水和空气热交换总结
水和，水在不同保温措施下的散热速率，水在不同温度下的散热速率在电热水器的应用总结
传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。
根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：传导、对流和热辐射。热传导又称导热，若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。热传导的条件是系统两部分之间存在温度差，此时热量将从高温部分传向低温部分，或从高温物体传向与它接触的低温物体，直至整个物体的各部分温度相等为止。热传导在固体、液体、和气体中均可进行。
热对流，流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程，简称对流。热对流仅发生在流体中。在流体中产生对流的原因有二：一是因流体中各处的温度不同而引起密度的差别，使轻者上浮，重者下沉，流体质点产生相对位移，这种称为自然对流；而是因泵（风机）或搅拌等外力所致的指点强制运动，这种称为强制对流。在传热过程中，常常遇到的并非单纯对流方式，而是流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，即是热由流体传到固体表面的过程，通常称为对流传热。对流传热的特点是靠近壁面附近的流体层依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式传热。可见，对流传热与流体流动状况密切相关。虽然热对流是一种基本的传热方式，但是由于热对流总伴随着热传导，要将两者分开处理是困难的，因此一般并不讨论单纯的热对流，而是着重讨论具有实际意义的对流传热。
热辐射，因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。所有物体（包括固体、液体、气体）都能将热量以电磁波形式发射出去，而不需要任何介质，也就是说它可以在真空中传播。自然界中一切物体都在不停地向外发射辐射能，同时又不断地吸收来自其他物体的辐射能，并将其转变为热能。由于高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传向低温物体。
当未饱和空气和自由水水面相接触时，由于自由水面的水蒸气分压力比未饱和空气的水蒸气分压力高，于是产生液面水汽蒸发。水分蒸发成水汽时，要吸收大量的显热，就导致空气温度下降，整个过程是空气中的显热量转变成水汽的潜热量的一种热交换。
饱和蒸汽分压力大的高温水分子向低压力的空气流动，当水和空气接触时，一方面由于空气和水的直接传热，另一方面由于水蒸气表面和空气之间存在压力差，在压力的作用下产生蒸发现象，将水中的热量带走。也就是水和空气之间明显存在着水分子的浓度差和动能压力差，水分子不断地向空气蒸发，成为水蒸汽分子，剩余的水分子的平均动能就会降低，从而使水的温度下降。可以看出，蒸发降温与空气的温度（通常说的干球温度）低于或高于水温无关，只要水分子能不断地向空气中蒸发，水温就会降低。但是，水向空气中的蒸发不会无休止地进行下去。当与水接触的空气不饱和时，水分子不断地向空气中蒸发，但当水气接触面上的空气达到饱和时，水分子就蒸发不出去，而是处于一种动平衡状态。蒸发出去的水分子数量等于从空气中返回到水中的水分子的数量，水温保持不变。由此可以看出，与水接触的空气越干燥，蒸发就越容易进行，水温就容易降低。
传导速率的公式来源如下：
以三层圆筒璧的热传导推导多层壁的热传导，三层壁圆筒如下图1-1所示：假设各层间接触良好，各层的导热系数分别为l1、l2、l3，厚度分别为b1=(r2-r1)、b2=(r3-r2)、b1=(r4-r3)。若将串联热阻的概念应用于Q=Sml(t1-t2)=Sml(t1-t2)（1-1）
br2-r1
，则三层圆筒的导热热速率方程式为：
Dt+Dt+DtQ=123（1-2）
b3b1b2++l1Sm1l2Sm2l3Sm3
2pL(r2-r1)2pL(r3-r2)式中Sm1=,Sm2=,r2r3lnln
r1r2
S=2pL(r4-r3)m3rln4r32pL(t1-t2)2pL(t1-t4)同理，由式Q=r可得：Q=1r1r21r4（1-3）23lnln+ln+lnr1l1r1l2r2l3r3t1-tn+1Q=对n层圆筒璧，热量传导速率方程式为：nbi（1-4）
i=1liSmiC;不锈钢的导热系数：0C：（搪瓷的导热系数：0.8273~1.163W/m×
16.28W/m×C，100C：17.45W/m×C）
对圆筒璧的稳态热传导，通过各层的热传导速率都是相同的。
热水器保温水箱由内胆、保温层、水箱外壳三部分组成。水箱内胆是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要。市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层保温材料的好坏直接关系着热效率和晚间清晨的使用，在寒冷的东北尤其重要。目前较好的保温方式是进口聚氨脂整体自动化发泡工艺保温。外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。
当我们知道各层的导热系数l，我们就能利用公式（1-4）知道不同材质的散热速率，以及在不同的保温措施下的散热速率。当然可以通过公式计算得出热水器保温水箱的散热速率。
以下列举热水器产品的一些参数和规律。
史密斯热水器：42度左右最节能，用水量大或家庭多人洗浴时将加热温度设为最高75度，或者提前一小时或一个半小时加热。内胆：金桂内胆（史密斯专利），保温层：无氟聚氨脂，外壳：工程塑料。型号：CEWH-PEZ6
a.MAX双模2合1系统速热/储热2合1，即开即洗，多倍量热水b.金圭特护加热棒
c.中温保温,更聪明更节能的保温方法d.洗浴时段定时，热水无需等待e.即时加热,使用更灵智
f.低功率加热,用电高峰期避免家中电器同时启动造成的电表负荷大而跳闸g.控制器自动休眠，仍显示关键信息，便捷又节能h.超厚保温层，高效又节能
i.断电记忆功能,避免重设（时钟除外）j.无线遥控,掌控热水生活k.全彩高清LED显示屏
l.额定最大功率3000W，201*W/3000W可调m.设定温度范围（℃）：35-75n.额定水压（Mpa）：0.8
海尔电热水器：40-45度最节能，使用可以耐压的内胆，在内胆上安装加热部件和温控部件，使用加热管对内胆的水加热，到达设定温度后，温控部件会自动切断电源。使用时利用自来水的压力将内胆的热水压出，通过混合阀调节适合自己的水温进行洗浴。
（1）型号：A5隐藏储热式40升电热水器FCD-HX40CI(E)
a.中温保温：
b.使温度维持在38-40度之间，避免反复加热，缩短加热的时间c.镁棒、内胆钢板、搪瓷粉末d.加热方式：双管加热e.最高温度(℃)75f.英格莱800不锈钢加热管
（2）型号：博睿变频增容100升电热水器ES100H-B3(E)a.快速热水，随需而变
b.速热/储热二合一技术，一人洗浴时，选择半胆速热，既提升了加热速度，又避免了加热整胆水造成的浪费；全家人洗浴时，选择整胆加热，热水源源不断。
变频增容，大幅提升出热水量
c.在速热/储热二合一技术基础之上，特别搭载“双核接力”加热系统。两根加热体分别对上层水位和下层水位交替循环预热，热量在内胆里充分释放，大幅提升出热水量，让您想洗多久就洗多久。d.绿色环保畅享低碳生活。
e.中温保温:40℃临界保温，更节能，既免去反复加热的浪费，又缩短了再次加热的时间，满足您省时省电的双重需求。
美的电储热水器：内胆：搪瓷，保温层：聚氨脂，水箱外壳：钢板，当多人洗浴或用水量大的时候可将温度设定在最高温度，高端产品也可设置为一人洗浴或多人洗浴，控制系统能自行控制水温。室温30度时，每隔一小时水温下降1-1.5度。
（1）型号：D30L
a.速热产品，3000W加热，只需等待10.5分钟即可享受温暖沐浴（进水温
度25度情况下）；
b.蓝钻内胆，抗爆、抗溶、抗酸，使用寿命长，经久耐用c.全自动控制：自动补充冷水，自动加热；
d.采用防干烧、防超温、防漏电、防高水压等多重保护装置以及IP×4级
防水设计，安全有保障；
e.超长低热负荷发热管，使用寿命更长(2)型号：F16C（数显）
a.四位数码管显示产品，大功率1650W；
b.节能设计：中温保温/夜电技术/预约定时，三大节能保证；电量显示，洗
浴用电量一目了然，节能省电看得见；加厚聚氨脂整体发泡技术，保温节能效果更好；
蓝钻内胆，抗爆、抗溶、抗酸，使用寿命长，经久耐用；
安全预警：专利防电墙技术，彻底解决各类环境漏电问题，监控用电环境，时刻确保洗浴安全；
全自动控制：自动补充冷水，自动加热；配用优质温度控制器，工作可靠，控温准确；
采用防干烧、防超温、防漏电、防高水压等多重保护装置以及IP×4级防水设计，安全有保障；
c.d.e.f.g.
扩展阅读：热质交换原理与设备知识点考题
填空题
1、有空气和氨组成的混合气体，压力为2个标准大气压，温度为273K，则空气向氨的扩散系数是1。405*10-5m2/s。
有空气和氨组成的混合气体，压力为4个标准大气压，温度为273K，则空气向氨的扩散系数是m2/s。
2、有一空气和二氧化碳组成的混合物，压力为3个标准大气压，温度为0℃，则此混合物中空气的质扩散系数为0.547*10m/s。
3、喷雾室是以实现雾和空气在直接接触条件下的热湿交换。
4、当表冷器的表面温度低于空气的露点湿度时，就会产生减湿冷却过程。5、某一组分的速度与整体流动的平均速度之差，成为该组分的扩散速度。2、冷凝器的类型可以分为水冷式,空气冷却式(或称风冷式)和蒸发式三种类型.
3、根据冷却介质的不同，冷凝器可以分为、和三类。（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。）3、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4、冰蓄冷空调可以实现电力负荷的调峰填谷(均衡)。
5、吸附式制冷系统中的脱附吸附循环装置代替了蒸汽制冷系统中的压缩机装置。
6、刘伊斯关系式文中叙述为h/hmad=Cp刘伊斯关系式文中叙述为即在空气一水系统的热
-52质交换过程中，当空气温度及含湿量在实用范围内变化很小时，换热系数与传质系数之间需要保持一定的量值关系，条件的变化可使这两个系数中的某一个系数增大或减小，从而导致另一系数也相应地发生同样的变化。
7、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%。
8、总热交换是潜热交换和显热交换的总和。
9、吸收式制冷机可以“以热制冷”，其向热源放热Q1，从冷热吸热Q2，消耗热能Q0，则其性能系数COP=Q1-Q2/Qo。
10、冬季采暖时，蒸发器表面易结霜，融霜的方法有电除霜、四通阀换相除霜、排气温度除霜
1、当流体中存在速度、温度、和浓度的梯度时，就会分别产生动量、热量和质量的传递现象。
2、锅炉设备中的过热器、省煤器属于间壁式式换热器。
4、总压力为0.1MPa的湿空气，干球温度为20℃，湿球温度为10℃，则其相对湿度为。6、某翅片管换热器，表面对流换热系数位10W/m2K，翅片表面温度为50℃，表面流体温度为30℃，翅片效率为2.5，则换热器的热流密度为W/m2。
12、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/(m2.℃)则换热器面积为25m2。
8、潜热交换是发生热交换的同时伴有质交换（湿交换）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。
1、流体的粘性、热传导性和质量扩散通称为流体的分子传递性质。
2、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牛顿粘性定律、傅里叶定律、菲克定律。3、热质交换设备按照工作原理不同可分为间壁式、直接接触式、蓄热式、热管式等类型。表面式冷却器、省煤器、蒸发器属于间壁式，而喷淋室、冷却塔则属于直接接触式。
3、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。5、_温差_是热量传递的推动力，而_焓差_则是产生质交换的推动力。6、质量传递有两种基本方式：分子传质和对流传质，两者的共同作用称为____。7、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度表示的质量通量。
8、在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中的组分A和组分B发生互扩散，其中组分A向组分B的质扩散通量mA与组分A的浓度梯度成正比，其表达式为；当混合物以某一质平均速度V移动时，该表达式的坐标应取。
9、麦凯尔方程的表达式为：hw（titw）=hmd(i-ii)，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传热系数与焓差驱动力的乘积
10、相际间对流传质模型主要有薄膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论。
3.冰蓄冷系统中的制冰方式主要有两种：_动态_制冰方式和_静态_制冰方式。4.一个完整的干燥循环由___吸湿___过程、___再生___过程和冷却过程构成。5.用吸收、吸附法处理空气的优点是_____独立除湿______________________。7.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，水可以被冷却到比用以冷却它的空气的最初温度还要低的程度_______________________。8.冷却塔的热工计算原则是____冷却数N=特性数N＇______________。
绝热饱和温度(绝热增湿过程中空气降温的极限)、传质通量（单位时间通过垂直与传质方向上单位面积的物质的量）、扩散系数(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、)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）、速度边界层(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发生剧烈变化的薄层
、雷诺类比（对流传热和摩擦阻力间的联系）、宣乌特准则数(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）的比值)、施密特准则数(流体的运动黏度（v）与物体的扩散系数（D）的比值
)、普朗特准则数(流体的运动黏度（v）与物体的导温系数a的比值)
9、写出斐克定律的普遍表达形式并举例说明其应用？NA=-DdCA/dz+xA(NA+NB)
12、写出麦凯尔方程的表达式并说明其物理意义。
hw（titw）=hmd(i-ii)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。
16、表冷器处理空气的工作特点是什么？
与空气进行热质交换的介质不和空气直接接触，是通过表冷器管道的金属壁面来进行的。空气与水的流动方式主要为逆交叉流。
9、什么叫析湿系数?它的物理意义是什么？
解：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。
计算题
1、有一管道充满了氮气和氧气的混合气体，其温度为200℃，总压力位0.1MPa，一端氮气浓度为1.0Kmol/m3，另一端浓度为0.4Kmol/m3，两端相距50cm，已知DAB=0.5×10-4m2/s，计算稳态下氮气的物质的量通量。解：由斐克第一定律得：jn,AdzDABz1z2CA2CA1dcA
jDABCA1CA2z2z1=
0.5104(1.00.4)0.5=6×10-5kmol/(m2.S)
2、有一管道充满了氮气和氦气的混合气体，其温度为300K，总压力位0.1MPa，一端氮气的分压力为0.06MPa，另一端为0.01MPa，两端相距30cm，已知DAB=0.687×10m/s，计
算稳态下氮气的物质的量通量。
解：由斐克第一定律得：jn,AdzDABz1z2-42
CA2CA1dcA
jDABCA1CA2z2z1
对于理想气体，pAVnART，cADAB(pA1pA2)RT(z2z1)nAVpART
jn,A=
0.678104(600100)8.3143000.3=4.59×10-6kmol/m2s
4、一个直径为3cm的萘球悬挂于空气管道中，求下述条件的瞬时传质系数；（1）萘球周围的空气静止，温度为259K，压力为101.325kPa，萘在空气中的扩散率为5.14×10-6m2/s；（2）空气以0.15m/s的速度流过萘球，温度为259K，压力为101.325kPa，Gr解：（1）Sh=2.0（2分）hcshDABdudSc1。
=2.0×5.14×10/0.03=3.43×10m/s
DAB-6-4
（2）Re=0.15×0.03/1.0×105=4.5×102，（1分）Sc=1.95
Sh2.00.569（GrSc）0.25=2.569
hcshDABd=2.569×5.14×10/0.03=4.4×10m/s
-6-4
5、一管式逆流空气加热器，空气由15℃加热到30℃，水在80℃下进入换热器管内，40℃时离开，总换热量位30kW，传热系数为40W/(m2.℃),求：（1）平均换热温差；（2）换热器面积。解：（1）△t=80-30=50℃,△t
‘’’
=40-15=25℃tmt"t""Int"t""=35.7℃
（2）A
Qktm=30000/（40×35.7）=21m
热泵系统类型
空气源热泵系统
地下水地源热泵系统地表水地源热泵系统地埋管地源热泵系统污水源热泵系统海水源热泵系统
根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。何种情况下适合使用地源热泵？地埋管地源热泵
有合适的地质条件（土壤的温度、传热性能等等）有足够的埋管空间成熟的埋管、回填技术
地下水地源热泵
有合适的水质条件（温度、洁净度、腐蚀性等）和水文地质条件（水层深度、厚度等）可用水量满足热泵系统要求地下水回灌顺利
地表水地源热泵
合适的水温和流量（河水）或容量（湖水）
开式系统：能对地表水进行合适的处理（除砂、过滤、杀菌灭藻、净化）闭式系统：合理的换热盘管的设计、放置地点
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