熱質(zhì)交換原理與設(shè)備-第一章

參考書熱質(zhì)交換原理與設(shè)備，連之偉主編，中國建筑工業(yè)出版社熱質(zhì)交換原理與設(shè)備第一章緒論第二章熱質(zhì)交換過程第三章相變熱傳質(zhì)交換原理第四章空氣熱質(zhì)處理方法第五章其它形式的熱質(zhì)交換第六章熱質(zhì)交換設(shè)備主要內(nèi)容：第一章緒論

§1-1三種傳遞現(xiàn)象的類比§1-2熱質(zhì)交換設(shè)備的分類§1-3本門課程在專業(yè)中的地位與作用§1-4本門課程的主要研究內(nèi)容動量、熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象，在自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中是普遍存在的?！稛豳|(zhì)交換原理與設(shè)備》這門課程，就是重點研究發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)領(lǐng)域里的動量、熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象。

近年來，許多工程領(lǐng)域，例如動力機械工程、制冷工程、冶金工程、生化工程、環(huán)境工程及建筑環(huán)境與設(shè)備工程等對于氣體、液體和固體的傳質(zhì)過程的研究興趣日益增大。因此目前許多工程專業(yè)都分別開設(shè)動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞這三門課程。1960年R.B.伯德(R.B.Bird)等人首先在《傳遞現(xiàn)象》(TransportPhenomena)一書中對這三種傳遞現(xiàn)象用統(tǒng)一的方法進行了討論，力圖闡明這三種傳遞過程之間在定性和定量描述以及計算上的相似性。這對于學生更深入理解傳遞過程的機理是十分有益的。自此，統(tǒng)一研究這三種傳遞現(xiàn)象的課程越來越受到人們的重視，它已成為許多工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。本門課程就是將這一專業(yè)基礎(chǔ)課與其在本專業(yè)上的應用結(jié)合起來，架設(shè)起專業(yè)基礎(chǔ)課與技術(shù)保的橋梁。1.1三種傳遞現(xiàn)象的類比當流體中存在速度、溫度和濃度的梯度時，則分別發(fā)生動量、熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象。動量、熱量和質(zhì)量的傳遞，既可以是由分子的微觀運動引起的分子擴散，也可以是由旋渦混合造成的流體微團的宏觀運動引起的湍流傳遞。1.1.1分子傳遞(傳輸)性質(zhì)流體的粘性、熱傳導性和質(zhì)量擴散性通稱為流體的分子傳遞性質(zhì)。因為從微觀上來考察，這些性質(zhì)分別是非均勻流場中分子不規(guī)則運動時同一個過程所引起的動量、熱量和質(zhì)量傳遞的結(jié)果。當流場中速度分布不均勻時，分子傳遞的結(jié)果產(chǎn)生切應力；而溫度分布不均勻時，分子傳遞的結(jié)果產(chǎn)生熱傳導；在多組分的混合流體中，如果某種組分的濃度分布不均勻，分子傳遞的結(jié)果便引起該組分的質(zhì)量擴散。表示上述三種分子傳遞性質(zhì)的數(shù)學關(guān)系分別為：兩個作直線運動的流體層之間的切應力正比于垂宣于運動方向的速度變化率，即(1)牛頓粘性定律對于均質(zhì)不可壓縮流體，上式可改寫為：(3)斐克定律(2)傅立葉定律在均勻的各向同性材料內(nèi)的一維溫度場中，通過導熱方式傳遞的熱量通量密度為：對于恒定熱容量的流體，上式可改寫為：在無總體流動或靜止的雙組分混合物中，若組分A的質(zhì)量分數(shù)的分布為一維的，則通過分子擴散傳遞的組分A的質(zhì)量通量密度為：對于混合物密度為常數(shù)的情況上式可改寫為：這些表達式說明動量交換、熱量交換、質(zhì)量交換的規(guī)律可以類比。動量交換傳遞的量是運動流體單位容積所具有的動量；熱量交換傳遞的量是物質(zhì)每單位容積所具有的焓；質(zhì)量交換傳遞的量是擴散物質(zhì)每單位容積所具有的質(zhì)量也就是濃度CA。顯然，這些量的傳遞速率都分別與各量的梯度成正比。系數(shù)D、a、均具有擴散的性質(zhì)，它們的單位均為m2/s，D為分子擴散或質(zhì)擴散系數(shù)，a為熱擴散系數(shù)v為動量擴散系數(shù)或稱運動粘度。這三個傳遞公式可以用如下的統(tǒng)一公式來表示，1.1.2湍流傳遞性質(zhì)在湍流流動中，除分子傳遞現(xiàn)象外，宏觀流體微團的不規(guī)則泥摻運動也引起動且、熱量和質(zhì)量的傳遞，其結(jié)果從表象上看起來，相當于在流體中產(chǎn)生了剛D的“湍流切應力”，“湍流熱傳導”和“湍流質(zhì)量擴散”。由于流體微團的質(zhì)量比分子的質(zhì)量大得多，所以湍流傳遞的強度自然要比分子傳遞的強度大得多。盡管湍流混摻運動與分子運動之間有重要差別，然而早期半經(jīng)驗湍流理論的創(chuàng)立者還是仿照分子傳遞性質(zhì)的定律建立了湍流傳遞性質(zhì)的公式。在這種理論中定義了湍流動力粘性系數(shù)，湍流導熱系數(shù)，和湍流質(zhì)量擴散系數(shù)，并認為對于只有一個速度分量的一維流動而言，湍流切應力、湍流熱量通量密度和湍流擴散引起的組分A的質(zhì)量通量密度分別與平均速度、平均溫度和組分A的平均密度的變化率成正比，亦即

因為在流體中同時存在湍流傳遞件質(zhì)和分子傳遞性質(zhì)，所以總的切應力、總的熱量通量密度qs和組分A的總的質(zhì)量通量密度ms分別為：熱質(zhì)交換設(shè)備的分類方法很多，可以按工作原理、流體流動方向、設(shè)備用途、傳熱傳質(zhì)表面結(jié)構(gòu)、制造材質(zhì)等分為各種類型。在各種分類方法中，最基本的是按工作原理分類。1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的分類

(1)按工作原理分類按不同的工作原理可以把熱質(zhì)交換設(shè)備分為間壁式、直接接觸式、蓄熱式和熱管式等類型。間壁式又稱表面式，在此類換熱器中，熱、冷介質(zhì)在各自的流通中連續(xù)流動完成熱量傳遞任務，彼此不接觸，不滲混。凡是生產(chǎn)中介質(zhì)不容滲混的場合都使用此類型換熱器，它是應用最廣泛，使用數(shù)量最大的一類。專業(yè)上的表面式冷卻器、過熱器、省煤器、散熱器、暖風機、燃氣加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器等均屬此類。直接接觸式又稱為混合式，在此類熱質(zhì)交換設(shè)備中，兩種流體直接接觸并允許相互滲混，傳遞熱量和質(zhì)量后，再各自全部或部分分開，因而傳熱傳質(zhì)效率高。專業(yè)上的噴淋室及蒸汽噴射泵、冷卻塔、蒸汽加濕器、熱力除氧器等均屬此類。蓄熱式又稱回熱式或再生式換熱器，它借助由固體構(gòu)件(填充物)組成的蓄熱體作為中間載體傳遞熱量。在此類換熱器中，熱、冷流體依時間先后交替流過由蓄熱體組成的流道，熱流體先對其加熱，使蓄熱體溫度升高，把熱量儲存于固體蓄熱體內(nèi)，隨即冷流體流過，吸收蓄熱體通道壁放出的熱量。熱管換熱器是以熱管為換熱元件的換熱器。由若干支熱管組成的換熱管束通過中隔板置于殼體內(nèi)，中隔板與熱管加熱段、冷卻段及相應的殼體內(nèi)腔分別形成熱、冷流體通道，熱、冷流體在通道中橫掠熱管束連續(xù)流動實現(xiàn)傳熱。當前該類換熱器多用于各種余熱回收工程。在間壁式、混合式和蓄熱式三種主要熱質(zhì)交換設(shè)備類型中，間壁式的生產(chǎn)經(jīng)驗、分析研究和計算方法比較豐富和完整，它們的某些計算方法對混合式和蓄熱式也適用。熱質(zhì)交換設(shè)備按照其內(nèi)熱流體與冷流體的流動方向，可分為：順流式、逆流式、叉流式和混合式等類型。順流式或稱并流式，其內(nèi)冷、熱兩種流體平行地向著同一方向流動，如圖1-1(a)所示。冷、熱流體同向流動時，可以用平壁隔開，但是更通常的是用同心管(或是雙層管)隔開，其布置簡圖示于圖1-1(b)。在這樣的順流布置中，熱，冷流體出同一端進入換熱器，向著同一方向流動，并由同一端離開換熱器。

(2)按照熱流體與冷流體的流動方向分類圖1-1順流換熱器(a)示意圖(b)同心管逆流式，兩種流體也是平行流動，但它們的流動方向相反，如圖1-2(a)所示。冷、熱流體逆向流動，由相對的兩端進入換熱器，向著相反的方向流動，并由相對的兩端離開換熱器，其布置簡圖示于圖1-2(b)。叉流式或稱錯流式，兩種流體的流動方向互相垂直交叉，示意圖如圖1-3(a)所示。這種布置通常是用在氣體受迫流過一個管束而管內(nèi)則是被泵送的液體，圖1-3(b)、(c)表示了兩種常見的布置方式。對于像圖1-3(b)那樣的帶肋片的管束，氣體流是不混合的。象圖1-3(f)那樣的布置，氣流是混合的。圖1-2逆流換熱器(a)示意圖(b)同心管混流式，兩種流體在流動過程中既有順流部分，又有逆流部分，圖1-4(a)及(b)所示就是一例。當冷、熱流體交叉次數(shù)在四次以上時，可根據(jù)兩種流體流向的總趨勢，將其看成逆流或順流，如圖1-4(c)及(d)。圖1-3叉流換熱器(a)示意圖；(b)兩種流體均不混合；(c)一種流體混合，另一種不混合圖1-4混流式換熱器示意圖(a)先順后逆的平行混流；(b)先逆后的串聯(lián)混流；(c)總趨勢為逆流的混合流；(d)總趨勢為順流的混合流在各種流動形式中，順流和逆流可以看作是兩個極端情況。在進出口溫度相同的條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最??；順流時，冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫度，而逆流時冷流體的出口溫度卻可能超過熱流體的出口溫度。

當冷、熱流體中有一種發(fā)生相變時，冷、熱流體的溫度變化就如圖l-5所示。其中國l-5(a)表示冷凝器中的溫度變化；圖1-5(b)表示蒸發(fā)器中的溫度變化，布置這類換熱器時就無所謂順流、逆流了。同樣，當兩種流體的水容量C(Gc)相差較大，或者冷、熱流體之間的溫差比冷、熱流體本身的溫度變化大得多時，順流、逆流的差別就不顯著了。純粹的逆流和順流，只有在套管換熱器或螺旋板式換熱器中才能實現(xiàn)。但對工程計算來說，混合流，如圖1-6所示的流經(jīng)管束的流動，只要管束曲折的次數(shù)超過4次，就可作為純逆流和純順流來處理了。圖1-5發(fā)生相變時冷、熱流體的溫度變化圖(a)-冷凝器中的溫度變化；(b)-蒸發(fā)器中的溫度變化圖1-6可作為純順流的實際工程中的混合流熱質(zhì)交換設(shè)備按照用途來分有：表冷器、預熱器、加熱器、噴淋室、過熱器、冷凝器、蒸發(fā)器、加濕器、暖風機等等。1)表冷器用于把流體冷卻到所需溫度，被冷卻流體在冷卻過程中不發(fā)生相變，但其內(nèi)某種成分，如空氣中的水蒸氣，可能出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象；2)加熱器用于把流體加熱到所需溫度，被加熱流體在加熱過程中不發(fā)生相變；3)預熱器用于預先加熱流體，以使整套工藝裝置效率得到改善；4)噴淋室通過向被處理流體噴射液體，以直接接觸的方式實現(xiàn)對被處理流體的加熱、冷卻、加濕、減濕等處理過程；5)過熱器用于加熱飽和蒸汽到其過熱狀態(tài)；6)蒸發(fā)器用于加熱液體使之蒸發(fā)氣(汽)化，或利用低壓液體蒸發(fā)氣化以吸收另一種流體的熱量；7)冷凝器用于冷卻凝結(jié)性飽和蒸氣(汽)，使之放出潛熱而凝結(jié)液化；8)加濕器用于增加被處理對象的濕度；9)暖風機用于加熱空氣，以向被供暖房間提供熱量。(3)按用途分類(4)按制造材料分類熱質(zhì)交換設(shè)備按制造材料可分為金屬材料、非金屬材料及稀有金屬材料等類型。在生產(chǎn)中使用最多的是用普通金屬材料，如碳鋼、不銹鋼、鋁、銅、鎳及其合金等制造的熱質(zhì)交換設(shè)備。由于石油、化學、冶金、核動力等工業(yè)中的許多工藝過程多在高溫、高壓、高真空或深冷、劇毒等條件下進行，而且常常伴隨著極強的腐蝕性，因而對熱質(zhì)交換設(shè)備的材料提出了許多特殊甚至苛刻的要求。金屬材料換熱器已遠不能滿足需要，因此開始研制和生產(chǎn)了非金屬及稀有金屬材料的換熱器。非金屬換熱器有石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷換熱器等。石墨具有優(yōu)良的耐腐蝕及傳熱性能，線膨脹系數(shù)小，不易結(jié)垢，機械加工性能好易脆裂、不抗拉、不抗彎。石墨換熱器在強腐蝕性液體或氣體中應用最能發(fā)揮其優(yōu)點幾乎可以處理除氧化酸外的一切酸堿溶液。用于制造熱質(zhì)交換設(shè)備的工程塑料很多，目前以聚四氟乙烯為最佳，其性能可與金屬換熱器相比但卻具有特殊的耐腐蝕性。它主要用于硫酸廠的酸冷卻，用以代替原有冷卻器，可以獲得顯著的經(jīng)濟效益。玻璃換熱器能抗化學腐蝕，且能保證被處理介質(zhì)不受或少受污染。它廣泛應用于醫(yī)藥、化學工業(yè)，例如香精油及高純度硫酸蒸餾等工藝過程。稀有金屬換熱器是在解決高溫、強腐蝕等換熱問題時研制出來的，但材料價格昂貴使其應用范圍受到限制。為了降低成本，已發(fā)展了復合材料，加以復合鋼板和襯里等形式提供使用。對于制造換熱器，目前是鈦金屬應用較多，鋯等其它稀有金屬應用較少。建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的畢業(yè)生，要能夠從事工業(yè)與民用建筑中環(huán)境控制技術(shù)領(lǐng)域的工作，具有暖通空調(diào)、燃氣供應、建筑給排水等公共設(shè)施系統(tǒng)和建筑熱能供應系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試、運行能力，具有制定建筑自動化系統(tǒng)方案的能力，并具有初步的應用研究與開發(fā)能力。從上述本專業(yè)培養(yǎng)目標不難看出，在專業(yè)的各個方向上，為實現(xiàn)建筑室內(nèi)的環(huán)境控制，要牽涉到大量的能量變換及與實現(xiàn)這些能量轉(zhuǎn)換相應的設(shè)備的知識。

1.3本門課程在專業(yè)中的地位與作用本課程是將專業(yè)中的《傳熱學》《流體力學》《工程熱力學》及《供暖工程》《區(qū)域供熱》《工業(yè)通風》《空氣調(diào)節(jié)》《空調(diào)用制冷技術(shù)》《鍋爐及織爐房設(shè)備》《燃氣燃燒》等課程中牽涉到流體熱質(zhì)交換原理及相應設(shè)備的內(nèi)容抽出，經(jīng)綜合整理、充實加工而形成的一門課程，它是以動量傳輸、熱量傳輸及質(zhì)量傳輸共同構(gòu)成的傳輸理論(TransportTheory)為基礎(chǔ)，重點研究發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備中的熱質(zhì)交換原理及相應的設(shè)備熱工計算方法，為進一步學習創(chuàng)造良好的建筑室內(nèi)環(huán)境打下基礎(chǔ)。傳熱與傳質(zhì)是實際工程中普遍存在的現(xiàn)象。本門課程就是研究創(chuàng)造建筑室內(nèi)環(huán)境所用的熱質(zhì)交換方法的基本特性和基本規(guī)律，為創(chuàng)造建筑室內(nèi)環(huán)境所用的熱質(zhì)交換技術(shù)提供必要的理論知識和設(shè)備知識。其主要內(nèi)容有：熱質(zhì)交換過程，相變熱質(zhì)交換原理，空氣熱質(zhì)處理方法，其它形式的熱質(zhì)交換和熱質(zhì)交換設(shè)備等。熱質(zhì)交換過程部分，主要涉及傳質(zhì)的基本概念、擴散傳質(zhì)、對流傳質(zhì)、熱質(zhì)傳遞模型和動量、熱量和質(zhì)量的傳遞類比。相變熱質(zhì)交換原理部分，主要討論以制冷劑為主的液體沸騰和蒸氣凝結(jié)的基本規(guī)律，并探討管內(nèi)外強迫流動時的相變換熱及