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1、4 混合式热交换器,混合式热交换器是冷、热流体直接接触进行传热。这种传热方式避免了传热间壁及其两侧污垢的热阻。只要流体间接触情况良好，就有较大的传热速率。 按用途分： 1. 冷水塔（或称冷却塔） 2. 气体洗涤塔（或称洗涤塔） 3. 喷射式热交换器 4. 混合式冷凝器,4.1 冷水塔,自然通风冷却塔,4.1.1 冷水塔的类型和构造 冷却塔通过热水在塔内喷淋，与周围空气进行热交换 (包括显热交换和水蒸发潜热交换)，使水温度降低。,图4.1 各种湿式冷水塔示意图 1 配水系统；2 淋水装置；3百叶窗；4 集水池； 5 空气分配区；6 风机；7 风筒；8 收水器,湿式冷却塔结构示意图,干式冷却塔结构
2、示意图,冷水塔，一般包括如下几个主要部分： 1. 淋水装置：又称填料，作用在于将进塔的热水尽可能形成细小的水滴或水膜，以增加水和空气的接触面积，延长接触时间，增进水气之间的热质交换。根据水呈现的形状分为点滴式、薄膜式及点滴薄膜式三种。 2. 配水系统：将热水均匀地分配到整个淋水面上，使淋水装置发挥最大的冷却能力。常用的有槽式、管式和池式三种。 3. 通风筒：冷水塔的外壳，气流的通道。作用在于创造良好的空气动力条件，将湿热空气排出，减少或避免湿热空气回流。自然通风冷水塔一般很高，有的达150 m以上；机械通风冷水塔一般在10 m左右。,(a) 倾斜式 (b) 棋盘式 (c) 方格式 (d) 阶梯
3、式 图4.2 点滴式淋水装置板条布置方式,图4.3 薄膜式淋水装置的四种结构,(a) 小间距平板淋水填料,(b) 石棉水泥板淋水填料,(c) 斜波交错填料,(d) 蜂窝淋水填料,图4.4 铅丝水泥网板淋水装置(单位:mm),图4.5 槽式配水系统,图4.6 旋转布水的管式配水系统,图4.7 池式配水系统,1. 吸声措施：吸声材料 及吸声栅。 2. 减速装置。 3. 电机。 4. 风机。 5. 旋转布水器：铝合金或玻璃钢布水管，装有收水板，克服飘水现象。 6. 填料：改性PVC余波 片，阻力小，阻燃。 7. 吸声设施：吸声材料 及吸声栅。 8. 支架。 9. 下塔体：可配溢水， 排污，自动给水管
4、。 10. 进风窗。 11. 上塔体。,4.1.2 冷水塔的工作原理 水蒸发产生的传热量： Q = p (p p)F 汽化潜热，kJ/kg； p以分压差表示的传质系数，kg/(m2.s.Pa) 水和空气温度不等导致接触传热：Q =(t )F 接触传热的换热系数，kW/(m2.) 当水温高于气温时，Q 和Q都是由水向空气传热， 水放出总热量为：Q=Q +Q 水温下降 当水温下降到等于空气温度时，Q =0 这时Q=Q 蒸发散热Q仍在进行 当水温下降到低于气温时，Q 为空气流向水， 水放出热量为：Q=Q Q 当水温下降到某一程度，空气传向水的Q 等于水传向 空气的Q，这时：Q=Q Q =0,此时水温
5、为水的冷却极限，此冷却极限与空气湿球温 度()近似相等。水出口温度越接近 ，所需冷却设备 越庞大，故生产中要求冷却后的水温比 高35 。 水温冷却到极限 时，Q 和Q 之间的平衡可表示为： ( )F = p (p p)F p 温度为 时的饱和水蒸气压力，Pa； 为推导和计算方便，分压力差可用含湿量差代替， p以含湿量差表示的传质系数 x代替，故Q可写成： Q = x (x x)F Q 和Q 间的平衡：( )F = x (x x)F x 以含湿量差表示的传质系数，kg/(m2.s)； x 与 相应的饱和空气含湿量，kg/kg； x空气的含湿量，kg/kg。,水在塔内的接触面积F：薄膜式中取决于填
6、料的表面积；点滴式中取决于流体的自由表面积；具体确定此值十分困难。对某特定淋水装置，一定量的淋水装置体积相应具有一定量的面积，称为淋水装置的比表面积，以 (m2/m3)表示。实际计算改用淋水装置体积以及与体积相应的传质系数 xv 和换热系数 v，于是： xv= x a，kg/(m3.s)；v=a，kW/(m3.) 总传热量为：Q =v (t )V+ xv (xx)V,1）迈克尔焓差方程 取逆流塔中某一微段dZ，设该微段内的水气分布均匀。 进入微段的总水量为L，其水温为t+dt，经热质交换，出水温度为t，蒸发掉的水量为dL。 进入微段的空气量为G，气温为 ，含湿量为 x，焓为 i 。与水进行热交
7、换后温度、含湿量及焓分别为+d、x+dx、i+di。 接触传热与蒸发散热量之和：,图4.9 逆流式冷水塔中的冷却过程,dQ=(t)AdZ+x(xx)AdZ,4.1.3 冷水塔的热力计算,或：dQ=(/x t+rx) (/x+rx)xaAdZ 式中：a填料的比表面积，m2/m3； A塔的横截面积，m2； Z塔内填料高度，m； x、x水温t下的饱和空气 含湿量及与水接触的空气含湿量，kg/kg。 代入：路易斯(Lewis)关系： /x =cx (cx为湿空气比热) 含湿量x的湿空气焓 ix =cx +rx，水面饱和空气 层 (温度等于水温t) 的焓 i= cx t +rx， 得： dQ = x (
8、i i)aAdZ (4.6) 此即迈克尔焓差方程，表明塔内任何部位水、气间 交换的总热量与该点水温下饱和空气焓 i与该处 空气焓 i之差成正比。该方程可视为能量扩散方程， 焓差正是这种扩散的推动力。,2) 水气热平衡方程 在没有热损失情况下，水所放出的热量等于空气 增加的热量。微段dZ内水所放出的热为： dQ=Lc(t+dt) (LdL)c t =(Ldt+tdL)c (4.7) 其中c为水的比热。而空气在该微段吸收的热为 dQ=G di (4.8) 因而：G di = c(Ldt+tdL) (4.9) 式中右边第1项为水温降低 dt 放出热量，第2项为 蒸发dL水量所带走热量，与第1项相比此
9、项较小， 为简化计算，将其影响考虑到第1项中，将第1项 乘以系数1/K，得： G di = c L dt /K (4.10) 为该微段热平衡方程,3) 计算冷水塔的基本方程 综合迈克尔焓差方程(4.6)和热平衡方程(4.10)： x (i i)AdZ=(cLdt) /K (4.17) 对此进行变量分离并加以积分： (4.18) 式(4.18)是在迈克尔方程基础上，以焓差为推动 力进行冷却时，计算冷水塔的基本方程，若以N 代表该式的左边，即： (4.19) 称N为按温度积分的冷却数，简称冷却数，它是 一个无量纲数。再以N表示式(4.18)右边部分： N= x A Z /L (4.20),N为冷水
10、塔特性数，表示水温从t1 降到t2 所需要的特征数数值，它代表着冷却任务的大小。(ii)指水面饱和空气层与外界空气的焓之差，此值越小，水的散热就越困难。所以它与外部空气参数有关。 在气量和水量之比相同时，N值越大，表示要求散发的热量越多，所需淋水装置的体积越大。 x反映了淋水装置的散热能力，因而特性数反映了淋水塔所具有的冷却能力，它与淋水装置的构造尺寸、散热性能及水、气流量有关。 冷水塔的设计计算，就是要求冷却任务与冷却能力相适应，即N=N，以保证冷却任务的完成。,4) 冷却数的确定,图4.11 辛普逊积分法求冷却数,5) 特性数的确定 为使实际应用方便，常将式(4.20)定义的特性数改写成
11、N = xV V /L (4.25) 6) 换热系数与传质系数的计算 在计算冷水塔时要求确定换热系数和传质系数。假定 热交换和质交换的共同过程是在两者之间的类比条件 得到满足的情况下进行，由相似理论分析，换热系数 和传质系数之间应保持一定的比例关系。此比例关系 与路易斯关系式的结果一致。 /x=cx 冷水塔计算中，cx 一般采用1.05 kJ/(kg.)。,图4.15 气水比及冷却数的确定,7) 气水比的确定 气水比 () 指冷却每kg水所需的空气数，气水比越大， 冷水塔的冷却能力越大，一般情况下可选 =0.81.5。 由于空气焓i与有关，因而冷却数也与有关。同时特性 数也与有关，因此要求被确
12、定 的能使N=N。 设几个不同算出不同的冷却 数N，作右图的N曲线。 在同一图上作出填料特性曲线 N曲线，交点P所对应的气 水比 P 就是所求的气水比。 P点称为冷水塔的工作点。,4.1.4 冷水塔的通风阻力计算 求得阻力后选择适当的风机 (对机械通风冷却塔) 或确定自然通风冷却塔的高度。 1) 机械通风冷却塔 空气流动阻力包括由空气进口之后经过各个部位 的局部阻力。各部位的阻力系数常采用试验数值 或利用经验公式计算。 2) 自然通风冷水塔 自然通风冷水塔的阻力必须等于它的抽力，由此 原则可确定空气流速和塔筒高度。 抽力： Z = H0 g (1 2) Pa (4.26) 阻力： P = m
13、wm2 /2 Pa (4.27),表4.1 冷水塔各部位的局部阻力系数,冷却塔标准设计工况参数_国标71901997,冷却塔参数,工况：湿球温度=28；t=5，t1 =37、t2 =32；t=8，t1 =40、t2 =32； t =10，t1 =43、t2 =33；t=20，t1 =55、t2 =35；t=25，t1 =60、t2 =35,4.1.5 冷水塔的设计计算 例4.1,4.2 喷射式热交换器,4.2.1 喷射式热交换器的一般问题 喷射式热交换器是一种以热交换为目的的喷射器，它和其他喷射器一样，是使压力、温度不同的两种流体相互混合，并在混合过程中进行能量交换的一种设备。 按照被混合的流
14、体的不同，喷射式热交换器中可以是汽水之间的热交换，水水之间的热交换，汽汽之间的热交换等等。主要部件有：工作喷管、引入室、混合室和扩散管。,图4.18 喷射式热交换器原理图 A 工作喷管；B 引入室；C 混合室；D 扩散管,被引射流体质量流量 喷射系数 u = 工作流体质量流量,工作流体通过喷管的膨胀，使势能转变为动能，以很高的速度从喷管喷出，并将压力较低的流体(被引射流体)吸到引入室内；工作流体与被引射流体混合后的混合流体速度渐趋均衡，动能相反地转变为势能，然后送给用户。,喷射式热交换器优点：提高被引射流体压力不直接 消耗机械能，结构简单。 水水喷射式热交换器可将高温水与部分低温水 混合，得到
15、一定温度的混合水，供室内采暖。 汽汽喷射式热交换器用来提高低压废气的压力， 使工业废气得到回收，在凝结水回收系统中可借 助它使二次蒸汽得以利用。 汽水型和水汽喷射式热交换器都可作为一种 紧凑的冷凝器来使用。尤其是水汽型，用于制 糖、乳品加工等，不仅可使蒸发装置的二次蒸汽 冷凝，还可制造真空排除少量的不凝性气体。,喷射系数 uGh /Go Gh 被引射流体；Go 工作流体； Gg 混合流体,质量 守恒,能量 守恒,Go + Gh = Gg (1+u)Go = Gg io +uih =(1+u) ig io +ucth =(1+u)ctg to +uth =(1+u)tg,4.2.2 汽水喷射式热交换器,图4.19 汽水喷射式热交换器工作原理,动量方程： 2(Gowp+Ghwh)(Go+Gh)w3=p3 f3+ pdf (pp fp+ph fh) (4.35) -和-截面之间作用于混合室入口段的圆锥形 壁面上
