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1、第六章 热质交换设备,6-1 热质交换设备的型式与结构 6-2 间壁式热质交换设备的热工计算 6-3,在暖通空调等许多工程应用中，经常需要在系统和它的周围环境之间或在同一系统的不同部分之间传递热量和质量，这种以在两种流体之间传递热量和质量为基本目的的设备称为热质交换设备。在热质交换设备中，有时仅有热量的传递，有时是热量传递和质量传递同时发生。 前面在绪论中，对建筑环境与设备工程专业中常见的热质交换设备的分类和简中的特点进行了介绍，本章将讨论各类热质交换设备的构造原理和热工计算的基本方法，并简要介绍其性能评价和优化设计等相关内容。,第一节 热质交换设备的型式与结构,一间壁式换热器,需要说明的是：
2、用于显热交换的间壁式换热器，也可用于既有显热交换又有潜热交换的场合，只是考虑到换热设备两端流体的不同，使用的间壁式换热器种类和型式有所不同。例如，空调工程中处理空气的表冷器，其两侧的流体通常是冷冻水或制冷剂和湿空气，由于两者的换热系数不同，所以根据换热器的强化方法，一般在空气侧加装各种形式的肋片，如图6-l所示。,间壁式换热器种类很多，从构造上主要可分为： 管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其 中以前三种用得最为广泛。,图61(a)所示是将铜带或钢带用绕片机紧紧地缠绕在管子上，制成丁皱褶式绕片管。皱褶的存在既增加了肋片与管子间的接触面积，又增加了空气流过时的扰动性，因而能提高传热系数
3、。但是，皱褶的存在也增加了空气阻力，而且容易积灰，不便清理；为了消除肋片与管子接触处的间隙，可将这种换热器浸镀锌、锡。浸镀锌、锡还能防止金属生锈。 有的绕片管不带皱褶，它们是用延展性好的铝带绕成，见图61(b)所示。 将事先冲好管孔的肋片与管束连在起，经过胀管之后制成的是串片管，见图6-1(c)所示。用轧片机在光滑的铜管或铝管的外表面上直接轧出助片，便制成了轧片管，见图61(d)所示。由于轧片管的肋片和管子是一个整体，没有缝隙，所以传热性能更好；但是，轧片管的肋片不能太高，管壁不能太薄。,除此之外，使用在多工位连续冲床上经多次冲压、拉伸、翻边、再翻边的方法，可得到二次翻边肋片，见图61(e)所
4、示。用这种肋片制成的换热器有更好的传热效果。 此外，为了进一步提高传热性能，增加气流的扰动性以提高外表面换热系数，近年来还发展了其它的肋片片型，如波纹型片、条缝型片、百叶缝型片和针刺型片等。研究表明，采用上述措施后，可使空调工程中所用的表冷器的传热系数提高1070。,二 混合式换热器,混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调
5、节工程以及其它许多生产部门中。 按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型。,1.混合式热交换器的种类 (1)冷却塔(或称冷水塔) 在这种设备中，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，以提高系统的经济效益。例如效力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。 (2)气体洗涤塔(或称洗涤塔) 在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程
6、中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点。所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。,(3)喷射式热交换器 在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热传质，并一向进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。 (4)混合式冷凝器 这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝，最后得到的是水与冷凝液的混合物。可以根据需要，或循环使用，或就地排放。 以上这些混合式热交换器的共
7、同优点是结构简单，消耗材料少，接触面大，并因直接接触而有可能使得热量的利用比较完全。有关这类设备的热工计算问题的研究，还有大量工作可做。在这里，本节重点介绍喷淋室和冷却塔这两类混合式热交换器的类型与结构。,2.喷淋室的类型和构造 (1)喷淋室的构造 图62(a)是应用比较广泛的单级、卧式、低速喷淋室，它由许多部件组成。前挡水板有挡住飞溅出来的水滴和使进风均匀流动的双重作用，因此有时也称它为均风板。被处理空气进入喷淋室后流经喷水管排，与喷嘴中喷出的水滴相接触进行热质交换，然后经后挡水板流走。后挡水板能将空气中夹带的水滴分离出来，防止水滴进入后面的系统。在喷淋室中通常设置一至三排喷嘴，最多四排喷嘴
8、。喷水方向根据与空气流动方向相同与否分为顺喷、逆喷和对喷，从喷嘴喷出的水滴完成与空气的热质交换后，落人底池中。,底池和四种管道相通，它们是： 1)循环水管：底池通过滤水器与循环水管相连，使落到底他的水能重复使用。滤水器的作用是清除水中杂物，以免喷嘴堵塞。 2)溢水管：底池通过溢水器与溢水管相连，以排除水池中维持一定水位后多余的水。在溢水器的喇叭口上有水封罩可将喷浴室内、外空气隔绝，防止喷淋室内产生异味。 3)补水管：当用循环水对空气进行绝热加湿时，底池中的水量将逐渐减少，由于泄漏等原因也可能引起水位降低。为了保持底池水而高度一定，且略低于温水口，需设补水管并经浮球网自动补水。 4)泄水管：为了
9、检修、清洗和防冻等目的，在底池的底部需设有泄水管，以便在需要泄水时，将池内的水全部泄至下水道。,为了观察和检修的方便，喷浴室还没有防水照明灯和密闭检查门。 喷嘴是喷淋室的最重要部件，我国曾广泛使用Y-1型离心喷嘴，其构造与性能详见本章第三节。近年来，国内研制出了几种新型喷嘴，如BTL-1型、PY-型、FL型、F型等。由于使用Y-1型喷嘴的喷淋室实验数据较完整，故在后面本章的例题中仍加以引用。 挡水板是影响喷淋室处理空气效果的又一重要部件。它由多折的或波浪形的平行板组成。当夹带水滴的空气通过挡水板的曲折通道时，由于惯性作用，水滴就会与挡水板表面发生碰撞，并聚集在挡水板表面上形成水膜，然后沿挡水板
10、下流到底池。,3.冷却塔的类型与结构 (1)冷却塔的类型 冷却塔有很多种类，根据循环水在塔内是否与水直接接触，可分成干式、湿式。干式冷却塔是把循环水通入安装于冷却塔中的散热器内被空气冷却，这种塔多用于水源奇缺而不允许水分散失或循环水有特殊污染的情况。湿式冷却塔则让水与空气直接接触，它是本章所要讨论的对象。,图66示出了湿式冷却塔的各种类型。在开放式冷却塔中，利用风力和空气的自然对流作用使空气进入冷却塔，其冷却效果要受到风力及风向的影响，水的散失比其它型式的冷却增大。在风筒式自然通风冷却塔中，利用较大高度的风筒，形成空气的自然对流作用使空气流过塔内与水接触进行传热，其特点是冷却效果比较稳定。在机
11、械通风冷却塔中，如图中的(f)是空气以鼓风机送人，而困中的(众)则显示的是以抽风机吸人的形式，所以机械通风冷却塔具有冷却效果好和稳定可靠的特点，它的淋水密度(指在单位时间内通过冷却塔的单位截面积的水量)可远高于自然通风冷却塔。按照热质交换区段内水和空气流动方向的不同，还有逆流塔、横流塔之分，水和空气流动方向相反的为逆流塔，方向垂直交叉的为横流塔，如图66(e)所示。,(2)冷却塔的构造 各种型式的冷却塔，一般包括下面所述几个主要部分，这些部分的不同结构，可以构成不同形式的冷却塔。 1)淋水装置 淋水装置又称填料，其作用在于将进塔的热水尽可能形成细小的水滴或水膜，增加水和空气的接触面积，延长接触
12、时间，以增进水气之间的热质交换。在选用淋水装置的型式时，要求它能提供较大的接触面积并具有良好的亲水性能，制造简单而又经久耐用，安装检修方便、价格便宜等。 淋水装置可根据水在其中所呈现的现状分为点滴式、薄膜式及点滴薄膜式三种。,a点滴式 这种淋水装置通常用水平的或倾斜布置的三角形或矩形枝条按一定间距排列而成，如图67所示。在这里，水滴下落过程中水滴表面的散热以及在板条上溅散而成的许多小水滴表面的散热约占总散热量的6075，而沿枝条形成的水膜的散热只占总散热量的2530。一般来说，减小板条之间的距离Sl、S2可增大散热面积，但会增加空气阻力，减小溅散效果。通常取Sl为150mm，S2为300mm。
13、风速的高低也对冷却效果产生影响，一般在点滴式机械通风冷却塔中可采用1.32ms，自然通风冷却塔中采用0.51.5ms。,b薄膜式 这种淋水装置的特点是利用间隔很小的平膜板或凹凸形波板、网格形膜板所组成的多层空心体，使水沿着其表面形成缓慢的水流，而冷空气则经多层空心体间的空隙，形成水气之间的接触面。水在其中的散热主要依靠表而水膜、格网间隙中的水筋表而和溅散而成的水滴的散热等三个部分，而水膜表而的散热居于主要地位。图6-8示出了其中四种薄膜式淋水装置的结构。对于斜波交错填料，安装时可将斜波片正反叠置。水流在相邻两片的棱背接触点上均匀地向两边分散其规格的表示方法为“波距波高倾角-填料总高”，以mm为
14、单位。蜂窝淋水填料是用浸渍绝缘纸制成毛胚在酚醛树脂溶液中浸胶烘干制成六角形管状蜂窝体构成甲以多层连续放于支架上，交错排列而成；它的孔眼的大小以正六边形内切圆的直径d表示。其规格的表示方法为：d(直径)，总高H=层数每层高-层距，例如：d20，H=12100-0=1200mm。,c.点滴薄膜式 铅丝水泥网格板是点滴薄膜式淋水装置的一种(图6-9)。它是以1618#铅丝作筋制成的50mm50mm50mm方格孔的网板；每层之间留有50mm左右的间隙，层层装设而成的。热水以水滴形式淋洒下去，故称点滴薄膜式。其表示方法：H=层数网孔-层距，例如G1650-15。,a)配水系统 配水系统的作用在于将热水均
15、匀地分配到整个淋水面积上，从而使淋水装置发挥最大的冷却能力。常用的配水系统有槽式、管式和池式三种。 槽式配水系统通常由水槽、管嘴及溅水碟组成，热水从管嘴落到溅水碟上。溅成无数小水滴射向四周，以达到均匀布水的目的(图6-10)。 管式配水系统的配水部分由干管、支管组成，它可采用不同的布水结构，只要布水均匀即可，图611所示为一种旋转布水管系的平面图。,池式配水系统的配水池建于淋水装置正上方，池底均匀地开有410mm孔口(或者装喷嘴、管嘴)，池内水深一般不小于100mm，以保证洒水均匀。其结构示于图612。,3)通风筒 通风筒是冷却塔的外壳，气流的通道。自然通风冷却塔一般都很高，有的达150m以上
16、。而机械通风冷却塔的风筒一般在10m左右。包括风机的进风口和上部的分散筒，如图613所示：,为了保证进、出风的平缓性和清除风筒口的涡流区，风筒的截面一般用圆锥形或抛物线形。 在机械通风冷却塔中，若鼓风机装在塔的下部区域，操作比较方便，这时由于它送的是较冷的于空气，而不像装在塔顶的抽风机那样是用于排除受热而潮湿的空气，因此鼓风机的工作条件较好。但是，采用鼓风机时，从冷却塔排出的空气流速，仅有1.52.0m/s左右，而且由于这种塔的高度不大因此只要有微风吹过，就有可能将塔顶排出的热而潮湿的空气吹向下部，以致被风机吸入，造成热空气的局部循环，恶化了冷却效果。,3 典型的燃烧装置与器具 燃烧装置与器具的类型很多，分类方法也各不相同。依据燃料种类可将燃烧装置与器具分为气体、液体及固体燃料的三大类型。下面重点介绍气体燃料的典型燃烧器和简要介气体燃料的燃烧器的种类很多，按其燃烧方式有如下几种常用的燃烧器。,(1)扩散式燃烧器 1)工作原理及构造 按照扩散式燃烧方法设计制作的燃烧器称为扩散式燃烧器。扩散式燃烧器内于一次空气系数，因此，燃气靠扩散作用相燃烧所需要的空气边混合边燃烧。根据燃烧过程中空气
