热质交换第一章绪论.ppt

2019/12/14,第一章绪论,1.1三传现象,1.2热质交换设备概述,1.3本门课程的主要研究内容,2019/12/14,1.1“三传”现象,当流体中存在速度、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，也可以是由旋涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。,2019/12/14,当流体中各层的流速不一样，即存在速度梯度时，引起宏观的动量传递现象，即在相邻两流层之间的接触面上，分子传递的结果形成一对阻碍两层相对运动的切应力。切应力的大小可由流体力学中的牛顿公式表示（1-1）式中速度；垂直于运动方向的坐标；动力粘性系数。,1.1“三传”现象,2019/12/14,当流体中各部分温度不同，即存在温度梯度时，会引起宏观的传热现象，分子传递的结果使热量从高温处传向低温处。传热量的大小可由传热学中的傅里叶导热公式表示（1-2）式中温度；温度发生变化方向的坐标；导热系数。,1.1“三传”现象,2019/12/14,在多组分的混合流体中，当流体中某种组分的浓度不均匀，即存在浓度梯度时，分子传递的结果便引起宏观的扩散传质现象。扩散速率可由斐克定律表示（1-3）式中浓度；浓度发生变化方向的坐标；扩散系数。,1.1“三传”现象,2019/12/14,由公式（1-1）（1-3）可见，表示三种传递的机理都相同，它们依从的规律也类似，都可以用共同的形式表示：传递速率=扩散率传递推动力,1.1“三传”现象,2019/12/14,在湍流流动中，除分子传递现象外，宏观流体微团的不规则混合运动也引起的动量、热量和质量的湍流传递，其结果从表象上看起来，相当于在流体中产生了附加的“湍流切应力”、“湍流热传导”和“湍流质量扩散”。仿照分子传递性质的定律可以建立湍流传递性质的公式，即（1-4）式中时均速度；垂直于运动方向的坐标；湍流动力粘性系数。,1.1“三传”现象,2019/12/14,（1-5）式中时均温度；温度发生变化方向的坐标；湍流导热系数。（1-6）式中时均浓度；浓度发生变化方向的坐标；湍流质量扩散系数。,1.1“三传”现象,2019/12/14,应当指出的是，这些从表象出发建立起来的公式（1-4）（1-6）并没有根本解决湍流传递的计算问题。因为分子传递系数、和只取决于流体的热物性，而湍流传递系数、和则要取决于流体的宏观运动，故确定湍流传递系数、和，比起确定分子传递系数、和困难得多。,1.1“三传”现象,2019/12/14,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,热质交换设备的分类方法很多，可以按工作原理、流体流动方向、设备用途、传热表面结构、制造材质等分为各种类型。（1）按工作原理分类按不同的工作原理可以把热质交换设备分为：间壁式、直接接触式、蓄热式和热管式等类型。,2019/12/14,间壁式又称表面式，在此类热质交换设备中，热、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触、不渗混。它是应用最广泛，使用数量最大的一类。锅炉设备中的过热器、省煤器和制冷系统中的冷凝器、蒸发器等均属此类。直接接触式又称为混合式，在此类热质交换设备中，两种流体直接接触并允许相互渗混，传递热量和质量后，再各自全部或部分分开，因而传热传质效率高。电站设备中的冷却塔、热力除氧器等均属此类。,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,2019/12/14,蓄热式又称为回热式或再生式换热器，它借助由固体构件（填充物）组成的蓄热体作为中间载体传递热量。在此类换热器中，热、冷介质依时间先后交替流过由蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，使蓄热体温度升高，把热量存储于蓄热体内，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。电站锅炉设备中的空气预热器及全热回收式空气调节器等都有此种结构。热管换热器是以热管为换热元件的换热器。由若干热管组成的换热管束通过中间隔板置于壳体中分别形成热、冷流体通道，热、冷流体在通道中分别横向流过热管加热段、热管冷却段组成的换热管束，连续流动完成热量传递任务。当前该类换热器多用于各种余热回收工程。,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,2019/12/14,（2）按照热、冷流体的流动方向分类按照热、冷流体的流动方向，可分为：顺流式、逆流式、叉流式和混流式等类型。在顺流式换热器中，两股流体从同一端进入，相同方向平行流动，从另一端出来，见图1-1。流体温度的变化可理想化地认为是一维，见图1-2。对于单程换热器，在相同的流率、热容率比(质量与比热的乘积)和传热面积下，这种换热器效率最低。并且，由于进口端的温差较大可能导致换热器的进口壁面热应力较高。尽管这种换热器的应用不是很广泛，但具有以下优点：,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,2019/12/14,1这种流动形式下，沿传热管纵向的壁面温度分布均匀，而在逆流换热器中，管子的壁面温度会过高或过低；2当热流体的温度可能达到其露点时这种换热器较合适；3用于沸腾时能使核态沸腾提早。,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,2019/12/14,逆流式，两种流体也是平行流动，但它们的流动方向相反，见图1-3。温度分布可以理想化为一维，见图1-4。理想情况下，单流道的这种流动方式的换热器在相同参数时效率最高。在一给定的横截面，换热器壁面的温差最小，因此，相比其它流动方式，在同等性能下这种换热器的壁面热应力最小。在一些类型的换热器中，布置逆流方式并不容易，因为让流体在两端分开制造起来存在困难，进出口的封头设计也很复杂和困难。,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,2019/12/14,叉流式或称错流式，两种流体的流动方向互相垂直交叉，见图1-5。叉流换热器的热效率在并流与逆流的情况之间。由于这种情况可大大简化封头的设计，因此在延伸表面换热器中它是最常用的一种流动型式。如果换热器的效率要求大于80，设计成错流可能导致尺寸很大，这种情况下选择逆流较好。混流式，两种流体在流动过程中既有顺流部分，又有逆流部分。,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,2019/12/14,在各种流动形式中，顺流和逆流可以看作是两个极端情况。顺流时冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，而逆流时冷流体的出口温度却可能超过热流体的出口温度。从这点来看，换热器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免作顺流布置。即冷流体和热流体的最高温度发生在换热器的同一端，使得该处的壁温特别高。对于高温换热器来说，这是应注意避免的。为了降低这里的壁温，有时甚至有意改用顺流，锅炉中的高温过热器就有这种布置。,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,2019/12/14,（3）按设备用途分类按设备用途，可分为：预热器、加热器、过热器、冷凝器、蒸发器等等。预热器用于预先加热流体，以使整套工艺装置效率得到改善；加热器用于把流体加热到所需温度，被加热流体在加热过程中不发生相变；过热器用于加热饱和蒸汽到其过热状态；冷凝器用于冷却凝结性饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化；蒸发器用于加热液体使之蒸发汽化。,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,2019/12/14,（4）按制造材质分类按照制造热质交换设备的材料来分：有金属的、陶瓷的、石墨的、塑料的、玻璃的等等。在生产中使用最多的是用普通金属材料，如碳钢、不锈钢、铜及其合金等制造的换热器。由于石油、化学、冶金等工业中的许多工艺过程多在高温、高压、极强腐蚀性等条件下进行，金属材料换热器已不能满足需要，因而开始研制和生产由陶瓷、石墨、塑料、玻璃等制造的非金属材料的换热器。,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,2019/12/14,石墨具有优良的耐腐蚀及传热性能，不易结垢，机械加工性能好，但易脆裂，不抗拉，不抗弯。石墨换热器在强腐蚀性液体或气体中应用最能发挥其优点，它几乎可以处理除氧化酸外的一切酸碱溶液。用于制造换热器的工程塑料很多，目前以聚四氟乙烯为最佳，其性能可与金属换热器相比但却具有特殊的耐腐蚀性。它主要用于硫酸厂的酸冷却。玻璃换热器能抗化学腐蚀，且能保证被处理介质不受或少受污染。它广泛应用于医药、化学工业，例如高纯度硫酸蒸馏等工艺过程。,1.2热质交换设备的种类、型式、流动方式和构造,2019/12/14,1.2一些设备的参考图片,2019/12/14,1.2一些设备的参考图片,立式壳管式冷凝器,2019/12/14,1.2一些设备的参考图片,水冷式冷凝器,2019/12/14,1.2一些设备的参考图片,蒸发式冷凝器,2019/12/14,1.2一些设备的参考图片,圆形逆流式冷却塔,2019/12/14,1.3本门课程的主要研究内容,传热与传质是实际工程中普遍存在的现象。本门课程就是研究创造建筑室内环境所用的热质交换方法的基本特性和基本规律，为创造建筑室内环境所用的热质交换技术提供必要的理论知识和设备知识。其主要内容有：传热传质过程，相变热质交换过程与设备，空气与水之间热质交换过程与设备等。传热传质过程部分，主要涉及传质的基本概念、扩散传质、对流传质、热质传递模型和动量、热量和质量的传递类比、传热强化和场协同原则、间壁式换热器及其热工计算方法。,2019/12/14,相变热质交换过程与设备部分，主要讨论以制冷剂为主的液体沸腾和蒸气凝结的基本规律，并探讨管内外强迫流动时的相变换热及固液相变热换热的基本原理，介绍专业中常见的冷凝器和蒸发器种类和基本构造、传热热阻和热工计算等。空气与水之间热质交换过程与设备部分，主要包括空气与水固体表面之间的热质交换，用吸收剂处理空气和用吸附材料处理空气的机理与方法，冷却塔、喷雾室、表冷器、液体除湿设备、蒸发式冷凝器等热质交换设备的系统构成，材料选择及相应的热工计算方法。,1.3本门课程的主要研究内容,2019/12/14,对于本课程内容，要求学生了解本课程在专业中的地位与重要性；在掌握了传热学知识的基础上，进一步掌握传质学的相关理论，并掌握动量、能量及质量传递间的类比方法；熟悉在相变换热情况下发生的以制冷剂为主的热质交换的物理机理和沸腾与凝结的影响因素；掌握空气与水表面间热质交换的基本理论和基本方法，熟悉用固体吸附和液体吸收对空气处理的机理与方法；了解本专业常用热质交换设备的型式与结构，掌握其热工计算方法，并具有对其进行性能评价和优化设计的初步能力。最终通过本课程的系统学习，达到掌握在传热传质同时进行时发生在建筑环境与设备中的热质交换的基本理论及相应的设备热工计算方法，并具有对其进行性能评价和优化设计的初步能力，为进一步学习创造良好的建筑室内环境打下基础。,1.3本门课程的主要研究内容,2019/12/14,第一章思考题与习题,试简述“三传”过程中的传递率的计算公式及所用到的各量及符号的意义。动力粘性系数、导热系数和扩散系数的单位各是什么，各具有什么物理意义？概述热质交换设备的分类方法。列举日常生活中见到的或用到的几种热质交换设备，说明这些热质交换设备的类型及其功用。直接接触式热质交换设备最主要的特点是什么？按照热、冷流体的流动方向，热质交换设备有哪几种流动形式？说明流动形式对其工作性能的影响。,2019/12/14,图1-1顺流式换热器示意图,2019/12/14,图1-2顺流方式的温度分布,2019/12/14,图1-3逆流式换热器示意图,2019/12/14,图1-4逆流方式的温度分布,2019/12/14,图1-5叉流式换热器示意图,