传热传质的分析与计算.pptx

第三章第三章 传热传质的分析和计算传热传质的分析和计算2012-3-2280-1内 容80-2动量、热量和质量传递类比动量、热量和质量传递类比3.1对流传质的准则关联式对流传质的准则关联式3.2热量和质量同时进行时的热量和质量同时进行时的 热质传递热质传递3.32012-3-22对流传质的准则关联式对流传质的准则关联式3.43.1.1 三种传递现象的速率描述及其之间的雷同关系 流体系统统中：速度梯度动动量传递传递温度梯度热热量传递传递浓浓度梯度质质量传递传递3.1 动量、热量和质量传递类比80-32012-3-22a 牛顿顿粘性定律v两个作直线线运动动的流体层层之间间的切应应力正 比于垂直于运动动方向的速度变变化率，即:v对对于均质质不可压缩压缩 流体，上式可改写为为：3.1.1.1 3.1.1.1 分子分子传递传递传递传递 性性质质质质80-42012-3-22b 傅立叶定律 v在均匀的各向同性材料内的一维维温度场场中，通 过导热过导热 方式传递传递 的热热量通量密度为为： v对对于恒定热热容量的流体，上式可改写为为： 80-52012-3-22c 斐克(Fick)定律 v在无总总体流动动或静止的双组组分混合物中，若组组分A 的质质量分数(或质质量份额额)aA的分布为为一维维的，则则通 过过分子扩扩散传递传递 的组组分A的质质量通量密度为为： v对对于混合物密度为为常数的情况，上式可改写为为： DAB: 组组分A在组组分B中的扩扩散系数，m2/s;80-62012-3-22统统统统一公式一公式: :FDΦ' : Φ'的通量密度；dΦ/dy: Φ的变变化率；Φ：单单位体积积的某种量；C: 比例常数(扩扩散系数)。

质质量传递传递 ：FDΦ' =mA, Φ= ρA, C＝DAB;动动量传递传递 ：FDΦ' =τ, Φ= ρu, C＝ν能量传递传递 ：FDΦ' =q, Φ= ρcpt, C＝a;80-72012-3-223.1.1.2 3.1.1.2 湍流湍流传递传递传递传递 性性质质质质 湍流切应应力湍流热热流密 度湍流质质量通量密度80-82012-3-22通常，充分发发展湍流中，湍流传递传递 系数远远远远 大 于分子传递传递 系数80-92012-3-22•分子传递传递 系数ν, a, DAB：Ø 是物性，与温度、压压力有关；Ø 通常各项项同性•湍流传递传递 系数νt, at, DABt：Ø 不是物性，主要与流体流动动有关；Ø 通常各项项异性80-102012-3-223.1.2 三传传方程连续连续 性方程 动动量方程 能量方程 扩扩散方程 当当ν ν= =a a= =D D时，三个传递方程形式完全一样时，三个传递方程形式完全一样 80-112012-3-22边边界条件为为： 动动量方程 或 或 能量方程 扩扩散方程 三个传递方程的边界条件形式完全一样三个传递方程的边界条件形式完全一样 80-122012-3-22三个性质类质类 似的传递传递 系数中，任意两个 系数的比值值均为为无量纲纲量,即普朗特准则则表示速度分布和温度分布的相互关系， 体现现流动动和传热传热 之间间的相互联联系施密特准则则表示速度分布和浓浓度分布的相互关系， 体现现流体的动动量与传质间传质间 的联联系刘伊斯准则则表示温度分布和浓浓度分布的相互 关系，体现传热现传热 和传质传质 之间间的联联系 80-132012-3-22类类似的，对对流体沿平面流动动或管内流动时质动时质 交换换 的准则则关联联式为为： 气体混合物：通常Le≈1，即a ≈ D。

此时时，边边界 层层内温度分布和浓浓度分布相似对对流换热换热 的准则则关联联式为为：此为为刘伊斯关系式，即热质热质 交换类换类 比律Re给给定条件下，Le=1时时，有：即80-142012-3-223.1.3 动动量交换换与热热交换换的类类比在质质交换换中的应应用 3 3. .1.3.1 1.3.1 雷雷诺诺诺诺(Renold)(Renold)类比类比 (Pr=1)(Pr=1)当Pr=1时时 80-152012-3-22以上关系也可推广到质质量传输传输 ，建立动动量传输传输 与质质量传输传输 之间间的雷诺类诺类 似律 当Sc=1，即ν=D时时 80-162012-3-223 3. .1.3.2 1.3.2 柯柯尔尔本（本（ColburnColburn））类类类类比比 普朗特(Prandtl)类类比（考虑虑了层层流底层层）卡门门(Karman)类类比（考虑虑了层层流底层层、过过渡层层 ）80-172012-3-22契尔顿顿(Chilton)和柯尔本发发表了如下的类类似的表达式 ： 传热传热 因子JH，传质传质 因子JD 80-182012-3-22对对流传热传热 和流体摩阻之间间的关系，可表示为为： 对对流传质传质 和流体摩阻之间间的关系可表示为为： 实验证实验证 明JH、JD和摩阻系数Cf 有下列关系 上式适用于平板流等无形状阻力的情况。

80-192012-3-22对对于柯尔本类类比适用的情况：对对流传热传热 的公式可用于对对流传质传质 只要将有关参数及准则则数替换为对换为对 流传质传质 的对应对应 参量和准则则数即可80-202012-3-22平板层层流传传 热热 平板层层流传质传质 平板紊流传热传热 平板紊流传质传质 光滑管紊流传热传热 光滑管紊流传质传质 平板层层流传质传质 平板紊流传热传热 平板紊流传质传质 80-212012-3-223 3. .1.3.3 1.3.3 热热热热、、质传输质传输质传输质传输 同同时时时时存在的存在的类类类类比关系比关系 例题题80-222012-3-223.2 对流质交换的准则关联式 3.2.1 流体在管内受迫流动时动时 的质质交换换 由传热传热 学可知在温差较较小的条件下，管内紊流换热换热 可不计计物性修正项项，并有如下准则则关联联式 吉利兰兰（Gilliland）把实验结实验结 果整理成相似准则则 ，并得到相应应的准则则关联联式为为 注意适用范围、定性参数注意适用范围、定性参数选择选择80-232012-3-22水 丁醇 甲苯 苯胺 异丙醇 另戊醇 另丁醇 氯苯 醋酸已酯Sh/Sc0.4480-242012-3-22用类类比来计计算管内流动质动质 交换换系数,由于 采用布拉西乌乌斯(Blasius)光滑管内的摩阻系数公式 则则 80-252012-3-223.2.2 流体沿平板流动时动时 的质质交换换 沿平板流动换热动换热 的准则则关联联式 层层流时时 相应应的质质交换换准则则关联联式为为 紊流时时 相应应的质质交换换准则则关联联式应应是 例题题80-262012-3-223.3 热量和质量同时进行时的热质传递工程实实践中的许许多情形都是同时时包含着动动量传递传递、能量传递传递 、质质量传递这传递这 三个传递过传递过 程,它们们彼此是相互影响的。

80-272012-3-223.3.1 同时进时进 行传热传热 与传质传质 的过过程在等温过过程中，由于组组分的质质量传递传递 ，单单位时时 间间、单单位面积积上所传递传递 的热热量为为 ：如果传递传递 系统统中还还有导热导热 ，则传递则传递 的热热量为为： 如果传递传递 系统统中还还有对对流换热换热 ，则传递则传递 的热热量为为： Ni为组 分i的传质 速率 ；M*i为组 分i的分子量 ； t0焓值计 算参考温度80-282012-3-22(a) (b) 滞留层层内浓浓度分布示意图图 (a) V(y)=0 (b) V(y)≠0 能斯特（Nernst）薄膜理论论CA0CA∞CACA0CA∞CACA(y)CA(y)80-292012-3-22在二元系统统中，对对于通过过静止气层扩层扩 散过过程 的传质传质 系数定义义(A组组分浓浓度很小，可认为认为 是 等分子反方向扩扩散，无混合物整体流动动）在热热量传递传递 中有膜传热传热 系数 80-302012-3-223.3.2 同一表面上传质过传质过 程对传热过对传热过 程的影响(a) 滞留层层中的温度、浓浓度分布示意图图 (b) 微元体内热热平衡 CA(y)CA1CA2δ0q4q1q2q3t2t180-312012-3-22进进入微元体的热热流由两部分组组成:导热导热 +传质传质 (1)导导入的热热量： (2)导导出的热热量： (3)净导净导 入的热热量： 导导入微元体的热热量 80-322012-3-22(1) 由于分子扩扩散，进进入微元体的传递组传递组 分A、B本 身具有的焓为焓为 ： (3)通过传质进过传质进 入微元体的净热净热 量为为： 通过传质进过传质进 入微元体的热热量 (2) 由于分子扩扩散，离开微元体的传递组传递组 分A、B本 身具有的焓为焓为 ： 80-332012-3-22稳态稳态 条件下，进进人微元体的总热总热 流等于0C0 无因次数C0为传质为传质 阿克曼修正系数(Ackerman correction) 。

传质传质 自壁面向主流，则则C0>0，反之C00C0qc/qc,0qt/qc,0C00C080-382012-3-22传质对传热传质对传热 的影响关系示意图图 80-392012-3-22而： 可知因传质传质 的存在，传质传质 速率的大小与方向影 响了壁面上的温度梯度，即t'(0)的值值，从而影响了 壁面上的导热导热 量 由图图可知，当C0为为正值时值时 ，壁面上的导热导热 量明 显显减少，当C0值值接近 4 时时，壁面上的导热导热 量几 乎等于零 80-402012-3-22普通冷却过过程及三种传质传质 冷却过过程示意 80-412012-3-22冷凝器表面和蒸发发器表面的热质热质 交换过换过 程 假定在传递过传递过 程中，只有组组分A凝结结，则则冷凝 器表面的总传热总传热 量为为: 根据契尔顿顿-柯尔本类类似律，有: 潜 热热80-422012-3-22得 进进入冷凝器的总热总热 量，应该应该 等于冷凝器内侧侧 的冷却流体带带走的热热量 80-432012-3-223.3.3 刘伊斯关系式 在相同的雷诺诺数条件下，根据契尔顿顿-柯本尔 热质热质 交换换的类类比因为为在空调调温度范围围内，干空气的质质量密度 变变化不大。

故 80-442012-3-22因此 在空调调温度范围围内 对对于水-空气系统统 所以 干空气的平均质量密度 湿空气的含湿量以含湿量差 为驱动 力 的传质系 数见下页表中数据刘伊斯关系式 80-452012-3-22a/D干空气和饱饱和湿空气的热质扩热质扩 散系数 温度(℃)饱饱和度a×102 (m2/h)D×102 (m2/h) 100 17.15 7.148.370.855 0.854 15.60 17.42 7.408.700.854 0.852 20.10 17.69 7.079.020.853 0.850 26.70 17.95 7.939.360.852 0.848 32.20 18.24 8.209.070.851 0.846 37.30 18.53 8.4610.040.850 0.843 43.30 18.82 8.7110.390.848 0.838 48.90 19.11 8.9410.750.848 0.832 54.40 19.40 9.1511.110.846 0.823 600 19.70 9.6011.470.845 0.812 80-462012-3-22刘易斯关系式成立的条件： （1）0.6 < Pr < 60, 0.6 < Sc <3000; (2) Le = a / DAB ≈1。

条件表明，热扩热扩 散和质质量扩扩散要满满足一定的条件而对对于扩扩散不占主导导地位的湍流热质热质 交换过换过 程，刘伊 斯关系式是否适用呢？ 湍流热质热质 交换换示意图图 t1, d1t2, d280-472012-3-22因湍流交换换而从平面1流到平面2的每单单位面 积积的热热流量为为 用湍。