缩的物质
分子力（Van der Waals）:
同相间分子力处于平衡状态，相界处不平衡。
2019/11/8
60-4
表面能 物质的总能量
U umM us A
U M
um us
A M
当物质的比表面积比较大时，表面能就会对物质 的性能产生很大的影响。
相界上的非平衡力导致物质微粒在界面上的聚 集程度的改变就是吸附。
而实现脱附。
置换脱附再生方式：用具有比吸附质更强的选择吸
附性物质来置换而实现脱附。
2019/11/8
60-28
除湿方式： 冷却除湿（近似等温过程）：除湿的同时通过冷却流
体带走吸附热； 绝热除湿（近似等焓过程）：除湿的同时温度升高。
吸附剂的选择 阻力小（空气压力损失小）；比表面积大；吸
附容量大；具有较好机械强度、热稳定性及化学稳 定性；
2019/11/8
热质交换原理与设备(课堂PPT)
t C; a D ; D
P r S;cN uS;hS t Sm t
220020/6/23
平板层流传热
1
1
Nux 0.332Pr3 Rex 2
1
1
NuL 0.664Pr3 ReL2
平平板板紊紊流流传传热热
1
Nux
0.0296Pr3
Rex
类似的，对流体沿平面流动或管内流动时质交换
的准则关联式为：
Shf(RSe)c,
hml f ul, D D
Re给定条件下，Le=1时，有：ShNu
即hml h l
D
hmhD hahcp h cp
此为刘伊斯关系式，即热质交换类比律。
气体混合物：通常Le≈1，即a ≈ D。此时，边界层 内温度分布和浓度分布相似。
d d2t2y(NAM A *cP,ANBM B *cP,B)d d y t0
hd d2t2yNAM A *cP,A hNBM B *cP,Bd dy t0
h
0
C0
无因次数C0为传质阿克曼修正系数(Ackerman correction) 。
传质自壁面向主流，则C0>0，230反420/之6/23C0<0。
Stm
Sh Re Sc
Cf 2
或
Sh C f Re Sc 2
当Sc=1，即ν=D时 Sh C f Re 2
210620/6/23
3.1.3.2 柯尔本（Colburn）类比
普朗特(Prandtl)类比（考虑了层流底层）
hm
Cf /2
u 15 Cf /2(Sc1)
卡门(Karman)类比（考虑了层流底层、过渡层）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
tw2
27
(b) 逆流
tw2
tw1
2020/9/24
47-27
7.3.2 冷却塔热质交换的特点
❖ 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（干球） 温度，总能进行水的蒸发 。
47-12
冷 却 塔 结 构
13
2020/9/24
47-13
冷却塔作用原理示意图
14
2020/9/24
47-14
自然通风
机械通风
15
横流
逆流
2020/9/24
47-15
（2）冷却塔构造 1）淋水装置（填料） 作用：增大水与空气的接触面积、接触时间，促 进水气 之间的热质交换。
按水在冷却塔中的形状可分为： ❖ 点滴式； ❖ 薄膜式； ❖ 点滴薄膜式。
47-4
（2） 气体洗涤塔（或称洗涤塔）
用来洗涤气体中的某些组分，如有害气体、灰尘等 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
立式洗涤塔
5
喷淋室
2020/9/24
47-5
（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。
（红色字体内））设喷备嘴的排结数构特性（以喷淋室为例） 单排不如双排，三排与双排差不多。 实际中多用两排； 当喷水量大使水压较大时，采用三排。
23
2020/9/24
47-23
（2）喷嘴密度
密度过大：水苗互相重叠。
密度过小：水苗不能覆盖整个喷淋室端面。
一般取13～24个/m2排。
7.1.1 混合式换热器的种类
混合式换热器按用途可分为： ❖ 冷却塔（或称冷水塔) ❖ 气体洗涤塔（或称洗涤塔） ❖ 喷射式热交换器 ❖ 混合式冷凝器
3
2020/9/24
47-3
（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
4
2020/9/24
tw1 )
(ts1 tw1 ) (ts2 tw2 ) ts1 tw1
1 (ts2 tw2 ) ts1 tw1
第七章 混合式热质交换设备
的热工计算
内容
7.1 混合式换热器的型式与结构 影响混合式设备热质交换效果的
7.2 主要因素 7.3 混合式设备发生热质交换的特点 7.4 喷淋室的热工计算 7.5 冷却塔的热工计算 7.6 其它混合式热质交换设备的热工计算
2
2020/9/24
47-2
7.1 混合式换热器的形式与结构
16
2020/9/24
47-16
点滴式淋水装置板条布置方式
倾斜式
棋盘式
17
阶梯式
方格式
2020/9/24
47-17
薄膜式淋水装置填料
淋水片
斜折波
双向波
18
S波
六角蜂窝 2020/9/24
47-18
点滴薄膜式淋水装置 利用多层网格板淋水
19
2020/9/24
47-19
2）配水系统 作用：将循环水均匀的分配到整个淋水面积
10
2020/9/24
47-10
11
2020/9/24
7.1.3 冷却塔的类型与结构
（1）冷却塔类型
根据水与水接触方式分为：
▪ 干式冷却塔；
▪ 湿式冷却塔。
按通风方式分为：
❖ 自然通风冷却塔；
❖ 机械通风冷却塔。
按热水和空气的流动方向分为：
❖ 逆流式冷却塔；
❖ 横流（交叉流）式冷却塔。
12
2020/9/24
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
26 状态也很难达到饱和。
2020/9/24
47-26
用喷淋室处理空气的实际过程
A
1 2 3 tw2 tw" tw' tw1
A
1
2
3
tw2
tw" tw'
tw1
(a) 顺流
空气
水tw1
常用的配水系统有： ❖ 槽式； ❖ 管式； ❖ 池式。
20
2020/9/24
47-20
槽式配水系统
管式（旋转）配水系统
21
池式配水系统
2020/9/24
47-21
3）通风筒
22
2020/9/24
47-22
7.2 影响混合式设备热质交换的主要因素
1)气水间焓差；2）空气流动状况；3）水滴大小；4）水气比 ；
增大喷水量可采用增大水压，如果水压过大， 则 可增加喷嘴排数。 （3）喷水方向
1排：逆喷；
2排：对喷；
3排：1顺2逆。
24
2020/9/24
47-24
（4）排管间距 间距过小：水苗互相重叠。 间距过大：水苗不能覆盖管排间的整个空间。 使用Y1型喷嘴，一般取600mm。
（5）喷嘴孔径 孔径过小：容易堵塞； 孔径过大：水滴大，比表面积小。
取显热为Qα，潜热为Qβ，则水放热量为：
水
Q= Qβ+ Qα
温
Q＝Qβ
干球温度
下 降
Q= Qβ- Qα Q= Qβ- Qα=0
湿球温度
蒸发冷却既有显热，又有潜热交换，水可降温至低于空气温度
。28
2020/9/24
47-28
7.4 喷淋室的热工计算
7.4.1 喷淋室的热交换效率系数和接触系数
t1
1
1’
（6）空气与水的初参数
空气与水的初参数决定了空气与水的热质交换 过程
25
2020/9/24
47-25
7.3 混合式设备发生热质交换的特点
7.3.1 喷淋室热质交换的特点
1、空气与水表面之间既有热量交换，一般还有 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 。
6
2020/9/24
47-6
（4） 混合式冷凝器 用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝
7
2020/9/24
47-7
7.1.2 喷淋室的类型和构造 （1） 喷淋室的构造
8
2020/9/24
47-8
9
2020/9/24
47-9
（2）喷淋室的类型 ❖卧式、立式(处理小风量，占地面积小) ❖单级，双级 ❖低速(2~3m/s)，高速(3.5~6m/s，Carrier产品 8~10m/s) ❖带填料式(增加喷水效率)
2
ts1
t2
i1
ts2
t3 tw2
3 4
2’ i2
tw1
5
29
2020/9/24
47-29
（1）喷淋室的热交换系数（第一热交换效率、 全热交换效率）
t1
1
t2
t3 tw2
tw1
4 5
30
2 3 2’ i2
1’ ts1
i1
ts
2
1
12 45 1 5
(ts1
ts2 ) (tw2 ts1 tw1