第7章-热质交换原理 混合式热质交换设备的热工计算

2023/11/2847-1第七章

混合式热质交换设备的热工计算《热质交换原理与设备》2023/11/2847-2目录7.1混合式换热器的型式与结构7.2影响混合式设备热质交换效果的

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7.1混合式换热器的形式与结构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7.1.1混合式换热器的种类2023/11/2847-3（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2023/11/2847-4（2）气体洗涤塔（或称洗涤塔）

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

用来洗涤气体中的某些组分，如有害气体、灰尘等立式洗涤塔喷淋室2023/11/2847-5（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。2023/11/2847-6（4）混合式冷凝器用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝2023/11/2847-77.1.2喷淋室的类型和构造（1）

喷淋室的构造2023/11/2847-82023/11/2847-9（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)2023/11/2847-102023/11/2847-117.1.3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。2023/11/2847-12冷

却

塔

结

构2023/11/2847-13冷却塔作用原理示意图2023/11/2847-14自然通风机械通风横流逆流2023/11/2847-15（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。2023/11/2847-16倾斜式阶梯式棋盘式方格式点滴式淋水装置板条布置方式2023/11/2847-17淋水片双向波S波六角蜂窝薄膜式淋水装置填料斜折波2023/11/2847-18利用多层网格板淋水点滴薄膜式淋水装置2023/11/2847-192）配水系统作用：将循环水均匀的分配到整个淋水面积常用的配水系统有：槽式；管式；池式。2023/11/2847-20槽式配水系统管式（旋转）配水系统池式配水系统2023/11/2847-213）通风筒2023/11/2847-227.2

影响混合式设备热质交换的主要因素（1）喷嘴排数

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。

1)气水间焓差；2）空气流动状况；3）水滴大小；4）水气比；（红色字体内容前边已经讲过，下面讲第五方面）

5）设备的结构特性（以喷淋室为例）2023/11/2847-23（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。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。2023/11/2847-24（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。（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。2023/11/2847-257.3

混合式设备发生热质交换的特点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。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，而且空气的终状态也很难达到饱和。7.3.1喷淋室热质交换的特点2023/11/2847-26用喷淋室处理空气的实际过程A123tw1tw'tw"tw2φ=100%(a)水tw1tw2空气顺流Aφ=100%123tw1tw'tw"tw2(b)tw1tw2逆流2023/11/2847-277.3.2

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。取显热为Qα，潜热为Qβ，则水放热量为：Q=Qβ+QαQ＝Qβ

Q=Qβ-Qα

Q=Qβ-Qα=0水温下降干球温度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。2023/11/2847-287.4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123t2tw2t3ts2i1t1i2ts12’1’tw1452023/11/2847-29123t2tw2t3ts2i1t1i2ts12’1’tw145（1）喷淋室的热交换效率系数η1（第一热交换效率、全热交换效率）2023/11/2847-30123t2tw2t3ts2i1t1i2ts12’1’tw145利用相似三角形对应边成比例：得近似表达式：（2）喷淋室的接触系数η2（第二热交换效率、通用热交换效率）2023/11/2847-31123t2t3=ts1=ts2t1绝热加湿过程的接触系数2023/11/2847-327.4.2

喷淋室热交换效率系数和接触系数的实验公式各系数见p283附录7-1

附录7-1是在管嘴密度为13个/(m2排)条件下的数据，当喷嘴密度变化较大时应进行修正。2023/11/2847-33计算类型已知条件求解内容设计计算空气量G喷淋室结构，喷水量W冷水初、终温tw1，tw2空气初状态t1，ts1，i1空气终状态t2，ts2，i2校核计算空气量G空气终参数t2，ts2，i2，冷水终温tw2空气初参数t1，ts1，i1喷淋室结构,喷水量W，冷水初温tw17.4.3

喷淋室的计算类型2023/11/2847-347.4.4

喷淋室计算的主要原则

①该喷淋室能达到的η1应该等于空气处理过程需要的η1；

③该喷淋室喷出的水能够吸收（或放出)的热量应该等于空气失去（或得到)的热量。由于W/G=μ,所以：2023/11/2847-35

②该喷淋室能达到的η2应该等于空气处理过程需要的η2；7.4.5

喷淋室设计的计算方法（1）计算用方程组计算中一般用湿球温度，而不用空气焓，取a=i/ts部分a值见p200表7-22023/11/2847-36（2）循环水量Wx的确定

冷水量Wl、循环水量Wx、回水（或溢流水）量Wh

喷淋室G，i1G，i2W,tw1Wh,tw2Wl,tlWx,tw22023/11/2847-37（3）喷淋室的阻力计算①前后挡水板的阻力②喷嘴排管阻力③水苗阻力1）前后挡水板阻力2）喷嘴排管阻力3）水苗阻力P：喷嘴前压力（atm）b：系数（单排顺喷-0.22，单排逆喷0.13，双排对喷0.075）P201例题2023/11/2847-387.4.6

喷淋室的校核计算喷淋室热工计算必须同时满足三个方程式，而这样解出来的喷水初温必然是一个定值。成本问题

如果水初温偏高一些（不是比计算值偏高很多)，但是将水量加大一些，是不是也可达到同样的处理效果呢?P204例题2023/11/2847-397.5.1

冷却塔的热工计算方法(逆流)（1）用焓差法计算冷却塔的基本方程Merkel方程W-dW,tW,t+dtG,iG,i+di热平衡方程7.5冷却塔的热工计算hmd填料比表面积2023/11/2847-40令：出口水温t210203040501.00.9K2023/11/2847-412023/11/2847-42定义：按温度积分的冷却数（冷却数）N定义：冷却塔特性数N'冷却数表示冷却负荷与水面散热速度的比值,N越大表示要求散热量大，所需淋水装置大；冷却塔特性数N'表示冷却塔冷却能力。2023/11/2847-43（2）冷却数的确定可利用数值方法积分下式（3）特性数的确定其中特性数与容积传质系数、冷却塔构造及淋水情况有关冷却数的简化计算(水的温降小于15℃)2023/11/2847-44（4）换热系数与传质系数的计算

主要方法是通过实验取得资料P208图7-19~~图7-21（5）气水比（λ）的确定

气水比是指冷却每千克水所需的空气千克数。

λ＝G/W

λ越大，冷却塔冷却能力越大，可选λ=0.8~１.5确定的气水比应使N=N'PNN'N/N'λλP