混合式熱交換器

混合式熱交換器混合式熱交換器：冷、熱流體直接接觸進行傳熱。應(yīng)用場合：凡允許流體相互混合的場合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻，循環(huán)水的冷卻，汽一水之間的混合加熱，蒸汽的冷凝，等等。它的應(yīng)用遍及化工和冶金企業(yè)、動力工程、空氣調(diào)節(jié)工程以及其他許多生產(chǎn)部門中。

優(yōu)點：有較大的傳熱速率。結(jié)構(gòu)簡單、消耗材料少、接觸面大，并因直接接觸而有可能

使得熱量的利用比較完全。按用途分類：(1)冷水塔（或稱冷卻塔）用自然通風(fēng)或機械通風(fēng)的方法，用空氣將熱水進行冷卻降溫，例如熱力發(fā)電廠的循環(huán)水、合成氨生產(chǎn)中的冷卻水，都是經(jīng)過冷水塔降溫之后循環(huán)使用以提高經(jīng)濟性。(2)氣體洗滌塔（或稱洗滌塔）工業(yè)上用這種設(shè)備來洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分、除凈氣體中的塵灰、氣體的增濕或干燥等。但其最廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多。由于以水冷卻氣體與上述用空氣冷卻循環(huán)水的傳熱機理基本相似，因而本章對以上丙種設(shè)備將只以冷水塔為例加以討論。(3)噴射式熱交換器使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進行傳熱，并一同進入擴散管，在擴散管的出口達到同一壓力和溫度后送給用戶。(4)混合式冷凝器這種設(shè)備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝，最后得到的是水與冷凝液的混合物，可以根據(jù)需要，或循環(huán)使用，或就地排放。

4.1冷水塔一個十萬千瓦的熱力發(fā)電廠，冷卻水量

需達9000t/h左右；一個年產(chǎn)3500t聚丙烯的化工設(shè)備，冷卻水用量達3000t/h左右。分類：干式冷水塔：是把循環(huán)水送到安裝于冷卻塔中的散熱器內(nèi)被空氣冷卻，這種塔多用于水源奇缺而不允許水分散失或循環(huán)水有特殊污染的情況。濕式冷水塔：讓水與空氣直接接觸，把水中的熱傳給空氣，在這種塔中，水因蒸發(fā)而造成損耗，蒸發(fā)又使循環(huán)的冷卻水含鹽度增加，為了穩(wěn)定水質(zhì)，必須排放掉一部分含鹽度較高的水，補充一定的新水，因此濕式冷水塔要有補給水源。

濕式冷水塔分類：主要部件：1)淋水裝置作用：淋水裝置又稱填料，其作用在于將進塔的熱水盡可能形成細(xì)小的水滴或水膜，以增加水和空氣的接觸面積，延長接觸時間，增進水氣之間的熱質(zhì)交換。要求：要求它能提供較大的接觸面積并具有良好的親水性能，制造簡單而又經(jīng)久耐用，安裝檢修方便，價格便宜等。分類：淋水裝置可根據(jù)水在其中所呈現(xiàn)的形狀分為點滴式、薄膜式及點滴薄膜式三種。

（1）點滴式用水平的或傾斜布置的三角形或矩形板條按一定間距排列而成，以水滴下落過程中水滴表面的散熱以及在板條上濺散而成的許多小水滴表面的散熱為主，約占散熱量的60%～75%，而沿板條形成的水膜的散熱只占總散熱量的25%～30%。（2）薄膜式

這種淋水裝置的特點是利用間隔很小的平膜板或凹凸形波板、網(wǎng)格形膜板所組成的多層空心體，使水沿著其表面形成緩慢的水流，而空氣則經(jīng)多層空心體間的空隙，形成水氣之間的接觸面。水在其中的散熱主要依靠表面水膜、格網(wǎng)間隙中的水滴表面和濺散而成的水滴的散熱等三個部分，而水膜表面的散熱居于主要地位，約占70%。（3）點滴薄膜式

2）配水系統(tǒng)作用：在于將熱水均勻地分配到整個淋水面積上，從而使淋水裝置發(fā)揮最大的冷卻能力。常用的配水系統(tǒng)有槽式、管式和池式三種。

3）通風(fēng)筒

通風(fēng)筒是冷水塔的外殼，氣流的通道，其作用在于創(chuàng)造良好的空氣動力條件，并將排出冷卻塔的濕熱空氣送往高空，減少或避免濕熱空氣回流。4.1.2冷水塔的工作原理主要是由于水的蒸發(fā)散熱和氣水之間的接觸傳熱。水的表面蒸發(fā)：處于無規(guī)則狀態(tài)中的水分子，其運動速度差別很大，速度大的分子動能也大，它們能克服內(nèi)聚力的束縛沖出水面，成為自由蒸汽分子。這些分子中的一部分與空氣分子碰撞后可能重新回到水面被水吸收（冷凝），而另一部分可由于擴散和對流的作用進入空氣的主流，成為空氣中的水分子。上述這種水分子在常溫下逸出水面成為自由蒸汽分子的傳質(zhì)現(xiàn)象稱為水的表面蒸發(fā)。由于逸出水分子的平均動能比其余沒有逸出水面的分子大，因而蒸發(fā)的結(jié)果會使水溫下降。

單位面積水面上的表面蒸發(fā)速度與水溫和蒸汽分子向空氣中擴散的速度有關(guān)。蒸汽分子向空氣中擴散的速度之所以有關(guān)是因為空氣中水分子返回水面的速度與空氣中的水分濃度成比例。當(dāng)空氣中的水分子濃度達到某個數(shù)值時，會出現(xiàn)水分子逸出水面的速度與空氣中水分子返回水面的速度相等的情況，這時空氣中水分子含量達到飽和，蒸發(fā)散熱就將減弱甚至停止。故在一定溫度下，蒸發(fā)速度取決于水分子由水面附近向空氣深處的擴散速度當(dāng)未飽和空氣與水接觸時，在水與氣的分界面上存在極薄的一層飽和空氣層，水首先蒸發(fā)到飽和氣層中，然后再擴散到空氣中去。設(shè)水面溫度為t，緊貼水面的飽和空氣層的溫度與它相同，但其飽和水蒸氣的分壓力為p"，而遠(yuǎn)離水面空氣流的溫度為θ，它的蒸汽分壓力是空氣相對濕度φ和空氣溫度θ時的飽和蒸汽壓力pθ"的乘積，即

于是在水面飽和氣層和空氣流之間就形成了分壓力差:

它是水分子向空氣中蒸發(fā)擴散的推動力。只要p">p，水的表面就會產(chǎn)生蒸發(fā)，而與水面溫度t高于還是低于水面上的空氣溫度θ無關(guān)。在冷水塔的工作條件下，總是符合p">p的，因此不論水溫高于還是低于周圍空氣溫度，△p總是正數(shù)，故在冷水塔中總能進行水的蒸發(fā)，蒸友所消耗的熱量總是由水傳給空氣，其值可表示為:

水和空氣溫度不等導(dǎo)致接觸傳熱是引起水溫變化的另一個原因，接觸傳熱的推動力為兩者的溫差（t-θ），接觸傳熱的熱流方向可從空氣流向水，也可從水流向空氣，這要看兩者的溫度以何者為高，其值為:

在冷水塔中，一般空氣量很大，空氣溫度變化較小。當(dāng)水溫高于氣溫時，蒸發(fā)散熱和接觸傳熱都向同一方向（即由水向空氣）傳熱，因而由水放出的總熱量為:

如果Qβ>Qα，水溫仍將下降。但是Qβ漸趨減小，而Qα漸趨增加，于是當(dāng)水溫下降到某一程度時，由空氣傳向水的接觸傳熱量籌于由水傳向空氣的蒸發(fā)散熱量，這時：

其結(jié)果是使水溫下降。當(dāng)水溫下降到等于空氣溫度時，接觸傳熱量Qα=0。這時:故蒸發(fā)散熱仍在進行。而當(dāng)水溫繼續(xù)下降到低于氣溫時，接觸傳熱量Q。的熱流方向從空氣流向水，與蒸發(fā)散熱的方向相反，于是由水放出的總熱量為：

從此開始，總傳熱量等于零，水溫也不再下降，這時的水溫為水的冷卻極限。對于一般的水的冷卻條件，此冷卻極限與空氣的濕球溫度近似相等。因而濕球溫度代表著在當(dāng)?shù)貧鉁貤l件下，水可能冷卻到的最低溫度。從而可見，蒸發(fā)冷卻過程中伴隨著物質(zhì)交換，水可以被冷卻到比用以冷卻它的空氣的最初溫度還要低的程度，這是蒸發(fā)冷卻所特有的性質(zhì)。

當(dāng)水溫被冷卻到冷卻極限r(nóng)時，Qα和Qβ之間的平衡關(guān)系可用下式表示：實際計算中就不用接觸面積而改用淋水裝置（或填料）體積以及與體積相應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)β

xV和換熱系數(shù)αv，于是：

而總傳熱量為：4.1.3冷水塔的熱力計算水氣熱平衡方程：

在沒有熱損失的情況下，水所放出的熱量應(yīng)當(dāng)?shù)扔诳諝庠黾拥臒崃?。分離變量并積分得：N代表該式的左邊部分：稱N為按溫度積分的冷卻數(shù)，簡稱冷卻數(shù)，它是一個無量綱數(shù)。冷卻數(shù)表示水溫從tl降到t2所需要的特征數(shù)數(shù)值，它代表著冷卻任務(wù)的大小。

在冷卻數(shù)中的（i″-i）是指水面飽和空氣層的焓與外界空氣的焓之差A(yù)i，此值越小，水的散熱就越困難。所以它與外部空氣參數(shù)有關(guān)，而與冷水塔的結(jié)構(gòu)和型式無關(guān)。在氣量和水量之比相同時，N值越大，表示要求散發(fā)的熱量越多，所需淋水裝置的體積越大。再以N'表示式(4.18)右邊部分，即

稱N'為冷水塔特性數(shù)。特性數(shù)反映了淋水塔所具有的冷卻能力，它與淋水裝置的構(gòu)造尺寸、散熱性能及水、氣流量有關(guān)。

冷卻數(shù)的確定：

對4-19式求積分得：若對精度要求不高，且δt<15℃時，常用下列兩段公式簡化計算：5)特性數(shù)的確定可見特性數(shù)取決于容積傳質(zhì)系數(shù)、冷水塔的構(gòu)造及淋水情況等因素。

6)換熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)的計算

7)氣水比的確定

氣水比是指冷卻每公斤水所需的空氣公斤數(shù)。由于空氣的焓i與氣水比有關(guān)，因而冷卻數(shù)也與氣水比有關(guān)。同時特性數(shù)也與氣水比有關(guān)，因此要求被確定的氣水比能使N=N′。為此，可用牛頓迭代法上機計算或者在設(shè)計計算中假設(shè)幾個不同的氣水比算出不同的冷卻數(shù)N，作如圖4.15所示的N～A曲線。再在同一圖上作出填料特性曲線N'～A曲線，這兩條曲線的交點P所對應(yīng)的氣水比AP就是所求的氣水比。P點稱為冷水塔的工作點。

4.1.4冷水塔的通風(fēng)阻力計算通風(fēng)阻力計算的目的是在求得阻力之后選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機（對機械通風(fēng)冷卻塔）或確定自然通風(fēng)冷卻塔的高度。1)機械通風(fēng)冷卻塔空氣流動阻力包括由空氣進口之后經(jīng)過各個部位的局部阻力。各部位的阻力系數(shù)常采用試驗數(shù)值或利用經(jīng)驗公式計算。表4.1列出了局部阻力系數(shù)的計算公式，在《給水排水設(shè)計手冊》中列出了多種填料的阻力特性曲線，可查閱。

塔的總阻力為各局部阻力之和，根據(jù)總阻力和空氣的容積流量，即可選擇風(fēng)機。

2)自然通風(fēng)冷水塔

自然通風(fēng)冷水塔的阻力必須等于它的抽力，由此原則可確定空氣流速和塔筒高度。

總阻力系數(shù)等于各部位局部阻力系數(shù)之和，一般可用下式計算：若已知塔型，可根據(jù)△P=Z用式(4.26)和式(4.27)確定風(fēng)速wm或已知風(fēng)速亦可求出冷水塔有效高度H0。

4.1.5冷水塔的設(shè)計計算

水能被冷卻的理論極限溫度是空氣的濕球溫度τ，水出口溫度越接近Γ時，冷卻效果越好，但冷卻塔的尺寸越大。雖冷卻溫差（即冷卻前后水溫之差）、冷卻水量均影響塔的尺寸，但（t2-τ）值（稱為冷幅）的大小卻居主要地位。因而生產(chǎn)上一般要求t2要比Γ高3～5℃。由于冷水塔常按夏季不利氣象條件計算，如果采用外