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1、热质交换原理 与设备 热质交换原理 与设备 环设、节能12级 第一章 绪 论 第一章 绪 论 27-3 2015/4/19 环设、节能12级 内 容内 容 三种传递现象的类比三种传递现象的类比 1.1 热质交换设备的分类热质交换设备的分类 1.2 27-42015/4/19 本课程的地位与作用本课程的地位与作用 1.3 环设、节能12级 1.1 本课程的地位与作用本课程的地位与作用 以冷凝器中的热量传递过程为例以冷凝器中的热量传递过程为例 冷凝器. 建筑环境与能源应用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 及相应设备工作原理和设计知识。 建筑环境与能源应用专业涉及大量
2、能量转换 及能量交换，需要掌握相关能量转换、交换知识 及相应设备工作原理和设计知识。 27-52015/4/19 环设、节能12级 环设、节能12级 环设、节能12级 环设、节能12级 环设、节能12级 环设、节能12级 本专业常见的设备型式与机理本专业常见的设备型式与机理 名称型 式热质传递机理名称型 式热质传递机理 表冷器间壁式对流表冷器间壁式对流导热导热对流 喷淋室直接接触式接触传热、传质 蒸发器（锅炉）间壁式辐射 对流 喷淋室直接接触式接触传热、传质 蒸发器（锅炉）间壁式辐射导热导热两相传热 蒸发器（制冷）间壁式对流 两相传热 蒸发器（制冷）间壁式对流导热导热蒸发 过热器间壁式辐射 蒸
3、发 过热器间壁式辐射+对流对流导热导热对流 省煤器间壁式对流 对流 省煤器间壁式对流(辐射分额少辐射分额少)导热导热对流 空气预热器间壁式或蓄热式对流 对流 空气预热器间壁式或蓄热式对流导热导热对流 蒸汽喷射泵直接接触式接触传热、传质 冷凝器间壁式凝结 对流 蒸汽喷射泵直接接触式接触传热、传质 冷凝器间壁式凝结导热导热对流 冷却塔直接接触式接触传热、传质 蒸汽加热器间壁式凝结 对流 冷却塔直接接触式接触传热、传质 蒸汽加热器间壁式凝结导热导热对流 热水加热器间壁式对流 对流 热水加热器间壁式对流导热导热对流 除氧器直接接触式接触传热、传质 蒸汽加湿器直接接触式接触传热、传质 散热器间壁式对流
4、对流 除氧器直接接触式接触传热、传质 蒸汽加湿器直接接触式接触传热、传质 散热器间壁式对流导热导热对流对流+辐射 暖风机间壁式对流（或凝结） 辐射 暖风机间壁式对流（或凝结）导热导热对流对流 27-112015/4/19 环设、节能12级 本课程是将传热学流体力学工 程热力学供热工程工业通风空 气调节空调用制冷技术锅炉及锅炉 房设备及燃气燃烧等课程中牵涉到流 体热质交换原理及相应设备的内容抽出，经 综合整理、充实加工而形成的一门课程。 本课程是将传热学流体力学工 程热力学供热工程工业通风空 气调节空调用制冷技术锅炉及锅炉 房设备及燃气燃烧等课程中牵涉到流 体热质交换原理及相应设备的内容抽出，经
5、 综合整理、充实加工而形成的一门课程。 27-122015/4/19 环设、节能12级 阅读教材，完成相关推导；借一本好的参考书阅读教材，完成相关推导；借一本好的参考书 重温流体力学、传热学，也是复习的机会重温流体力学、传热学，也是复习的机会 形成一种观点，对关键结果给予物理解释形成一种观点，对关键结果给予物理解释 养成物理概念联系方程的习惯养成物理概念联系方程的习惯 注重量纲，有助于理解问题和发现错误注重量纲，有助于理解问题和发现错误 本课程学习的建议本课程学习的建议 环设、节能12级 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 间壁式(表面式)间壁式
6、(表面式) 直接接触式（混合式）直接接触式（混合式） 蓄热式（回热式、再生式）蓄热式（回热式、再生式） 热管式热管式 27-142015/4/19 环设、节能12级 热管式热管式 热管换热器的构造及原理热管换热器的构造及原理 环设、节能12级 热管式热管式 环设、节能12级 热管式热管式 环设、节能12级 （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方向分类 顺流式顺流式 逆流式逆流式 叉流式叉流式 混合式混合式 27-182015/4/19 环设、节能12级 顺流换热器顺流换热器 顺流.e 27-192015/4/19 环设、节能12级 逆流换热器逆流换热器 逆流.e 27-
7、202015/4/19 环设、节能12级 叉流换热器叉流换热器 示意图两种流体均不混合 一种流体混合 另一种不混合 示意图两种流体均不混合 一种流体混合 另一种不混合 27-212015/4/19 环设、节能12级 混流换热器混流换热器 ( (c) 总趋势为逆 流的混合流 ) 总趋势为逆 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 流的混合流 总趋势为顺 流的混合流 27-222015/4/19 环设、节能12级 顺流顺流逆流逆流 x T Th Tc T1 T2 x T Th (Hot) Tc (cold) T1 T2
8、 Cold fluid Hot fluid Cold fluid Hot fluid 27-232015/4/19 环设、节能12级 环设、节能12级 螺旋板式换热器螺旋板式换热器 27-252015/4/19 环设、节能12级 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 27-262015/4/19 环设、节能12级 可作为纯顺流的实际工程中的混合流可作为纯顺流的实际工程中的混合流 可作纯顺? 27-272015/4/19 环设、节能12级 （3）按用途分类 表
9、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 （ ）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 金属材料 非金属材料(石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷等） 稀有金属材料（钛、锆等） ）按制造材料分类 金属材料 非金属材料(石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷等） 稀有金属材料（钛、锆等） 27-282015/4/19 环设、节能12级 1.3 三种传递现象的类比三种传递现象的类比 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
10、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 27-292015/4/19 环设、节能12级 a）牛顿粘性定律）牛顿粘性定律（Newtons law of Viscosity） 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 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: 对于对于均质不可压缩流体均质不可压缩流体，上式可改写为：，上式可改写为： 27-302015/4/19 环设、节能12级 b）傅立叶定律）傅
11、立叶定律（Fourier Law) 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： 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： 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： 27-312015/4/19 环设、节能12级 c）斐克）斐克(Fick)定律定律(Ficks Law) 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(或质量份额或质量份额)aA的分布为一维的，则通过 分子扩散传递的组分 的分布为一维的，则通过 分子扩散传递的组分A的质量通
12、量密度为：的质量通量密度为： 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： DAB: 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; 27-322015/4/19 环设、节能12级 汇总汇总 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。 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。 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。 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。 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 比于组分 的质量通量密度正 比于组分A的质量浓度的变化率。
13、的质量浓度的变化率。 27-332015/4/19 环设、节能12级 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; 27-342015/4/19 环设、节能12级 d）湍流传递性质）湍流传递性质 湍 流 流 动 湍 流 流 动 分子扩散传递分子扩散传递 宏观流体 微团掺混 宏观流体 微团掺混 也引起传递现象
14、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 dy d Dm A ABtAt dy td q tt dy ud tt 27-352015/4/19 环设、节能12级 有效动力粘度系数: eff 有效导热系数: eff 有效质量扩散系数: ABeff D 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。 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。 总的效应总的效应 27-362015/4/19 环设、节能12级 分子传递系数分子传递系数, a, DAB： 是物性，与温度
15、、压力有关；是物性，与温度、压力有关； 通常各向同性。通常各向同性。 湍流传递系数湍流传递系数t, at, DABt： 不是物性，取决于流体运动、边界条件、流场分布不是物性，取决于流体运动、边界条件、流场分布 通常各向异性。通常各向异性。 两种传递系数的比较两种传递系数的比较 27-372015/4/19 宏观流体微团的不规则掺混运动引起的传递强度远大 于分子传递； 环设、节能12级 HEU 在三个层次上研究传递现象在三个层次上研究传递现象 宏观层次上：宏观层次上： 宏观守恒方程表示系统中质量、动量和能量如何通过 物流的进入和离开而带入和带出，以及由环境向系统的各 种其他输入引起的变化。不追求
16、对系统细节的理解。 宏观守恒方程表示系统中质量、动量和能量如何通过 物流的进入和离开而带入和带出，以及由环境向系统的各 种其他输入引起的变化。不追求对系统细节的理解。 微观（元）层次上微观（元）层次上： 考察设备内微小区域中流体混合物正在发生的现象。 守恒方程是微分形式。目的在于获得系统内参数的分布信 息。 考察设备内微小区域中流体混合物正在发生的现象。 守恒方程是微分形式。目的在于获得系统内参数的分布信 息。 分子层次上分子层次上 用分子结构和分子间力寻求对三种传递的基本理解。 用分子运动论和量子力学。 用分子结构和分子间力寻求对三种传递的基本理解。 用分子运动论和量子力学。 分子层次描述的传递性质为微观层次所用；微观导出的方程为宏观解决提供入口。 宏观: 厘米
