热质交换原理.docx

1.三种传递现象的联系P4当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量和质量的传递现象三传产生原因（机理）相同：由分子的微观运动引起的分子扩散，或由旋涡混合造成的 流体微团的宏观运动以分子传递为例：（1） 当流场中速度分布不均匀时，分子传递的结果产生了切应力，用牛顿黏性定律描述：duT = -^ dy式中，t ――切应力，表示单位时间内通过单位面积传递的动量，N/m2 口 一一流体的动力黏性系数，Pa - s，反应流体传递动量的能力 u——流体沿x方向的运动速度，m/sdu/dy——速度梯度，表示速度沿垂直于速度方向y的变化率，1/s物理意义：两个作直线运动的流体层之间的切应力正比于垂直于运动方向的速度变化 率负号表示黏性动量通量的指向是速度梯度的负方向，即动量是朝速度减小的方向传递的2） 当温度分布不均匀时，分子传递的结果产生了热传导，用傅立叶定律描述：dtq =-人—dy式中，q——热量（能量）通量密度，表示单位时间内通过单位面积传递的热量，J/（m2s）人一一导热系数，W/（m・°C），反应物体传递热量的能力t——流体的温度，Cy——温度发生变化方向的坐标，mdt/dy——温度梯度，表示温度沿垂直于y方向的变化率，C/m物理意义：表示物体之间的热量传递正比于其温度梯度。

符号表示热量传递的方向是温 度梯度的负方向，即热量是朝温度降低的方向传递的3） 当某种组分的浓度分布不均匀，分子传递的结果引起该组分的质量扩散，用费克定律 描述，它是指在无总体流动或静止的双组分混合物中，若组分A的质量分数CA的分布是一 维的，则通过分子扩散传递的组分A的质量通量密度为dCm = — D ^-式中，mA——组分A的质量通量密度，表示在单位时间内，通过单位面积传递的组分A的 质量，kg/（m2 • s）DAB——组分A在组分B中的扩散系数，m2/s，反映物体传递质量的能力CA——扩散组分A在密度发生变化的方向上的坐标，my——组分A在密度发生变化的方向的坐标，mdCA/dy 组分A的质量浓度梯度，kg/（ m3 • m）物理意义:质量传递正比于其浓度梯度符号表示质量传递的方向是浓度梯度的负方向， 即，质量是朝浓度降低的方向传递的总：表示三传分子传递性质的数学关系式是类似的，因而这三个传递公式可以用如下的 统一公式来表示：FD' = - C 亟dy其中，FD’——巾’的通量密度伸/ dy——的变化率C——比例常数妒 分别表示质量、动量和热量 一一分别表示质量、动量、能量浓度或（单位体积的质量、动量、能量）这些表达式说明动量交换、热量交换、质量交换的规律可以类比。

动量交换传递的量是 运动流体单位容积所具有的动量；热量交换传递的量是物质每单位容积所具有的能量；质量 交换传递的量是扩散物质每单位容积所具有的质量也就是浓度这些两的传递速率都分别与 哥俩的梯度成正比比例系数均表示了无题具有扩散性质2. 质量传递的基本方式质量传递的方式分为分子传质和对流传质1） 分子传质（分子扩散，简称扩散）定义：由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象机理：可以因浓度梯度，温度梯度，压力梯度，或者是因对混合物施加一个有向的外加 电势或其他势而产生浓度梯度产生的扩散的最终稳定状态是均匀的动态稳定，其他两个引 起浓度扩散，最终温度扩散或压力扩散与浓度扩散相互平衡，建立一个稳定状态，是不均匀 的2） 对流传质定义：壁面和运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递湍流主体与相界面之间的紊流扩散与分子扩散传质作用的总和紊流扩散：凭借流体质点的湍流和漩涡来传递物质的现象3. 斐克定律P18（1） 扩散基本定律：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 二元混合物中组分A和组分B将发生互扩散其中，组分A向组分B的扩散通量（质量通 量j或摩尔通量J）与组分A的浓度成正比。

2） 表达式：以质量为基准的费克定律，可表达为：j =-D 黄及j =-D PB式中，jA、jB——组分A、B的质量扩散通量，kg/（m2・s）；dpA/dz、dpB/dz 组分A、B在扩散方向的质量浓度梯度，（kg/m3）/m；DAB—组分A在组分B中的扩散系数，m2/s ；Dba——组分B在组分A中的扩散系数，m2/s以摩尔为基准的斐克定律，可表达为：J =— D 竺A及J =- D竺BA AB dz B BA dz式中，JA、JB——组分A、B的摩尔扩散通量，kmol/（m2 - s）dCA/dz、dCB/dz 组分A、B在扩散方向的浓度梯度，（kmol/m3）/m对于两组分扩散系统，jA= -jB JA=—JB，所以dab=dba=d斐克定律只适用于由于分子无规则热运动引起的扩散过程，其传递的速度即为扩散速 度实际上，在分子扩散的同时常伴有流体的主流运动当存在主流运动时，物质实际传递 的通量除分子扩散通量外，还应考虑由于主体流动而形成的通量：组分的实际传质通量=分子扩散通量+主体流动通量以质量为基准：mA =_D 亍 + aA （mA + m ）以摩尔为基准：N =-D(dCA + x (NA dy a aaA——组分A的质量分数，xA——组分A的摩尔分数（3） 物理意义：在总质量浓度p不变的情况下，由于组分A、B的质量浓度梯度dpA/dz、dpB/dz 所引起的分子传质通量，负号表明扩散方向与浓度梯度方向相反，即分子扩散朝着浓度降低 的方向进行。

4） 适用范围：稳态扩散，二元混合物⑸推论：Dab=Dba稳态对流扩散通量为04. 扩散系数（斐克定律中的D）（1） 定义：表征物质扩散能力的物理量，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2） 表达式： D = — = —^a— （m2/s）d p a de ady dy（3） 大小比较：扩散系数的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 质扩散系数一般由实验测得D于气体的浓度无直接关系，它随气体温度的升高及总压强的 下降而增大液相质扩散（气体吸收，溶剂萃取以及蒸馏等）的D比气相质扩散的D低一个数量级 以上在固相中的质扩散（渗碳炼钢，材料提纯等）系数比在液相中的低大约一个数量级5. 对流传质P33扩散传质研究的是物质间的无规则分子运动产生的质量传递，对流扩散研究的是流体流过物体表面时发生的传质行为暖通空调工程中，流体多处于运动状态，对流传质所涉及的内容即为运动着的流体之间 或流体与界面之间的物质传递问题（空气流过水面，水汽两相之间的传质），（定义：）这种 过程既包括由流体位移所产生的对流作用，同时也包括流体分子间的扩散作用这种分子扩 散和对流扩散的总作用称为对流传质。

在对流传质过程中，虽然分子扩散起着重要的组成作用，但流体的流动确是其存在的基 础因此，对流传质过程与流体的运动特性密切相关，如流体流动的起因、流体的流动性质 以及流动的空间条件6. 边界层P37（1）速度边界层范围是5（x），以存在速率梯度和较大切应力为特征，主要形式是表面摩擦，重要的参数 为摩擦系数Cf（2） 温度边界层范围是q（x）,以存在温度梯度和传热为特征，主要形式是对流换热，重要的参数为对流 换热系数h '（3） 浓度边界层范围是以（x），以存在浓度梯度及组分传递为特征，主要形式是对流传质，对流传质系数 hm对于流过任意表面的流动，总是存在速度边界层，因而存在表面摩擦只有当表面与自 有流的温度不想同时，才存在热边界层，从而存在对流换热；只有当表面的组分浓度和它的 自由流浓度不同时才存在浓度边界层，从而存在对流传质最一般的情况是三种边界层都存 在，三种边界层很少以相同的速率增大，在给定的位置上，& q和以也不一样三种边界 层厚度的相对大小与三种传递的扩散系数的相对大小有直接关系,扩散系数较大者，其边界 层厚度也较大7. 对流传质过程的相关准则数（1）雷诺数ReRe=pul/|i=ul/v p —流体密度，u—平均流速，l—特征尺寸，M —流体动力黏度系数，v—流体运动黏度物理意义：表征流体的惯性力和黏性力之比（1） 施密特准则数Sc对应于对流传热中的普朗特准则数PrPr=v/ a v 一运动黏度（动量传输系数），a 一导温系数（热量传输系数）物理意义：联系动量传输与热量传输的相似准则Sc=v/ D[ v 一物体的运动黏度，D〔一物体的扩散系数物理意义：联系动量传输与质量传输的相似准则。

2） 宣乌特准则数Sh对应于对流传质中的努谢尔特准则数NuNu=hl/X h 一对流换热系数，人一物体的导热系数，l-定型尺寸系数物理意义：以边界导热热阻与对流换热热阻之比来标志过程的相似特征Sh=hm - l/D[ hm 一对流传质系数，Q一物体的互扩散系数，l 一定型尺寸系数物理意义：：以流体的边界层扩散阻力与对流传质阻力之比来标志过程的相似特征3） 传质的斯坦登准则数Stm对应于对流传热中的斯坦登准则数StSt=Nu/（Re • Pr）=h/（ pc u）物理意义：是对流换热的Nu数、Pr数以及Re数三者的综合准则Stm=Sh/（Re • Sc）=h/um物理意义：是对流传质的Sh数、Sc数以及Re数三者的综合准则，是对流传质的无量 纲度量参数8. P53薄膜理论渗透理论的要点是什么薄膜理论：当流体靠近物体（如固体或液体）表面经过时，存在着一层附壁的薄膜，在薄膜 的流体侧与具有浓度均匀的主流连续接触，并假定膜内流体与主流不想混合和扰动渗透理论：当流体流过表面时，有流体质点不断地穿过流体的附壁薄层向表面迁移并与之接 触，流体质点在于表面接触之际则进行质量的转移过程，此后流体质点又回到主流核心中去。

准则关系式9. 对流传质的准则关联式p 一流体密度，u一平均流速，l一特征尺寸，p 一流体动力黏度系数，v一流体运动黏度 D一物体的扩散系数iRe=pul/|i=ul/vSc=v/Di当流动是层流(Re>5X 105)时：Sh=0.644Re/Sci/3当流动是紊流(Re<5X 105)时：Sh=(0.037Re0.8-870)Sci/3hm=Sh • Di /l10. 刘伊斯关系式P72h/h =c在空气喙系统的热质交换过程中，当空气湿度及含量在实用范围内变化很小时，换热 系数与传质系数之间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，从而导致另一个系数也相应地发生同样的变化条件：热扩散和质量扩散要满足一定条件：0.63000，Le=a/DABF 而对于扩散不占主导地位的湍流热质交换过程，刘易斯关系式总是成立这说明，在湍流传递过程中，流体之间的湍流混合在传递过程中起主要作用对 流层流或湍流紧靠表面的层流底层来说，刘易斯关系式仅是用于a/DAB=1的情况，这是 因为，在这些区域内，分子扩散在传递过程中起主要作用区别刘易斯准则数表温度分布与浓度分布的相互关系，体现传热与传质之间的联系。

Le=Sc/Pr=a/DARAB当Le=1，温度分布与浓度分布重合Pr=Sc (浓度边界层和温度边界层厚度相等，浓度 场与温度场重合)10. 空气热质处理的途径P121(1) 空气调节：利用冷却或者加热设备等装置，对空气的温度和湿度进行处理，使之达到 人体舒适度的要求2) 热舒适性：人体对周围空气环境的热舒适感。