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4 混合式熱交換器,混合式熱交換器是冷、熱流體直接接觸進行傳熱。這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側(cè)污垢的熱阻。只要流體間接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。 按用途分：1. 冷水塔（或稱冷卻塔）2. 氣體洗滌塔（或稱洗滌塔）3. 噴射式熱交換器 4. 混合式冷凝器,4.1 冷水塔,自然通風(fēng)冷卻塔,4.1.1 冷水塔的類型和構(gòu)造 冷卻塔通過熱水在塔內(nèi)噴淋，與周圍空氣進行熱交換 (包括顯熱交換和水蒸發(fā)潛熱交換)，使水溫度降低。,圖4.1 各種濕式冷水塔示意圖 1 配水系統(tǒng)；2 淋水裝置；3百葉窗；4 集水池； 5 空氣分配區(qū)；6 風(fēng)機；7 風(fēng)筒；8 收水器,濕式冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖,干式冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖,冷水塔，一般包括如下幾個主要部分： 1. 淋水裝置：又稱填料，作用在于將進塔的熱水盡可能形成細小的水滴或水膜，以增加水和空氣的接觸面積，延長接觸時間，增進水氣之間的熱質(zhì)交換。根據(jù)水呈現(xiàn)的形狀分為點滴式、薄膜式及點滴薄膜式三種。 2. 配水系統(tǒng)：將熱水均勻地分配到整個淋水面上，使淋水裝置發(fā)揮最大的冷卻能力。常用的有槽式、管式和池式三種。 3. 通風(fēng)筒：冷水塔的外殼，氣流的通道。作用在于創(chuàng)造良好的空氣動力條件，將濕熱空氣排出，減少或避免濕熱空氣回流。自然通風(fēng)冷水塔一般很高，有的達150 m以上；機械通風(fēng)冷水塔一般在10 m左右。,(a) 傾斜式 (b) 棋盤式 (c) 方格式 (d) 階梯式圖4.2 點滴式淋水裝置板條布置方式,圖4.3 薄膜式淋水裝置的四種結(jié)構(gòu),(a) 小間距平板淋水填料,(b) 石棉水泥板淋水填料,(c) 斜波交錯填料,(d) 蜂窩淋水填料,圖4.4 鉛絲水泥網(wǎng)板淋水裝置(單位:mm),圖4.5 槽式配水系統(tǒng),圖4.6 旋轉(zhuǎn)布水的管式配水系統(tǒng),圖4.7 池式配水系統(tǒng),1. 吸聲措施：吸聲材料及吸聲柵。 2. 減速裝置。 3. 電機。 4. 風(fēng)機。 5. 旋轉(zhuǎn)布水器：鋁合金或玻璃鋼布水管，裝有收水板，克服飄水現(xiàn)象。 6. 填料：改性PVC余波片，阻力小，阻燃。 7. 吸聲設(shè)施：吸聲材料及吸聲柵。 8. 支架。 9. 下塔體：可配溢水，排污，自動給水管。 10. 進風(fēng)窗。 11. 上塔體。,4.1.2 冷水塔的工作原理 水蒸發(fā)產(chǎn)生的傳熱量： Qβ = γ βp (p″ – p)Fγ—汽化潛熱，kJ/kg； βp—以分壓差表示的傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2.s.Pa) 水和空氣溫度不等導(dǎo)致接觸傳熱：Qα =α(t – θ)Fα—接觸傳熱的換熱系數(shù)，kW/(m2.℃) 當水溫高于氣溫時，Qβ 和Qα都是由水向空氣傳熱，水放出總熱量為：Q=Qβ +Qα → 水溫下降 當水溫下降到等于空氣溫度時，Qα =0這時Q=Qβ → 蒸發(fā)散熱Qβ仍在進行當水溫下降到低于氣溫時，Qα 為空氣流向水，水放出熱量為：Q=Qβ –Qα 當水溫下降到某一程度，空氣傳向水的Qα 等于水傳向空氣的Qβ，這時：Q=Qβ –Qα =0,★此時水溫為水的冷卻極限，此冷卻極限與空氣濕球溫度(τ)近似相等。水出口溫度越接近 τ，所需冷卻設(shè)備越龐大，故生產(chǎn)中要求冷卻后的水溫比 τ 高3~5 ℃。 水溫冷卻到極限 τ 時，Qα 和Qβ 之間的平衡可表示為：α(θ – τ)F = γ βp (pτ″ – p)Fpτ″ —溫度為 τ 時的飽和水蒸氣壓力，Pa； 為推導(dǎo)和計算方便，分壓力差可用含濕量差代替，βp以含濕量差表示的傳質(zhì)系數(shù) βx代替，故Qβ可寫成：Qβ = γ βx (x″ – x)F Qα 和Qβ 間的平衡：α(θ – τ)F = γ βx (xτ″ – x)Fβx —以含濕量差表示的傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2.s)；xτ″ —與 τ 相應(yīng)的飽和空氣含濕量，kg/kg；x—空氣的含濕量，kg/kg。,水在塔內(nèi)的接觸面積F：薄膜式中取決于填料的表面積；點滴式中取決于流體的自由表面積；具體確定此值十分困難。對某特定淋水裝置，一定量的淋水裝置體積相應(yīng)具有一定量的面積，稱為淋水裝置的比表面積，以α (m2/m3)表示。實際計算改用淋水裝置體積以及與體積相應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù) βxv 和換熱系數(shù) αv，于是：βxv= βx a，kg/(m3.s)；αv=α·a，kW/(m3.℃) 總傳熱量為：Q =αv (t – θ)V+ γ βxv (x″–x)V,1）邁克爾焓差方程 取逆流塔中某一微段dZ，設(shè)該微段內(nèi)的水氣分布均勻。 進入微段的總水量為L，其水溫為t+dt，經(jīng)熱質(zhì)交換，出水溫度為t，蒸發(fā)掉的水量為dL。 進入微段的空氣量為G，氣溫為 θ，含濕量為 x，焓為 i 。與水進行熱交換后溫度、含濕量及焓分別為θ+dθ、x+dx、i+di。 接觸傳熱與蒸發(fā)散熱量之和：,圖4.9 逆流式冷水塔中的冷卻過程,dQ=α(t–θ)αAdZ+γβx(x″–x)αAdZ,4.1.3 冷水塔的熱力計算,或：dQ=[(α/βx t+rx″) –(α/βxθ+rx)]βxaAdZ 式中：a—填料的比表面積，m2/m3； A—塔的橫截面積，m2； Z—塔內(nèi)填料高度，m； x″、x—水溫t下的飽和空氣含濕量及與水接觸的空氣含濕量，kg/kg。 代入：路易斯(Lewis)關(guān)系：α /βx =cx (cx為濕空氣比熱)含濕量x的濕空氣焓 ix =cx θ+rx，水面飽和空氣層 (溫度等于水溫t) 的焓 i″= cx t +rx″，得： dQ = βx (i″– i)aAdZ (4.6) 此即邁克爾焓差方程，表明塔內(nèi)任何部位水、氣間 交換的總熱量與該點水溫下飽和空氣焓 i″與該處 空氣焓 i之差成正比。該方程可視為能量擴散方程， 焓差正是這種擴散的推動力。,2) 水氣熱平衡方程 在沒有熱損失情況下，水所放出的熱量等于空氣 增加的熱量。微段dZ內(nèi)水所放出的熱為：dQ=Lc(t+dt) – (L–dL)c t =(Ldt+tdL)c (4.7) 其中c為水的比熱。而空氣在該微段吸收的熱為dQ=G di (4.8) 因而：G di = c(Ldt+tdL) (4.9) 式中右邊第1項為水溫降低 dt 放出熱量，第2項為 蒸發(fā)dL水量所帶走熱量，與第1項相比此項較小， 為簡化計算，將其影響考慮到第1項中，將第1項 乘以系數(shù)1/K，得：G di = c L dt /K (4.10)為該微段熱平衡方程,3) 計算冷水塔的基本方程 綜合邁克爾焓差方程(4.6)和熱平衡方程(4.10)：βx (i″– i)αAdZ=(cLdt) /K (4.17) 對此進行變量分離并加以積分：(4.18)式(4.18)是在邁克爾方程基礎(chǔ)上，以焓差為推動 力進行冷卻時，計算冷水塔的基本方程，若以N 代表該式的左邊，即：(4.19) 稱N為按溫度積分的冷卻數(shù)，簡稱冷卻數(shù)，它是 一個無量綱數(shù)。再以N′表示式(4.18)右邊部分：N′= βx α A Z /L (4.20),N′為冷水塔特性數(shù)，表示水溫從t1 降到t2 所需要的特征數(shù)數(shù)值，它代表著冷卻任務(wù)的大小。(i″–i)指水面飽和空氣層與外界空氣的焓之差，此值越小，水的散熱就越困難。所以它與外部空氣參數(shù)有關(guān)。 在氣量和水量之比相同時，N值越大，表示要求散發(fā)的熱量越多，所需淋水裝置的體積越大。 βx反映了淋水裝置的散熱能力，因而特性數(shù)反映了淋水塔所具有的冷卻能力，它與淋水裝置的構(gòu)造尺寸、散熱性能及水、氣流量有關(guān)。 冷水塔的設(shè)計計算，就是要求冷卻任務(wù)與冷卻能力相適應(yīng)，即N=N′，以保證冷卻任務(wù)的完成。,4) 冷卻數(shù)的確定,圖4.11 辛普遜積分法求冷卻數(shù),5) 特性數(shù)的確定 為使實際應(yīng)用方便，常將式(4.20)定義的特性數(shù)改寫成N′ = βxV V /L (4.25) 6) 換熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)的計算 在計算冷水塔時要求確定換熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)。假定 熱交換和質(zhì)交換的共同過程是在兩者之間的類比條件 得到滿足的情況下進行，由相似理論分析，換熱系數(shù) 和傳質(zhì)系數(shù)之間應(yīng)保持一定的比例關(guān)系。此比例關(guān)系 與路易斯關(guān)系式的結(jié)果一致。α /βx=cx 冷水塔計算中，cx 一般采用1.05 kJ/(kg.℃)。,圖4.15 氣水比及冷卻數(shù)的確定,7) 氣水比的確定 氣水比 (λ) 指冷卻每kg水所需的空氣數(shù)，氣水比越大， 冷水塔的冷卻能力越大，一般情況下可選 λ=0.8~1.5。 由于空氣焓i與λ有關(guān)，因而冷卻數(shù)也與λ有關(guān)。同時特性 數(shù)也與λ有關(guān)，因此要求被確定 的λ能使N=N′。 設(shè)幾個不同λ算出不同的冷卻 數(shù)N，作右圖的N~λ曲線。 在同一圖上作出填料特性曲線 N′~λ曲線，交點P所對應(yīng)的氣 水比 λP 就是所求的氣水比。 P點稱為冷水塔的工作點。,4.1.4 冷水塔的通風(fēng)阻力計算 求得阻力后選擇適當?shù)娘L(fēng)機 (對機械通風(fēng)冷卻塔) 或確定自然通風(fēng)冷卻塔的高度。 1) 機械通風(fēng)冷卻塔 空氣流動阻力包括由空氣進口之后經(jīng)過各個部位 的局部阻力。各部位的阻力系數(shù)常采用試驗數(shù)值 或利用經(jīng)驗公式計算。 2) 自然通風(fēng)冷水塔 自然通風(fēng)冷水塔的阻力必須等于它的抽力，由此 原則可確定空氣流速和塔筒高度。 抽力： Z = H0 g (ρ1 – ρ2) Pa (4.26) 阻力： ΔP = ξ ρm wm2 /2 Pa (4.27),表4.1 冷水塔各部位的局部阻力系數(shù),冷卻塔標準設(shè)計工況參數(shù)_國標7190—1997,冷卻塔參數(shù),工況：濕球溫度τ=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 冷水塔的設(shè)計計算[例4.1],4.2 噴射式熱交換器,4.2.1 噴射式熱交換器的一般問題 噴射式熱交換器是一種以熱交換為目的的噴射器，它和其他噴射器一樣，是使壓力、溫度不同的兩種流體相互混合，并在混合過程中進行能量交換的一種設(shè)備。 按照被混合的流體的不同，噴射式熱交換器中可以是汽－水之間的熱交換，水－水之間的熱交換，汽－汽之間的熱交換等等。主要部件有：工作噴管、引入室、混合室和擴散管。,圖4.18 噴射式熱交換器原理圖 A 工作噴管；B 引入室；C 混合室；D 擴散管,被引射流體質(zhì)量流量 噴射系數(shù) u =工作流體質(zhì)量流量,工作流體通過噴管的膨脹，使勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽院芨叩乃俣葟膰姽車姵?，并將壓力較低的流體(被引射流體)吸到引入室內(nèi)；工作流體與被引射流體混合后的混合流體速度漸趨均衡，動能相反地轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?，然后送給用戶。,噴射式熱交換器優(yōu)點：提高被引射流體壓力不直接 消耗機械能，結(jié)構(gòu)簡單。 水－水噴射式熱交換器可將高溫水與部分低溫水混合，得到一定溫度的混合水，供室內(nèi)采暖。 汽－汽噴射式熱交換器用來提高低壓廢氣的壓力，使工業(yè)廢氣得到回收，在凝結(jié)水回收系統(tǒng)中可借助它使二次蒸汽得以利用。 汽－水型和水－汽噴射式熱交換器都可作為一種緊湊的冷凝器來使用。尤其是水－汽型，用于制糖、乳品加工等，不僅可使蒸發(fā)裝置的二次蒸汽冷凝，還可制造真空排除少量的不凝性氣體。,噴射系數(shù) u＝Gh /Go Gh －被引射流體；Go －工作流體； Gg －混合流體,質(zhì)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 汽水噴射式熱交換器,圖4.19 汽水噴射式熱交換器工作原理,動量方程： φ2(Gowp+Ghwh)–(Go+Gh)w3=p3 f3+ pdf –(pp fp+ph fh) (4.35)Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面之間作用于混合室入口段的圓錐形壁面上的沖量積分為： pdf =ph(fp + fh – f3) 將上述假設(shè)代入式(4.35)，并考慮 u=Gh /Go，可得：φ2Gowp –(1+u)Gow3=f3(p3 – ph) (4.36) 水在混合室出口處的流速：w3=(1+u)Govg /f3 m/s (4.37) 混合室出口處混合水的絕對壓力：p3 =pg –φ32 w32/(2vg)， Pa (4.38) 式中：vg—混合水的比容，m3/kg；pg—擴散管出口混合水的絕對壓力，Pa；φ3—擴散管的速度系數(shù)。 噴管出口處的蒸汽流速：wp=φ1 m/s (4.39),kg/s (4.40),蒸汽通過縮擴噴管的最大流量：,將式(4.37)~(4.40)代入式 (4.36)，經(jīng)整理后得到汽－水 噴射式熱交換器的特性方程：pg – ph = φ1φ2 f1/f3 –(2–φ32)A vg(1+u)2(po/vo)(f1 /f3)2 (4.41),式中： ，對干飽和蒸汽，k=1.135，則A=0.202 pg –ph=Δpg，為蒸汽水噴射式熱交換器產(chǎn)生的壓力差即揚程。 根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值，推薦φ1=0.95，φ2=0.975，φ3=0.9。用于供熱系統(tǒng)， 可認為vg=vh=0.001 m3/kg，上式成為：(4.42),極限工作狀態(tài)及其計算 汽－水噴射式熱交換器中，噴射系數(shù)過小或過大都不能保證噴射器的正常工作。 噴射系數(shù)過小時，水溫可提高到混合室壓力相應(yīng)的飽和溫度，這樣會造成沒有足夠的水來凝結(jié)進入的蒸汽而使噴射器工作遭到破壞，這決定了最小噴射系統(tǒng)umin。 噴射系數(shù)過大時，被引射水的流量過多，混合室中的水溫要降低；同時混合室中水的流速增大，而水的壓力要降低。當水的流量增加到一定值時，混合室入口截面上的壓力p2要降到被加熱水溫 tg 相對應(yīng)的飽和壓力pb，而引起混合室中水的沸騰，這個狀態(tài)決定了最大噴射系數(shù)umax。 因此在設(shè)計噴射器時，應(yīng)該檢驗噴射系數(shù)是否在umin 和umax的范圍之內(nèi)。,混合室始端水壓 p2 取決于被引射水由于工作蒸汽 和被引射水之間的動量交換而獲得的速度。 可用伯努利方程確定：p2=ph –w22/(2φ42 vh)=ph–w22/(1.7vh) Pa (4.44) 式中：φ4—混合室入口段的速度系數(shù)，一般φ4=0.925； vh—被引射水的比容，m3/kg。 混合室入口處水的流速 w2值為：w2=vh(Go+Gh )/f3=(1+u) (Govh )/f3 m/s (4.45) 將式 (4.45) 代入式 (4.44) 得：p2=ph – (1+u)2 (Go2vh )/(1.7f32 ) Pa (4.46),噴管的流量Go也可寫成：kg/s (4.47) 于是：Pa (4.48) 以k=1.135，vh=0.001m3/kg代入，有：p2=ph –0.237*10-3 (po/vo) (f1/f3)2 (1+u)2 Pa (4.49) 按式(4.43)和(4.49)，可求出不同噴射系數(shù)時的tg和p2， 以及與tg相對應(yīng)的飽和壓力pb。將p2=f(u)及 pb=f(u) 繪于同一圖上，它們的交點即表示umax和umin， 具體解法見例4.2。,噴射器幾何尺寸的計算 噴管臨界直徑d1可由下式計算： mm (4.50)式中：v1—蒸汽在噴管中處于臨界壓力時的比容，m3/kg；i1—蒸汽在臨界壓力時的焓，kJ/kg。 噴管的出口面積： mm (4.51) 噴管出口直徑： mm (4.52)式中：vp—蒸汽在噴管出口壓力Pp時的比容，m3/kg。 噴管漸擴部分的長度： (4.53)其中θ為擴散角，一般取6~8° 混合室直徑d3，可由截面比f1 /f3 加以確定，其中 f1為噴管的臨界截面積： mm2 (4.54)混合室長Lh，一般取Lh=(6~10)d3,汽水噴射熱交換器的設(shè)計計算[例4.2],4.2.3 水水噴射式熱交換器,圖4.26 水水噴射式熱交換器的工作原理,動量方程 對圓筒形混合室而言，由截面Ⅱ—Ⅱ、Ⅲ—Ⅲ得到：φ2(Gowp +Ghw2)–(Go+Gh )w3=(p3 – p2) f3 (4.56) 認為工作流體與被引射流體在進混合室前不相混合，因而工作流體在混合室入口處所占面積與噴管出口面積 fp相等。該假定對 f3 /fp ≥4 時具有足夠的準確性。因而被引射流體在混合室入口截面上所占面積：f2 =f3 – fp 工作流體流量應(yīng)為：Go = φ1 fp (4.57) 由于引入室中被引射水流速wh和混合室流體出擴散管的流速wg都相對較低，可忽略。根據(jù)動量守恒，被引射流體在混合室入口截面處的壓力p2與混合流體在混合室出口截面處的壓力p3可表示為：,Pa (4.58)Pa (4.59) 水噴射器中，工作流體與被引射流體都是非彈性 流體，因而各截面處的水流速可用連續(xù)性方程：m/s (4.60)m/s (4.61)m/s (4.62),將以上各式代入式 (4.56)，經(jīng)整理可得到 水噴射器的特性方程式：,(4.63),式中：Δpg=pg – ph —水噴射器的揚程，Pa；Δpp=po –ph —工作流體在噴管內(nèi)的壓降，Pa。 Δpg /Δpp稱為噴射器的相對壓降。上式表明：當給定 u值，噴射器揚程與工作流體的可用壓降成正比。 在vg=vp=vh條件下，并取φ1=0.95，φ2=0.975，φ3=0.9，φ4=0.925時，特性方程簡化為：,(4.64),若將式中各截面比作如下變換：則式(4.64)變?yōu)椋?4.65) 可見，水噴射器的特性 ，而不決定于它 的絕對尺寸。如果絕對尺寸不同，但截面比 (f3 /fp) 相同，就具有相同的特性， 。因而，(f3 /fp) 是水噴射器的幾何相似參數(shù)。,最佳截面比與可達到的參數(shù) 選擇最佳截面比，以保證在工作流體壓降(Δpp)和噴射 系數(shù)(u)給定情況下，使它具有最大的揚程(Δpg)。 因為 ，最佳截面比可根據(jù)特性方程(4.65)求偏微分求得： 噴射系數(shù)u一定時，(Δpg /Δpp )是 ( f3 /fp)的一元函數(shù)，可以計算出最佳截面比 ( f3 /fp )zj以及可產(chǎn)生的最大相對壓降 (Δpg /Δpp)max， 見下表4.6,表4.6 (Δpg /Δpp)max、(f3 /fp )zj與u之間的關(guān)系,幾何尺寸的計算 噴管出口截面積由下式計算：m2 (4.66) 噴管出口截面與圓筒形混合室入口截面之間的最佳距離 Lc 為：Lc=(1.0~1.5) d3 (4.67) 式中：d3—圓筒形混合室的直徑，可根據(jù)(f3 /fp)zj及 fp求得 f3之后求出。 圓筒形混合室長度Lh，建議取Lh=(6~10) d3； 擴散管的擴散角，一般取θ=6~8°,4.3 混合式冷凝器 混合式冷凝器作用在于使蒸汽與冷卻水直接接觸過程中放出潛熱而被冷凝，這種冷凝方式只適用于冷凝液沒有回收價值或者對冷凝液純凈度要求不高的場合，例如單效或多效蒸發(fā)裝置二次蒸汽的冷凝。 混合式冷凝器的類型較多，現(xiàn)在廣泛使用的類型有如圖4.28所示的幾種。,圖4.28 混合式冷凝器的類型,