热质交换原理与设备复习题

当流场中速度分布不均匀时，分子传递的结果产生切应力；温度分布不均匀时，分子传递的结果产生热传导；多组分混合流体中，当某种组分浓度分布不均匀时，分子传递的结果会产生该组分的_质量扩散_；描述这三种分子传递性质的定律分别是

热质交换设备按其内冷、热流体的流动方向，可分为___顺流__式、_逆流__式、__叉流___式和__混合_____式。工程计算中当管束曲折的次数超过___4___次，就可以作为纯逆流和纯顺流来处理。

质量传递有两种基本方式：分子扩散和对流扩散，两者的共同作用称为__对流质交换__。相对静坐标的扩散通量称为绝对扩散通量，而相对于整体平均速度移动的动坐标扩散通量则称为相对扩散通量。

麦凯尔方程的表达式为：，它表明当空气与水发生直接接触，热湿交换同时进行时。总换热量的推动力可以近似认为是湿空气的焓差。

冷却塔填料的作用是延长冷却水停留时间，增加换热面积，增加换热量.。均匀布水。将进塔的热水尽量细化，增加水和空气的接触面，延长接触时间，增进水汽之间的热值交换

冰蓄冷空调可以实现电力负荷的调峰填谷(均衡) 。

一套管换热器、谁有200℃被冷却到120℃，油从100℃都被加热到120℃，则换热器效能是25% 。

吸收式制冷机可以“以热制冷”，其向热源放热Q，从冷热吸热Q，消耗热能Q，则其性能系数COP= Q1-Q2/Qo 。

一管式逆流空气加热器，平均换热温差为40℃，总换热量位40kW，传热系数为40W/(m.℃)则换热器面积为25 m。

当流场中速度分布不均匀时，分子传递的结果产生切应力；温度分布不均匀时，分子传递的结果产生热传导；多组分混合流体中，当某种组分浓度分布不均匀时，分子传递的结果会产生该组分的质量扩散；描述这三种分子传递性质的定

热质交换设备按其内冷、热流体的流动方向，可分为_顺流_式、逆流_式、_混合流_式和_叉流_式。工程计算中当管束曲折的次数超过_4__次，就可以作为纯逆流和纯顺流来处理。

相对静坐标的扩散通量称为以绝对速度表示的质量通量，而相对于整体平均速度移动的动坐标扩散通量则称为以扩散速

麦凯尔方程的表达式为：hw （ti –tw）=hmd(i-i i) ，它表明当空气与水发生直接接触，热湿交换同时进行时。总换热

__热量____传递和___质量___传递现象。

蒸发冷却所特有的性质是__蒸发冷却过程中伴随着物质交换，水可以被冷

。

问答及名词解释

面温度低于湿空气的露点温度，水蒸气就要凝结，从而在冷却器表面形成一层流动的水膜。紧靠水膜处为湿空气的边界层，这是可认为与水膜相邻的饱和空气层的温度与冷凝器表面上的水膜温度近似相等。因此，空气的主体部分与冷凝器表面的热交换是由空气的主流与凝结水膜之间的温差（t-ti）而产生的，质交换则是由于空气主流与凝结水膜相邻的饱和空气层中的水蒸气的分压力差，即含湿量差（d-di）而引起的。在冷却表面的两侧，分别存在湿空气的水膜和边界层以及冷却剂侧的边界层，所有的热质交换都需要克服冷却表面两侧的两层膜所带来的阻力。

吸附空气中水蒸气的吸附剂被称为干燥剂。干燥剂的吸湿和放湿是由于干燥剂表面的蒸汽压与环境空气的蒸汽压造成的：当前者较低时，干燥剂吸湿，反之放湿，两者相等时，达到平衡，既不吸湿，也不放湿。吸湿量增加，表面蒸汽压力也随之增加。当表面蒸汽压超过周围空气的蒸汽压时，干燥剂脱湿，这一过程称为再生过程。干燥剂加热干燥后，它的蒸汽压仍然很高，吸湿能力较差。冷却干燥剂，降低其表面蒸汽压使之课重新吸湿。

该冷却器能达到的ε1应该等于空气处理过程需要的ε1（2)该冷却器能达到的ε2应该等于空气处理过程需要的ε2（3)该冷却器能吸收的热量应该等于空气放出的热量

A-1：tw＜露点温度，tw＜t1＜tA，Pq1

A-2： tw=露点温度，tw＜tA，Pq1＝PqA, 等湿冷却。

A-3： tw >露点温度，但<湿球温度，tw＜tA和Pq3>PqA, 冷却和加湿。

A-4： tw=湿球温度，等湿球温度线与等焓线相近，空气状态沿等焓线变化而被加湿。总热交换量近似为零，而且tw＜tA和Pq4>PqA, 空气的显热量减少、潜热量增加，二者近似相等。水蒸发所需热量取自空气本身。

A-5：tw>湿球温度而<干球温度，tw＜tA,Pq5>PqA, 冷却和加湿。水蒸发所需热量部分来自空气，部分来自水。

A-6: tw=干球温度, tw＝tA和Pq6>PqA,不发生显热交换，等温加湿。水蒸发所需热量来自水本身。

A-7: tw> 干球温度，tw>tA 和Pq7>PqA, 加热和加湿。蒸发所需热量及加热空气的热量均来自水本身。以冷却水为目的的湿

而膜总传热量是逐渐增大的；在C 。小于0时，随着C

。的逐渐减小，壁面导热量是逐渐增大的，而膜总传热量是逐渐减小的。由图可知，当C 。为正值时，壁面上的导热量明显减少，当C 。值接近4时，壁面上的导热量几乎等于零。

关系：当表面蒸汽压超过了周围空气的蒸汽压事，干燥剂脱湿，这一过程称为再生过程。干燥剂加热干燥后，它的蒸汽压仍然很高，吸湿能力较差，冷却干燥剂，降低其表面蒸汽压使之可重新吸湿。

表面分析：溴化锂溶液的蒸汽压，远低于同温下水的饱和蒸汽压，这表明溴化锂溶液有较强的吸收水的能力。在一定温度下溶液面上水蒸气饱和分压力低于纯水的饱和分压力；溶液的温度越低，液面上的水蒸气饱和分压力越低；溶液质量分数越高，液面上水蒸气饱和分压力越低；溴化锂水溶液的质量分数过高或过低均形成结晶。

箭头向上—等湿加热，表面式空气加热；箭头斜向下—等焓加湿，固体吸附

空气的质量流量：Vp=G/Ac 喷嘴系数：u=W/G 空气与水之间的焓差；空气的流动状况；水滴大小；水气比；设备的结构特性喷嘴排数、喷嘴密度

该喷淋室能达到的 应该等于空气处理过程需要的 ;该喷淋室能达到的 应该等于空气处理过程需要的 ；高喷淋塔喷出的水能吸收（或放出）的热量应该等于空气失去（获得到）的热量

4)喷嘴密度5)喷水方向6)排管间距7)喷嘴孔径8)空气与水的初参数

当v=D 或者v/D=1时，速度分布和浓度分布曲线相重合，或速度边界层和浓度边界层厚度相等。当a=D 或a/D=1

C0>0,时随着C0的增C0<0时，随着C0的逐渐减小，壁面导热量是逐渐增大的，(干工况)。如果冷凝器的表面温度低于空气的露点温度，则空气不但被冷却，而且其中所含水蒸气也将被部分地凝结出来，并在冷却器的肋片管表面上形成水膜。这种过程称为减湿冷却过程或湿冷过程(湿工况)。在这个过程中，在水膜周围将形成一个饱和空气边界层，被处理空气与表冷器之间不但发生

空气质量流速2)喷水系数3)喷嘴排数4)喷嘴密度5)喷水方向6)排管间距7)喷嘴

主要包括五个方面1)空气与水之间的焓差2)空气的流动状况3)水滴大小4)水气

()2m

W

t

t

h

q

w∞

-

=

q——流体与壁面之间的对流换热热流通量，2m

W；

h——对流换热系数，K

m

W?2；

∞

t

t

w

,

——壁面温度，K。

对流传质的基本计算式：

()

∞

-

=

,

,A

S

A

m

A

h

mρ

ρ

A

m——组分A的质扩散通量，s

m

kg?2；

m

h

——对流传质系数，

s

m；

∞,

,

,

A

S

A

ρ

ρ

——组分在壁面处和在主流中的质量浓度，

3

m

kg；

（2）当热质传递同时存在时，对流换热系数h和对流传质系数h m之间满足下列关系式：

3

2

-

?

=Le

c

h

h

p

mρ

或

3

2

Le

c

h

h

p

m

ρ

=

20分）

当冷却器表面温度低于被处理空气的干球温度但高于其露点温度时，空气只被冷却并不产生凝结水，此为等湿冷却过程（干冷）；当冷却器表面温度低于空气的露点温度时，空气不但被冷却且其中所含水蒸气也将部分凝结出来，此为减湿冷却过程（湿冷）；在湿冷过程，推动总热交换的动力湿湿空气的焓差，而不是温差。

方式：分子扩散与对流扩散。在静止的流体或垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体及固体中的扩散，本质上由微观分子的不规则运动引起，称为分子扩散，机理类似于热传导；流体作宏观对流运动时由于存在浓度差引起的质量传递称为对流扩散，机理类似于热对流。

克定律克：在浓度场不随时间而变的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中组分A 和B 发生互扩散，其中组分A 向组分B 的扩散通量与组分A 的浓度梯度成正比，其表达式为： s m kg dy dC D m A AB A ?-=2或s m kmol dy dn D N A AB A ?-=2

A m ，A N －分别为组分A 的相对质扩散通量和摩尔扩散通量；

dy dn dy dC A A ,——分别为组分A 的质量浓度梯度和摩尔浓度梯度；

AB D ——组分A 向组分B 中的质扩散系数，单位s m /2； v A c A AB A V s m kg dy dC D m ,2+?-=

如果组分浓度比较低，界面上的质扩散通量比较小，则界面法向速度与主流速度相比很小可以忽略不计时，描述对流换热系数和对流传质的准则关联式具有完全类似的形式。此时，对流换热与对流传质的边界层微分方程不仅控制方程的形式类似，而且具有完全相同的边界条件，此时对流换热和对流传质问题的解具有完全类似的形式。

绝热增湿过程中空气降温的极限)过垂直与传质方向上单位面积的物质的量）

适度的要求）

过热质交换设备的处理再送回室内的环境中）)、

)（扩散传单位体积混合物中某组分的质量)、浓度边界层（质量传

递的全部阻力集中于固体表面上一层具有浓度梯度的流层中，该流层即为浓度边界层）质量传递的全部阻力集中于固体表面上一层具有浓度梯度的流层中，该流层即为浓度边界层)、热边界层流体流动过程中.在固体壁面附近流体温度

流体传质系数hm 和定型尺寸的乘积与物

体的互扩散系数（Di 流体的运动黏度（v ）与物体的扩散系数（D ）的比值流体的运动黏度（v ）与物体的导温系数a 的比值)

存冷量释放出来，减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量

水冷和风冷冷凝器水冷，空冷，水—空气冷却以及靠制冷剂蒸发或其他工艺介质进行冷却的冷凝器。采用水冷式冷凝器可以得到比较低的温度，这对制冷系的制冷能力和运行经济性均比较有利。

辐射作用而引起的换热结果。潜热交换是空气中的水蒸气凝结（或蒸发）而放出（或吸收）汽化潜热的结果。总热交换是显热交换和潜热交换的代数和。

的能力和对风量的影响。一般空调里都有这个设备。二是空调机组内的风冷的翅片冷凝器。空调里的表冷器铝翅片采用二次翻边百页窗形，保证进行空气热交换的扰动性，使其处于紊流状态下，较大地提高了换热效率。表冷器是给制冷剂散热的，把热量排到室外，它把压缩机压缩排出高温高压的气体冷却到低温高压的气体。利用制冷剂在表冷器内吸热,使之被冷却空间温度逐渐降低。空气处理机组的风机盘管表冷器，通过里面流动的空调冷冻水（冷媒水）把流经管外换热翅片的空气冷却，风机将降温后的冷空气送到使用场所供冷，冷媒水从表冷器的回水管道将所吸收的热量带回制冷机组，放出热量、降温后再被送回表冷器吸热、冷却流经的空气，不断循环。喷水室是一种多功能的空气调节设备，可对空气进行加热、冷却、加湿及减湿等多种处理。喷水室由喷嘴、喷水管路、挡水板、集水池和外壳等组成。空气进入喷水室内，喷嘴向空气喷淋大量的雾状水滴，空气与水滴接触，两者产生热、湿交换，达到所要求的温、湿度。喷水室的优点是可以实现空气处理的各种过程；主要缺点是耗水量大，占地面积大，水系统复杂，水易受污染，目前在舒适性空调中应用不多。工程中选用的喷水室除卧式、单级外，还有立式、双级喷水室。

扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数，大小主要取决于扩散物质和扩散介质的种类及其温度和压力。

Sc=v/di Pr=v/a

Sh=hm .l/Di Nu=hl/λ

Ua Ub:绝对速度 Um：混合物速度 Ua Ub 扩散速度 Ua=Um+(Ua-Um) 绝对速度=主体速度+扩散速度

NA=-DdCA/dz +xA ( NA+NB)，适用于分子无规则热运动引起的扩散过程，传质速度即为扩散速度。

主流连续接触，并假定膜内流体与主流不相混合和扰动，在此条件下，整个传质过程相当于此薄膜上的扩散作用，而且认为在薄膜上垂直于壁面方向上呈线性的浓度分布，膜内的扩散传质过程具有稳态的特性。

hw （ti –tw）=hmd(i-i i) 湿空气在冷却降湿过程中，湿空气主流与仅靠水膜饱和空气的焓差是热值交换的推动势，其在单位时间内单位面积上的总传热量可近似的用传值系数hmd与焓差动力Δi的乘积来表示。

并指出当热质传递同时存在时，对流换热系数h和对流传质系数h m之间存在什么样的关系？

h m=0.664D AB/L Re0.5Sc1/3

点温度时，则空气只是冷却而不产生凝结水，称干工况。如果低于空气露点，则空气不被冷却，且其中所含水蒸气部分凝结出来，并在冷凝器的肋片管表面形成水膜，称湿工况，此过程中，水膜周围形成饱和空气边界层，被处理与表冷器之间不但发生显热交换还发生质交换和由此引起的潜热交换。

除湿中的缺点，节约能源，减少环境污染。

行的。空气与水的流动方式主要为逆交叉流。

量。吸附除湿既不需要对空气进行冷却也不需要对空气进行压缩，且噪声低并可以得到很低的露点温度。表冷器缺点：仅为降低空气温度，冷媒温度无需很低，但为了除湿必须较低，

当物系中存在速度、温度、浓度的梯度时，则分别发生动量、热量、质量的传递现象。动量、热量、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运动。动量传递、能量传递、质量传递三种分子传递和湍流质量传递的三个数学关系式是类似的。

解：假设当空气与水在一微元面 dA 上接触时，假设空气温度变化为 dt ，含湿量变化为 d(d) 。

（1）显热交换量：（2分）

——湿空气的质量流量，kg/s

——湿空气与水表面之间的显热交换系数，W/(m2.℃)

（2）湿交换量：（2分）

潜热交换量：（2分）

——温度为 t b时水的汽化潜热，kJ/kg

——单位时间单位面积蒸发（凝结）的水量，kg/(m2.s)

（3）总热交换量：

对空气——水系统，存在刘易斯关系式：（2分）

所以上式

（2分）

因为：当温度为 t 时，湿空气焓为：

当温度为 t b时，湿空气焓为：：

如果忽略水蒸汽从0℃加热到t℃时的焓，即项，并考虑到 t 和t b差别不大，所以空气的比热和水的汽化潜热变化

不大，即有：

所以从（3）式可以得到：

（4）——麦凯尔方程

麦凯尔方程表明：在热质交换同时进行时，如果满足刘伊斯关系式，则总热交换的推动力为空气——主流湿空气与紧靠水面的饱和边界层空气的焓差。（2分）

由于是空气与水之间发生的热质交换，所以不仅空气的状态会发生变化，水的状态也会发生变化。如果在热质交换中，水的温度变化为 dt w ，则根据热平衡：

（5）（2分）

——水的质量流量，kg/s

——水的定压比热，kJ/(kg.℃)

（1）（2）（3）（4）（5）称为空气与水直接接触时的热湿交换基本方程式。

1 优点

1) 平衡电网峰谷荷，减缓电厂和供配电设施的建设。

2) 制冷主机容量减少，减少空调系统电力增容费和供配电设施费。

3) 利用电网峰谷荷电力差价，降低空调运行费用。

4) 电锅炉及其蓄热技术无污染、无噪声、安全可靠且自动化程度高不需要专人管理。

5) 冷冻水温度可降到1－4℃，可实现大温差、低温送风空调，节省水、风输送系统的投资和能耗。

6) 相对湿度较低，空调品质提高，可有效防止中央空调综合症。

7) 具有应急冷〔热〕源，空调可靠性提高。

8) 冷（热）量全年一对一配置，能量利用率高。

2 缺点

1) 通常在不计电力增容费的前提下，其一次性投资比常规空调大

2) 蓄能装置要占用一定的建筑空间。

3) 制冷蓄冰时主机效率比在空调工况下运行低、电锅炉制热时效率有可能较热泵低。

4) 设计与调试相对复杂。

蓄热式和热管式等类型。间壁式又称表面式，在此类换热器中，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，不掺混。直接接触式又称混合式，在此类换热器中，两种流体直接接触并且相互掺混，传递热量和质量后，在理论上变成同温同压的混合介质流出，传热传质效率高。蓄热式又称回热式或再生式换热器，它借助由固体构件（填充物）组成的蓄热体传递热量，此类换热器，热、冷流体依时间先后交替流过蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，使蓄热体壁温升高，把热量储存于固体蓄热体中，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。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隔板置于壳体中，中隔板与热管加热段，冷却段及相应的壳体内穷腔分别形成热、冷流体通道，热、冷流体在通道内横掠管束连续流动实现传热。

、热两种流体平行地向着同方向流动，即冷、热两种流体由同一端进入换热器。逆流式，两种流体也是平行流体，但它们的流动方向相反，即冷、热两种流体逆向流动，由相对得到两端进入换热器，向着相反的方向流动，并由相对的两端离开换热器。叉流式又称错流式，两种流体的流动方向互相垂直交叉。混流式又称错流式，两种流体的流体过程中既有顺流部分，又有逆流部分。

在进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，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，以此来看，热质交换器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免布置成顺流，但逆流也有一定的缺点，即冷流体和热流体的最高温度发生在换热器的同一端，使得此处的壁温较高，为了降低这里的壁温，有时有意改为顺流。

换热器从构造上可分为：管壳式、胶片管式、板式、板

翘式、螺旋板式等。

管径。

：混合式换热器按用途分为以下几种类型：⑴冷却塔⑵洗涤塔⑶喷射式热交换器⑷混合式冷凝器a、冷却塔是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。b、洗涤塔是以液体与气体的直接接触来洗涤气体以达到所需要的目的，例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。c、喷射式热交换器是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，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。d、混合式冷凝器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，或循环使用，或就地排放。

（1）开放式冷却塔（2）风筒式自然冷却塔（3）鼓风逆流冷却塔（4）抽风逆流冷却塔、抽风横流冷却塔a、开放式冷却塔是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，水的散失比其它形式的冷却塔大。b、风筒式自然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，冷却效果较稳定。c、鼓风逆流冷却塔中空气是以鼓风机送入的形式，而抽风冷却塔中空气是以抽风机吸入的形式，鼓风冷却塔和抽风冷却塔冷却效果好，稳定可靠。

（1）淋水装置，又称填料，作用在于将进塔的热水尽可能的形成细小的水滴或水膜，增加水和空气的接触面积，延长接触时间，从而增进水气之间的热质交换。（2）配水系统，作用在于将热水均匀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。（3）通风筒：冷却塔的外壳气流的通道。

越高所具有的焓值也愈大，在表冷器减湿冷却中，推动总热质交换的动力是焓差，焓差越大，则换热能力就愈大。

随迎风面积Vy的增加而增加：随水流速w的增加而增加。析水系数ξ与被处理的空气的初状态和管内水温有关，所以二者改变也会引起传热系数Ks的变化。

总热交换量与由温差引起的热交换量的比值为析湿系数，用表示，定义为表示由于存在湿交换而增大了换热量，其值大小直接反映了表冷器上凝结水析出的多少。