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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：用于
2、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。但是，
3、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)所示。用这种肋
4、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、空气调节工程以及其它
5、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。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以
6、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同优点是结构简单，消耗材料少
7、，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。喷水方向根据与空气流动方向相同
8、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：为了检修、清洗和防冻等目的，在底池的底部需设
9、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，然后沿挡水板下流到底池。,3.冷却塔的类型与结构(1)冷
10、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。在机械通风冷却塔中，如图中的(f)是空气以鼓风机送人
11、，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
12、，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。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
13、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
14、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
15、。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。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
16、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
17、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供给方式的不同，扩散式燃烧器又可分为自然引风式和强制鼓风式两种。a自然引风式扩散燃烧器，依靠内然抽力或扩散供给空气，燃烧前燃气与空气不进行预混。根据加热工艺需要可做成常见的不同形状管子组成的管式自然引风扩散燃烧器。,图6-14为直管式扩散燃烧器，它是一根钢管或钢管上钻有一
18、排火孔而制成；图6-15为排管式扩散燃烧器，他说由若干根钻打火孔的排管焊在一根集气管上所织成的；图616为涡旋管式扩散燃烧器，它是由若干根钻有火孔的祸卷形管子焊在一根集气管上所组成。,b鼓风式扩散燃烧器，燃气燃烧所需要的全部空气是靠鼓风机一次供给，但燃烧的燃气与空气并不实现完全预混，故此燃烧过程并不属于预混燃烧，而为扩散燃烧。根据其燃烧强化过程所采取的措施及加热工艺对火焰的要求可做成套管式、旋流式及平流式等多种鼓风式扩散燃烧器。图617为鼓风式套管扩教燃烧器，它足由大管和小管相会而成，且通常是燃气从中间小管流出，空气从管夹会小流出，并在火道或燃烧室内边混合边燃烧；图618为鼓风式导流叶片旋流扩
19、散燃烧器，它是由节流阀、导流叶片从燃气旋流器等所组成，且燃气燃烧所需空气经过导流叶片2形成旋流，并与中心孔口流出的燃气进行混合，然后经喷口4进入火道或燃烧室继续进行混合和燃烧。,2)热质传递原理及特点a扩散式燃烧器的热质传递原理视共燃烧器种类利加热工艺要求有所不同。如自然引风管式扩散燃烧器，当其火头敞开燃烧对上件加热和房间采暖时，其热质传递主要靠燃烧反应放出热量，使烟气热流体的质点宏观运功所引起对流传热对上件和室内空气进行加热；强制鼓风式扩散燃烧器，多安装在炉膛或燃烧室内，其热质传递主要靠前面所述的烟气热流体的对流传热，首先加热工件和炉壁而后炉壁的热能以电磁波形式传递能量，将热能转变为辐射能，
20、故此种工况的热质传递主要包含对流和辐射传热两种形式。当燃烧温度不高时，主要以对流传热为主；,b扩散式燃烧器的特点，依据燃烧器种类反加热工艺要求不向而有所区别：自然引风式扩散燃烧器的主要特点是：燃烧稳定，不会回火，运行可靠；结构简单，制造容易；操作简单，点火容易；可利用低压燃气、如燃气压力为200400Pa或更低时仍能正常工作；不需要鼓风。但燃烧强度低，火焰长，需要较大的燃烧室，并容易产生不完全燃烧，加之过剩空气系数较大，使燃烧温度低。故此种燃烧器适用于温度要求不高，但要求温度均匀、火焰稳定的场合。如用于沸水器、热水器、纺织业和食品业的加热设备及小型采暖锅炉等。强制鼓风式扩散燃烧器的持点是：与热
21、负荷相向的自然引风式燃烧器相比，其结构紧凑、体形轻巧、占地面积小；热负荷调节范洞大，调情系数一般大于5；可以预热空气或预热燃气：要求燃气压力较低。但需要鼓风、电耗大；火焰较长，燃烧室容积需用量大。故此种燃烧器主要用于各种工业炉及锅炉中。,2)热质传递原理及特点 大气式燃烧器多用于民用及公用的燃气用具；因此其热质传递原理主要以燃烧火焰的热流体的质点宏观运动靠对流传热方式首先将锅壁和器皿表壁进行加热，然后钢体和器具固内外壁面温差心进行能量迁移的分子导热来实现工艺要求的热质传递；当其燃烧火焰温度很高时，被加热的锅壁或炉灶可将热能转变为辐射能，伴仑对加热物品和环境进行辐射传热。此种工况对加热物品辐射传
22、热有利加热，但辐射能对环境的辐射传热将使热损失增加。,1)工作原理及构造 根据预混燃烧方法设汁制做的燃烧器称为大气式燃烧器，其一次空气系数：此种燃烧器燃气燃烧靠燃气自身能量吸人一次空气，并在引射器内相互混合。然后经头部火孔流出，进行燃烧。且一次空气系数a通常为0.450.75。大气式燃烧器由头部和引射器两部分组成，如图619所示。,(2)大气燃烧器,大气燃烧器的主要特点是：由于燃烧前燃气预混了燃烧所需的部分空气，因此比扩散式燃烧器的火焰短，火力强，燃烧温度高；可以燃烧不向性质的燃气，燃烧比较完全，烟气中CO含量较少，燃烧效率较高；一次空气靠燃气吸人和外销焰燃烧所需空气从大气中获得，即空气的获得
23、不需要鼓风设备。但由于只顶混了燃烧所需的部分空气，故火孔热强度及燃烧温度仍受到一定限制。,其构造由混合装置和头部两部分组成，根据燃烧器使用的压力、混合装置及头部结构的不同而有多种形式。不同的结构形式其工作原理也有所区别。图6-20为引射式单火道完全预混式燃烧器，它是由引射器、喷头及火道三部分组成。高(中)压燃气从喷嘴喷出，依靠自身的能量吸入然气燃烧所需的全部空气，并在引射器内混合。混合均匀的燃气-空气混合物经喷头进入火道，在赤热的火道壁面和高温回流烟气的稳焰作用下进行燃烧。图6-21为撞击式完全预混燃烧器，它是靠燃气-空气混合物与炉内赤热的耐火材料表面发生撞击而引起燃烧。,(3)完全预混式燃烧
24、器1)工作原理及构造 根据完全预混燃烧方法设计制做的燃烧器称为完全预混式燃烧器。此种燃烧器在燃烧之前燃气与空气实现完全预混，即过剩空气系数:,2)热质传递原理及特点 由于完全预混合式燃烧器有不同的结构形式，故热质传递原理也是有别的。火道式完全预混燃烧器，由于可燃混合物的加热、着火和燃烧均在火道内进行，燃烧产生的高温回流烟气不仅将从引射器送来的混合气加热，而且更重要的是高温烟气靠对流传热将火道壁加热。当火道壁面温度上升至9001000时，热能将转变为辐射能，靠两固体间的辐射传热方式实现了使不希望火焰与工件直接接触的无焰加热工艺。被加热工件内部是靠分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而将整个工件
25、加热均匀。可见，此种燃烧器对加热工件的热质传递过程其有对流、辐射、传导三种方式，当火道温度高出9001000时，辐射传热的方式是热质传递的主体。撞击式完全预混燃烧器，由于靠燃气-空气混合物与炉内亦热的耐火材料表面发生撞击而引起燃烧，燃烧产生的高温烟气流首先靠对流传热方式使炉内耐火材料温度进一步升高，同时也加热炉内工件和炉壁。当其炉内耐火材料、炉壁被加热至9001000时，使炉内工件在辐射传热及工件内部自身的热传导过程中，实现了整个工件加热的均匀性。至于此种燃烧器热质传送过程的三种方式，其传热方式的主体应视炉内炉气温度及加热丁艺要求所确定。,当用于工业炉内直接加热工件时，不会引起工件过分氧化，产
26、品质量好；燃烧温度高，容易满足高温加热工艺要求；燃烧热强度大，可缩小燃烧空容积；火道式完全预沏燃烧器，能燃烧低热位燃气。但要求燃气热值和密度稳定；燃烧时发生回火的可能性大，而且调节范围较小；对于热负荷大的燃烧器，结构庞大而笨重；高压和高负荷时噪声较大。故此种燃烧器主要应用在工业加热装置上。,完全预混式燃烧器无论其结构形式的不同，均有共同的主要特点：燃烧完全，化学不完全燃烧物极少；过剩空气系数较小，,(4)其它类型的燃气燃烧器为了满足不同加热工艺的需要，人们还设计了各种各样的新型燃气燃烧器：1)平面火焰燃烧器，人们习惯称平焰燃烧器。此种燃烧器有各种各样的形式，常见的有引射型平焰燃烧器、双旋平焰燃
27、烧器及螺旋时片平焰燃烧器等。图6-22为引射型平焰燃烧器，它是由引射器、喷头及梅花型火道砖所组成。燃气经喷嘴吸入一次空气，混合后经喷头夹条形火孔流出，而二次空气依靠炉内负压吸入，在火孔出口处与燃气相遇，二者边混合边进入梅花型火道砖内进行燃烧。图623为双旋平焰燃烧器，它是由旋流器及火道两部分组成。空气和燃气经旋流器呈旋流向前流动，二者经强烈混合后进入喇叭形火道开始燃烧，在火道出口处旋转气流在离心力及烟气流的作用下向四周扩散而形成平面火焰。图6-24为螺旋叶片平焰燃烧器，它是由螺旋叶片、喷头及火道等所组成。空气经过螺旋叶片产生旋转，燃气从径向喷孔射人空气旋流中，在旋流中二者进行强烈混合后进入喇叭
28、形火道开始燃烧而形成平面火焰。,采用平焰燃烧器的加热炉，出于平焰的形成过程与烟气的扩展流动均是沿着炉壁内表面进行的，灼热的平面火焰及热烟气对炉壁的对流传热比普通直焰炉强烈得多。同时，平焰勺炉壁直接接触，对炉壁的辐射传热也比么焰炉强烈。因此，在加热过程中，炉壁温度提高很快，炉温也随之决速升高。当炉温1000时，整个炉内的辐射传热更加明显。据文献8第三章介绍，在高温的平焰炉中，对流传热在总传热量中不足5，而辐射传热占总传热量的95%以上。另外，从平焰炉加热工件的热质传递过程分析得知，在整个加热过程中包含着炉气对炉壁的辐射和对流传热、炉壁对炉气和工件的辐射传热、工件对炉壁的辐射传热、炉壁的自身辐射及
29、炉墙对大气的辐射散热。可见，辐射传热足平焰炉的传热主体。平焰燃烧器无论其结构形式的不同，燃烧过程中形成平面火焰是共同的，故共主要特点是：加热均匀，防止局部过热，可提高加热质量和加热速度；炉子升温及物料加热速度快，可提高质量；平面火焰离受热工件的距离比一般火焰小得多，因此加热快、节能效果好；烟气中NOx含量较其它火焰少；燃烧稳定，噪声小。但平焰燃烧器制造、安装技术要求高，在工业炉上布置方位受限制。因此，它主要用于钢铁及机械工业的加热炉上，也可用于玻璃、陶瓷及化工等工业窑炉上。,2)浸没式燃烧器 它是根据浸没燃烧原理设计制作的一种液体加热燃烧器。图625所示为浸没燃烧热水炉，它是由燃烧器、鼓泡管及
30、水槽三部分组成。而燃烧器为浸没式，它是由混合室、喷头及火道组成。火道出口与鼓泡管连接，鼓泡管置于液体当小。燃气燃烧产生的烟气经过鼓泡管上的小孔直接喷入液体，将液体加热。图626所不为浸没燃烧浓缩溶液设备，它是出燃烧器、简体、排烟管、除沫器、鼓泡管及溢流管等所组成。其工作原理与浸没燃烧热水炉基本相同，是通过加热蒸发水分，将稀溶液浓缩成浓溶液。,从上述的两种浸没燃烧装置的工作原理可看出，浸没燃烧法的燃烧过程属于无焰燃烧，而其传热过程中属于直接接触的传热。在浸没燃烧加热与蒸发过程中，包括了流体力学过程、传热过程和传质过程：其中传质过程足指蒸汽通过气泡表面进行的扩散过程，义扩散速率(蒸发达率)可用式(
31、61)计算：,式中 Q总传热量；QW间接传热量；QB直接传热量。且传热过程的传热量Q亦可用传热速率式计算。,式中 Q单位时间内的传热量，W；K传热系数，W(m2)；t g 气相温度，；t l 液相温度，。F传热面积，m2。,浸没燃烧器的主要特点是：气液两相直接接触时所形成的无数气泡表面就是传热传质面，故传热传质面大，加之气泡在水(或溶液)中强烈扰动，使换热系数增大，可提高加热设备的热效率和蒸发放率，节能效果好。在浸没燃烧设备中，气空间系烟气与溶液蒸汽共存，溶液蒸汽分压力低于大气压力，可使溶液沸点下降，对蒸发、浓缩溶液工艺有利；浸在溶液中的只有鼓泡管，不需要加热面，可节约大量贵重金属。但浸没燃烧
32、要求较高的燃气、空气压力，电耗大、点火困难、噪声较大。故浸泡燃烧设备在液体加热和蒸发上得到广泛应用尤其适用于腐蚀性强、易结晶、粘稠和泡沫多的液体浓缩和蒸发。,3)催化燃烧器 它是根据催化燃烧原理制做的一种无焰燃烧器，根据空气供给方式不同分为扩散式利引射式两种结构型式。图627为扩散式催化无焰燃烧器，它的结构主要内燃气分配管、辐射器及镀有催化剂的燃烧板(辐射板)等所组成；其工作原理是：燃气经过燃气分配管上的小孔进入辐射器，然后均匀地流向燃烧板，燃烧所需的氧气借助扩散作用出周围大气流向燃烧板，点火器，在催化剂燃烧板下进行催化燃烧反应，催化作用的结果，使燃烧反应在较低的温度下(400左右)进行，以实
33、现加热工艺要求的燃烧板温度。可见，上述的催化燃烧过程包括了燃料燃烧及热量传递两个方面，即燃气和空气不断地流向燃烧板面进行催化燃烧；燃烧板面连续地进行低温热辐射将燃烧产生的热量传给各种被加热物体；图628为引射式催化无焰燃烧器，其结构比扩散式催化无焰燃烧器多了引射系统，其工作原理和热质传递过程与扩散式无焰燃烧器基本相同，不同之处是在燃烧板上进行的催化燃烧是预混式，故此燃烧器是一种预混式催化火焰燃烧器。它的燃烧温度比扩散式高。,催化燃烧板是催化燃烧器的关键部件，它是出特殊材料制成的多孔板，又是催化燃烧器热量传递的辐射面；催化燃烧器的主要特点是：燃烧温度低(扩散式一般在400以下、引射式在500以上
34、)；催化燃烧几乎看不见火焰，可将燃烧器接近被加热物体，可缩短加热时间，提高产品产量；催化燃烧板面温度均匀，可保证加热质量；燃烧完全烟气中氮氧化物(NOx)含量低。,4)脉冲燃烧器 它是一种节能高效低污染的新型燃烧器，如图629为脉冲燃烧器示意图。它主要由燃烧室、点火器、稳焰器及共振管等所组成。燃烧过程是：燃气和空气进入燃烧室，用电火花点火；开始燃烧后，出于气体膨胀、压力升高使进气阀关闭，同时推动烟气通过共振管而排出；由于惯性作用使燃烧室形成低压而将进气阀打开使燃气和空气吸人；混合气体被前一循环产生的热量点燃，燃烧继续新的循环，以后就不需要电火花点火了。,脉冲燃烧器主要有三种类型：燃气和空气通过
35、调节装置调节，燃气燃烧时关闭进口，烟气排出结束时再打开；燃烧室设置单独的进气、排气口，燃烧过程的进气、排气没有自动调节装置，气流方向通过选择管道的截面积和长度来控制；燃烧室只开一个口，交替作为进气、排气口。图630所示的为第一种类型。,脉冲燃烧器可使用气体燃料、液体燃料和固体燃料、燃气和空气可通过各种型式的阀门进入燃烧室。液体燃料利固体燃料可直接喷人燃烧室，也可随空气进入燃烧室。脉冲燃烧器的主要特点是：结构简单，容易制造；燃烧过程近乎定容燃烧，反应浓度高，燃烧强度高；燃烧过得的排烟速度是波动的，从而提高广传热系数，通常比稳定流态传热系数提高倍，相应地可减少换热器的传热面；燃烧室中，产生的压力，
36、使烟气以较高速度流过排气管，换热器管的管长与直径的比值高，可提高换热器的传热效率：尽管在进、排气口安装消卢器和贴内衬等消声措施，仍不能完令控制噪声，使应用受到了一定限制，但使用仍十分广泛，比如燃烧的热能转变为推力、可作推进器、垂直提升装置的动力能源；燃烧的热量可将液体加热应用于热水采暖装置、蒸汽发生装置等；燃烧产生的热量可将空气直接或均接加热应用于住宅采暖、车辆采暖、物料的干燥装置、烘干装置等中：可见，脉冲燃烧器也是有着广泛应用前景的。因此，脉冲燃烧器在不同的应用环境中，根据其加热工艺的要求，热质的传递过程和方式也会有所不同的。,2 液体燃料燃烧器根据燃烧器的结构和燃烧方式的不同，液体燃料的燃
37、烧器种类繁多，下面仅介绍几种常见的燃烧器：(1)双筒型煤油燃烧器1)构造及工作原理 它是根据灯芯燃烧方式设计制做的家用小型煤油燃烧器，人们常称煤油加热炉。此种燃烧器主要由贮油器和燃烧系统(包括内、外焰简和灯芯)等所组成。如图6-31所示为双筒型煤油燃烧器(燃烧系统结构示意图)。燃料油(煤油)靠毛细管作用不断地从贮油器白下而上吸到灯芯的上端末，燃烧所需空气的供给大多采用自然风中获取。2)热质传递过程原理及特点 灯芯式煤油燃烧器，在整个燃烧过程中首先经历着燃料油靠流体表面张力形成的毛细管作用进行传质过程；燃油吸到灯芯顶，由于对流和辐射，从火焰向着灯芯传热而产生燃油蒸汽。与此同时，燃烧所需的空气，也
38、向火焰扩散而形成扩散式燃烧火焰。燃烧产生的热量借助烟气流主要以对流传热的方式将锅壁加热。故此种燃烧器也具有扩散式燃烧火焰加热的主要特点：燃烧稳定、不会回火、运行可靠。但燃烧热强度低，容易产生不完全燃烧，甚至还会在灯芯顶处生成炭黑恶化燃烧工况。,(2)釜式燃烧器1)构造和工作原理 它是根据液面燃烧方式设计制烦的一种燃料油釜式燃烧器。此种燃烧器卞要内供油系统(贮油罐和油阀)和燃烧釜所组成。图632所示的燃烧器结构示意图。燃烧前靠供油系统不断地将燃料油送入燃烧釜下部，靠辐射和对流从附近传热到液面上部而使燃料油蒸发为油蒸气，与来自上部空间的空气向液面火焰扩散而进行扩散式燃烧。,2)热质传递原理及特点
39、燃油釜式燃烧器的燃烧过程足典型的液面燃烧方式。在整个燃烧过程中，有燃料油靠火焰辐射和对流的传热方式将燃料油蒸发变成油蒸气的热质传递过程；有空气向液面火焰扩散而形成的扩散式燃烧火焰。可见，整个燃烧过程中由燃烧而产生的热量，靠对流、辐射及传导方式将物品加热和向用围环境散热。且具有扩散式燃烧火焰加热物品的共同特点。,(3)蒸发燃烧器1)构造及工作原理 它是根据燃油的蒸发燃烧方式设计制做的一种燃油燃烧器，通常以燃烧油供给的压力不同而有普通型和加压型两种蒸发燃烧器之分。图633为加压式蒸发燃烧器，它主要由燃油供给系统(贮油箱和油阀)和燃烧系统(蒸发管和火头)两部分组成；燃料油用空气泵加压，使其从燃油箱中
40、输往燃烧器。出于燃料油在输送途中有火焰的加热，使其在蒸发管中蒸发，由此产生的燃油蒸气，在燃烧器火头处与自然风中的氧边混合边进行扩散式燃烧；少量油蒸气也会在输送中被冷凝，由燃烧器底设置的旋塞定期排除。,2)热质传递原理及特点 从加压式蒸发燃烧器整个燃烧过程中的热质传递分析看出：燃料油蒸发为油蒸气，首先是燃烧形成的扩散式火焰热流，以对流和辐射方式将蒸发管外壁面加热，然后靠热传导使管壁内、外面的温度梯度减小，即圆筒壁的热传导。在此基础上，蒸发管内的燃料油与管内壁主要以对流方式进行传热，当燃油温度高于其沸点后，燃油就变成了油蒸气。油蒸气输送到火头处与向焰面扩散的自然风中的氧边混合边燃烧而形成扩散式燃烧
41、火焰。至于燃烧产生的热量(除蒸发燃料油外)又以何种方式进行热质传递，应视被加热物品的加热工艺要求所确定。,(4)燃油喷雾燃烧器1)构造和工作原理 它是根据液体燃料(或燃油)以喷雾燃烧方式设计制做的一种燃油燃烧器。由于燃油可采用不同的雾化方法，故所以能制做多形式结构的燃油喷雾燃烧器。燃油喷雾燃烧器主要由燃油雾化器和调风器等所组成。图634所示为AW型燃油燃烧器，它主要由雾化器(转杯)和调风器(风机一一次风叶轮、二次风叶轮)等所组成。启动燃油齿轮泵，将燃料油经进油管进入雾化器，靠转杯的旋转将燃料油雾化成无数细小的微滴，并以一定的雾化角经喷嘴喷人炉内，与经过调风器送入的具有一定形状和速度的空气流相混
42、合而燃烧。在整个燃烧过程中，油雾化器与调风器的配合应能保证燃烧所需的大部分空气(一次风)及时地从火焰根部供入，并使火焰各处的配风量气油雾的流量密度分布相适应。同时也要向火炬尾部供应一定量的空气(二次风)，以保证炭黑和焦粒的燃烬。,2)热质传递分析与特点 以AW型燃燃烧器为例，它是靠转杯旋转实现燃油喷雾燃烧的，从整个燃烧过程热质传递分析看出：此燃烧过程是由液体燃料的雾化、喷雾油滴与空气的混合、油滴的蒸发及燃烧共四个单元过程所组成。油滴的燃烧实际上是油滴吸热蒸发出来的油蒸气与调风器送来的空气靠相互的扩散传质混合后进行燃烧的。燃烧放出的热量，使炉气和炉壁加热，在锅炉炉膛内又主要以高温烟气(炉气)和炉
43、壁的辐射传热方式将锅炉加热，以实现加热工艺的设计要求。,2)热质传递分析与特点 以AW型燃燃烧器为例，它是靠转杯旋转实现燃油喷雾燃烧的，从整个燃烧过程热质传递分析看出：此燃烧过程是由液体燃料的雾化、喷雾油滴与空气的混合、油滴的蒸发及燃烧共四个单元过程所组成。燃油的雾化是液体喷流的力学现象；喷雾的油滴与空气的混合，既是流体的流动过程，又是二流体的传质过程；油滴的蒸发是吸热的传热过程，即喷入炉内的微细油滴靠炉气(烟气)和炉壁的对流和辐射方式传热使油滴蒸发为油蒸气：油滴的燃烧实际上是油滴吸热蒸发出来的油蒸气与调风器送来的空气靠相互的扩散传质混合后进行燃烧的。燃烧放出的热量，使炉气和炉壁加热，在锅炉炉
44、膛内又主要以高温烟气(炉气)和炉壁的辐射传热方式将锅炉加热，以实现加热工艺的设计要求。,燃油喷雾燃烧器的主要特点是：应用范围广，如AW型系列燃油燃烧器可用于不同控制方式、不同燃烧方法的各类工业锅炉、工业窑炉、热水炉及热风炉等；雾化性能灯，燃烧较完全，燃烧效率大于95，具有较好的节能降污效果；运行安全可靠，控制功能齐备。但操作中严格要求燃油的雾化与调风配合适宜，否则会恶化燃烧。,第二节 间壁式热质交换设备的热工计算,如前所述，间壁式换热器的类型很多，从其热工计算的方法和步骤来看，实质上大同小异。下面即以本专业领域使用较广的、显热交换和浴热交换可以同时发生的表面式冷却器为例，详细说明其具体的计算方
45、法。别的话如加热器、冷凝器、散热器等问壁式换热器的热工计算方法，本节给予概略介绍。,一 总传热系数与总传热热阻,对于换热器的分析与计算来说，决定总传热系数是最基本但也是最不容易的。回忆传热学的内容，对于第三类边界条件下的传热问题，总传热系数可以用一个类似于定律的表达式来定义，即,式中的 是总温差。总传热系数与总热阻成反比，即,式中 换热面积为A时的总传热热阻，/W。,其中,应该注意，公式(66)至(68)仅适用于清洁表面。通常的换热器在运行时，由于流体的杂质、生锈或是流体与壁面材料之间的其他反应，换热表面常常会被污染。表面上沉积的膜或是垢层会大大增加流体之间的传热阻力。这种影响可以引进一个附加
46、热阻来处理，这个热阻就称为污垢热阻。,如果两种流体被一管壁所隔开，由传热学知，其单位管长的总热阻为,单位管长的内外表面积分别为，此时传热系数具有如下形式,对内表面,对外表面,把管子内、外表面的污垢热阻包括进去之后，对于外表面，总传热系数可表示为,对于平壁，考虑其两侧的污垢热阻后，总热阻为,对于内表面则为,知道了 以后，就可以确定总传热系数，其中的对流换热系数可以内以前传热学中给出的有关传热关系式求得。应注意，公式(6-9)-(6-11)中壁面的传导热阻项是可以忽略的，这是因为通常采用的都是材料的导热系数很高的薄壁。此外，经常出现某一项对流换热热阻比其它项大得多的情况，这时它对总传热系数起支配作
47、用。,总传热热阻中的对流换热热阻和污垢热阻可以通过实验的方法求得。以管壳式换热器为例，传热系数可写成,式中及Rw、Rf分别表示管壁与污垢的热阻。以管内流体的流动处于旺盛紊流区为例，对流换热系数hi与流速u的0.8次方成正比，即,其中Ci为比例系数,在实验时，保持h0不变(只要使壳侧流体的流量和平均温度基本不变即可)，Rw是不变的，Rf在实验中一般变化不大，这样式(3)就可表示成,式(4)是一个yb+mX的直线方程，y1/k0，,，将不同管内流速时测得的传热系数画在坐标图上，求出通过这些试验点的直线的斜率m，则,这样根据式(5)，管程侧流体的换热系数就可按式(2)计算求得,如已知Rw和Rf，则壳
48、侧换热系数h0可由图635中直线的截距求得。也可保持管程hi不变，改变壳侧流量后，用类似的方法求得。这种方法称为威尔逊图解法。威尔逊图解还可用来测定污垢热阻。在换热器全新或经过清洗后，作上述试验并用威尔逊图解画出直线l(图6-35)。经过一段时间运行后，在保持壳侧工况与上次试验相同的条件下截距之差就是总污垢热阻的数值。,1 换热器热工计算的基本公式 换热器热工计算的基本公式为传热方程式和热平衡方程式。(1)传热方程式 式中，为换热器的平均温差，是整个换热面上冷热流体温差的平均值。它是考虑冷热两流体沿传热面进行换热时，其温度沿流动方向不断变化，故温度差也是不断变化的。它不能像计算房屋的培体的热损
49、失或热管道的热损失等时，都把其作为一个定值来处理。换热器的平均温差的数值，与冷、热流体的相对流向及换热器的结构型式有关。,二 常用计算方法,式中 Gl，G2热、冷流体的质量流量，kg/s；cl，c2热、冷流体的比热，J(kg)；,即各项温度的角标意义为：“1”是指热流体，“2”是指冷流体；“”指进口端温度，“”指出口端温度。,(2)热平衡方程式,cl，c2热、冷流体的热容量，W/。,应用对数平均温差法计算的基本计算公式如式(612)所示，式中平均温差对于顺流和逆流换热器，由传热学可得，均为,称为对数平均温差(简称LMTDLogarithmic Mean Temperature Differen
50、ce)。,分别为换热器两端的冷、热流体温度差。,由于温差随换热面变化是指数曲线，顺流与逆流相比，顺流时温差变化较显著，而逆流时温差变化较平缓，故在相同的进出口的温度下，逆流比顺流平均温差大。此外，顺流时冷流体的出口温度必然低于热流体的出口温度，而逆流则不受此限制。故工程上换热器一般都尽可能采用逆流布置。逆流换热器的缺点是高温部分集中在换热器一端。,2 对数平均温差法,除顺流、逆流外，根据流体在换热器中的安排，还有交叉流、混合流等。对于这些其它流动形式的平均温差，通常都把推导结果整理成温差修正系数因，计算时，先一律按逆流方式计算出对数平均温差，然后按流动方式乘以温差修正系数。,用对数平均温差计算
