第一章热质交换与设备原理绪论

1、（第三版）（第三版）热质交换原理热质交换原理与设备与设备v建设部于建设部于1997年成立了年成立了“面向面向21世纪高等教育世纪高等教育教学内容和课程体系的改革与实践教学内容和课程体系的改革与实践”课题组课题组,本着本着加强基础加强基础,提高学生综合能力的原则提高学生综合能力的原则,对更名后的对更名后的“建筑环境与设备工程建筑环境与设备工程”专业课程体系进行了改革，专业课程体系进行了改革，增加了三门专业基础与专业理论平台课，增加了三门专业基础与专业理论平台课，热质热质交换原理与设备交换原理与设备是其中之一。是其中之一。 前 言v该课程是由该课程是由供暖工程供暖工程、区域供热区域供热、工工业通风

2、业通风、空气调节空气调节、空调用制冷技术空调用制冷技术、锅炉与锅炉房设备锅炉与锅炉房设备和和燃气燃烧燃气燃烧等专业等专业课程中所涉及到的流体间进行传热、传热机理和课程中所涉及到的流体间进行传热、传热机理和设备的内容系统整合而形成的一门新课程，它以设备的内容系统整合而形成的一门新课程，它以动量传输、热量传输及质量传输共同构成的传输动量传输、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工理论为基础，重点研究发生在建筑环境与设备工程专业中的热质交换原理与设备的热工计算方法程专业中的热质交换原理与设备的热工计算方法，为进一步学好专业课程打下基础。，为进一步学好专业课程打下基

3、础。 v课程内容体系结构：课程内容体系结构：v热、质交换过程是实际暖通空调工程中普遍存在热、质交换过程是实际暖通空调工程中普遍存在的现象，该课程主要由建筑环境与设备工程专业的现象，该课程主要由建筑环境与设备工程专业涉及的热质交换原理部分与设备部分组成。涉及的热质交换原理部分与设备部分组成。v原理部分在着重介绍热质交换过程描述的传质学原理部分在着重介绍热质交换过程描述的传质学及其与传热学的类比关系，介绍了相变过程热质及其与传热学的类比关系，介绍了相变过程热质交换原理及其应用和对空气进行热质处理的方法交换原理及其应用和对空气进行热质处理的方法。其中，相变热质交换主要是针对在冰蓄冷技术。其中，相变热

4、质交换主要是针对在冰蓄冷技术中有广泛应用的固液相变换热的有关知识，并对中有广泛应用的固液相变换热的有关知识，并对其在集中空调系统中的应用也做了一定的阐述。其在集中空调系统中的应用也做了一定的阐述。该课程的重点是对空气进行热质处理的原理与常该课程的重点是对空气进行热质处理的原理与常用方法的介绍。这部分不但对空气与固体表面和用方法的介绍。这部分不但对空气与固体表面和空气与水直接接触时的热质交换原理进行了深入空气与水直接接触时的热质交换原理进行了深入详尽的阐述，而且对吸收、吸附法处理空气的基详尽的阐述，而且对吸收、吸附法处理空气的基本知识也做了必要的描述。本知识也做了必要的描述。v设备部分重点突出热

5、质交换原理在暖通空调有关设备部分重点突出热质交换原理在暖通空调有关设备中的应用，侧重于掌握设备热工计算基本方设备中的应用，侧重于掌握设备热工计算基本方法。该部分按间壁式和混合式这两种典型的热质法。该部分按间壁式和混合式这两种典型的热质交换设备分类方式展开。间壁式换热器在对总传交换设备分类方式展开。间壁式换热器在对总传热系数充分分析的基础上，介绍了这类换热器热热系数充分分析的基础上，介绍了这类换热器热工计算的常用计算方法，以最常用的表冷器为例工计算的常用计算方法，以最常用的表冷器为例进行了详细的阐述，对空气加热器等其他间壁式进行了详细的阐述，对空气加热器等其他间壁式换热器也做了必要的介绍。对于混

6、合式换热器，换热器也做了必要的介绍。对于混合式换热器，在归纳了影响这类设备热质交换效果的主要因素在归纳了影响这类设备热质交换效果的主要因素后，对设备内部发生的热质交换特点做了介绍，后，对设备内部发生的热质交换特点做了介绍，然后以喷淋室和冷却塔的热工计算为例进行了详然后以喷淋室和冷却塔的热工计算为例进行了详细的阐述，对喷射泵和其他混合式换热器也做了细的阐述，对喷射泵和其他混合式换热器也做了较为详细的介绍。在设备部分的最后，也介绍了较为详细的介绍。在设备部分的最后，也介绍了热质交换设备的仿真及其性能评价和优化设计。热质交换设备的仿真及其性能评价和优化设计。27-72022-3-1内内 容容1.11

7、.227-82022-3-11.3 1.1 三种传递现象的类比三种传递现象的类比 v动量、热量和质量传递的实现方式：动量、热量和质量传递的实现方式：分子的微观运动引起的分子的微观运动引起的分子扩散分子扩散；旋涡混合造成的流体微团宏观运动引起的旋涡混合造成的流体微团宏观运动引起的湍流传递湍流传递流体系统中：流体系统中：速度梯度速度梯度动量传递动量传递温度梯度温度梯度热量传递热量传递浓度梯度浓度梯度质量传递质量传递27-92022-3-1a）牛顿粘性定律牛顿粘性定律v两个作直线运动的流体层之间的切应力正两个作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，即比于垂直于运动方向的速度变

8、化率，即:dydudyud)(v对于均质不可压缩流体，上式可改写为：对于均质不可压缩流体，上式可改写为：27-102022-3-1b）傅立叶定律傅立叶定律 v在均匀的各向同性材料内的一维温度场中，通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为：过导热方式传递的热量通量密度为： dydtqv对于恒定热容量的流体，上式可改写为：对于恒定热容量的流体，上式可改写为： dytdadytdq)c()c(cppp27-112022-3-1c）斐克）斐克(Fick)定律定律 v在无总体流动或静止的双组分混合物中，若组分在无总体流动或静止的双组分混合物中，若组分A的质量分数的质量分数

9、(或质量份额或质量份额)aA的分布为一维的，则通过的分布为一维的，则通过分子扩散传递的组分分子扩散传递的组分A的质量通量密度为：的质量通量密度为： dydaDjAABAv对于混合物密度为常数的情况，上式可改写为对于混合物密度为常数的情况，上式可改写为： dydDjAABADAB: 组分组分A在组分在组分B中的扩散系数，中的扩散系数，m2/s;27-122022-3-1汇总汇总v动量传递公式表明：动量通量密度正比于动量动量传递公式表明：动量通量密度正比于动量浓度的变化率。浓度的变化率。v能量传递公式表明：能量通量密度正比于能量能量传递公式表明：能量通量密度正比于能量浓度的变化率。浓度的变化率。v

10、质量传递公式表明：组分质量传递公式表明：组分A的质量通量密度正的质量通量密度正比于组分比于组分A的质量浓度的变化率。的质量浓度的变化率。27-132022-3-1dydCFD统一公式统一公式:FD : 的通量密度；的通量密度；：单位体积的某种量；：单位体积的某种量；d/dy: 的变化率；的变化率；C: 比例常数比例常数(扩散系数扩散系数)。质量传递：质量传递：FD =mA, = A, CDAB;动量传递：动量传递：FD =, = u, C。能量传递：能量传递：FD =q, = cpt, Ca;27-142022-3-1d）湍流传递性质）湍流传递性质 湍湍流流流流动动分子扩散传递分子扩散传递宏观

11、流体宏观流体微团掺混微团掺混也引起传递现象也引起传递现象动量传递动量传递热量传递热量传递质量传递质量传递湍流切应力湍流切应力湍流热流密度湍流热流密度湍流质量通量密度湍流质量通量密度dydDmAABtAtdytdqttdyudtt27-152022-3-1dyuddyudeffttS)(dytddytdqefftS)(dydDdydDDmAABeffAABtABS)(有效动力粘度系数:eff有效导热系数:eff有效质量扩散系数:ABeffD 通常，充分发展湍流中，湍流传递系数远远大通常，充分发展湍流中，湍流传递系数远远大于分子传递系数。于分子传递系数。 总的效应总的效应27-162022-3-1

12、v分子传递系数分子传递系数, a, DAB： 是物性，与温度、压力有关；是物性，与温度、压力有关；通常各项同性通常各项同性。v湍流传递系数湍流传递系数t, at, DABt：不是物性，主要与流体流动有关；不是物性，主要与流体流动有关；通常各项异性通常各项异性。 两种传递系数的比较两种传递系数的比较27-172022-3-1几种典型的传递现象组织系统类比关系 1.2 热质交换设备的分类热质交换设备的分类 （1）按工作原理分类按工作原理分类 v间壁式(表面式)v直接接触式（混合式）v蓄热式（回热式、再生式）v热管式27-192022-3-1（2）按照热流体与冷流体流动方向分类按照热流体与冷流体流动

13、方向分类 v顺流式顺流式v逆流式逆流式v叉流式叉流式 v混合式混合式27-202022-3-12 2 间壁式的主要形式间壁式的主要形式（1 1）套管式换热器）套管式换热器适用于传热量不大或流体流量不大的情形适用于传热量不大或流体流量不大的情形。 图图103 103 套管式换热器示意图套管式换热器示意图 这是间壁式换热器的一种主要形式，又称管这是间壁式换热器的一种主要形式，又称管 壳式换热器。壳式换热器。（2 2）壳管式换热器）壳管式换热器 图图104 104 简单的管壳式换热器示意图简单的管壳式换热器示意图图图105 12105 12型换热器立体示意图型换热器立体示意图思考链接：思考链接：管壳

14、式换热器管壳式换热器1管壳式换热器管壳式换热器2（3）交叉流换热器 它是间壁式换热器的又一种主要型式。根据换热表它是间壁式换热器的又一种主要型式。根据换热表 面结构的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的面结构的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的 区别区别 。图图106 106 板翅式交叉流换热器板翅式交叉流换热器（4）板式换热器 板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染 物的流体的换热。物的流体的换热。图图107 107 板式换热器板式换热器思考链接：思考链接：板式换热器板式换热器示意图示意图 两种流体均不混合两种流体均不混合 一种流体混合一种流体

15、混合另一种不混合另一种不混合 27-262022-3-1 ( (c) ) 总趋势为逆总趋势为逆流的混合流流的混合流 (a)先顺后逆的平行混流先顺后逆的平行混流 (b) 先逆后顺的串联混流先逆后顺的串联混流(d) 总趋势为顺总趋势为顺流的混合流流的混合流27-272022-3-1顺流顺流逆流逆流xTThTcT1T2xTTh (Hot)Tc (cold)T1T2Cold fluidHot fluidCold fluidHot fluid27-282022-3-1螺旋板式换热器螺旋板式换热器27-292022-3-1发生相变时冷、热流体的温度变化图发生相变时冷、热流体的温度变化图( (a) ) 冷凝

16、器中的温度变化；冷凝器中的温度变化；( (b) ) 蒸发器中的温度变化蒸发器中的温度变化27-302022-3-1（3）按用途分类）按用途分类 表冷器 加热器 预热器 喷淋室 过热器 冷凝器 蒸发器 加湿器 暖风机（4）按制造材料分类按制造材料分类金属材料金属材料 非金属材料非金属材料( (石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷等）石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷等）稀有金属材料（钛、锆等）稀有金属材料（钛、锆等） 27-312022-3-11.3 本课程的地位与作用本课程的地位与作用 建筑环境与设备专业涉及大量能量转换及能建筑环境与设备专业涉及大量能量转换及能量交换，需要掌握相关能量转换、交换知识及相量交换，需要掌握相关能量转换、交换知识及相应设备工作原理和设计知识。应设备工作原理和设计知识。27-322022-3-1专业常见的设备型式与传热机理表专业常见的设备型式与传热机理表27-332022-3-1 本课程是将传热学流体力学工本课程是将传热学流体力学工程热力学供暖工程区域供热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业通风空气调节空调用制冷技术锅炉