热质交换原理与设备考点

热质交换原理与设备考点

陈金峰整理

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陈金峰

第二章：热质交换过程

2.1 对于三传现象的解析： 动量传递 传递形式 传递公式

热量传递 导热、热对流 质量传递 分子扩散 切应力 t = -m 传递速率 扩散率 传递特征 传递推动力 du dy dt q = -l dy q a dCA m = -D A dy AB t u ru mA DAB C p rt CA ?ru 速度差 ?y 温度差 ?C prt?y ?C 浓度差 ?y A 2.2 质交换的基本方式： 按机理分：分子扩散、对流扩散。按推动力分：浓度扩散、热扩散、压力扩散。同时存 在分子扩散和对流扩散时称之为对流质交换。 2.3 关于扩散传质：

2.3.1 斐克定律：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

二元混合物中的组分 A 和 B 将发生相互扩散。表达式： J A = -DAB dCA （只适用于分子无 规则热运动引起的扩散过程）

dz

Dp ′ ( p A1 - pA 2 ) （其中： pBM = pB 2 - pB1 2.3.2 斯蒂芬定律：mA = pRT Dzp BM ln B 2

pB1

离，其中 A 为扩散的组分，通常为水。B 通常为空气）应用举例：P32 例 2-4

Dz 为距

2.3.3 扩散系数：实验测得，气体>液体>固体。表示其扩散能力。非标准状况下的扩散

3 p T 系数计算： D = D0 0 ( ) 2 p T0

2.4 对流传质与模型：

hm 为对流传质系数， CAs 和CA￥ 分别为壁

2.4.1 对流传质系数： N A = hm (CAs - CA￥ )

面处和主流的浓度

2.4.2 相际间对流传质模型：

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2.4.2.1 薄膜理论：当流体靠近物体表面流过时，存在一层附壁薄膜，在薄膜的流体

侧与具有浓度均匀的主流连续接触，并假设膜内流体与主流不相混合和扰动。在此条件下， 整个过传质程中相当于此薄膜上的扩散作用，而且认为在薄膜上垂直于壁面方向上呈线性浓

D 度分布，膜内的扩散传质过程具有稳态的特性。由薄膜理论，传质系数 hm = .

d

2.4.2.2 渗透理论：当流体流过表面时，有流体质点不断穿过流体的附壁薄层想表面

迁移并与之接触，流体质点在与表面接触之际则进行质量的转移过程，此后质点又回到主流 核心中去。流体质点在很短的接触时间内，接受表面传递的组分过程表现为不稳态特征。 2.5 三传准则数概述

准则数

表达式 物理意义

联系动量传输与质量 传输，反映速度场与

备注

对应传热中普朗特数。等于 1 时表示速度 分布曲线和浓度分布曲线重合，速度边界

施密特数 Sc

nSc = Di

hm ′ l D

Sh = hm

St =m

Re′ Sc u Sh =

宣乌特数 Sh 斯坦登数 St

刘易斯数 Le

浓度场的关系，体现 层和浓度边界层厚度相等

流体的传质特性

流体的边界扩散阻力

对应于传热学中 Nu

与对流传质阻力之比 Nu、Pr、Sh 的综合准 则

对应于传热学中的 St

2

刘易斯关系式 h = c ′等于 1 3 ，Le r ′ Le p

hm

a Sc

Le = =

Pr DAB

反映温度场和浓度场 的关系，体现传热与 传质之间的联系

时温度分布和浓度分布重合（水和空气系

h

统的 Le 近似为 1， = cp ）

hm

Pr 越接近于 1 则温度场与速度场越接近， 越远离则越不相似，大小决定温度边界层 和速度边界层的厚度关系

普朗特数 Pr

nPr = a

联系温度场与速度场

2.6 对流传质系数的计算

主要有两种方法，第一种：由传热与传质的类比获得传质各个准则数之间的关系式，， 求得宣乌特数，再由宣乌特数的表达式求得对流传质系数。第二种，先利用各种传热的关系

D a h

和条件，求出传热系数，再根据刘易斯关系式（ hm = h = h = ，见书 59 页）求得

l lcp r

对流传质系数。应用举例参见书 64、65 页例 2-10 和例 2-11.及 94 页题 28，32.

2

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2.7 刘易斯关系式

m

h Le h

= ，在水-空气系统中表达式为 = cp ，即在空气-水系统热质交换过程中， h cp r hm

2

- 3

当空气温度和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保持一定量的数 值关系，条件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发生相

a h = c总是成立。这

同的变化。在湍流运动中无论 Le = 是否等于 1，刘易斯关系式 p

DAB hm

说明了在湍流传递过程中，流体之间的湍流混合在传递中起主导作用。对于层流和湍流中紧

h a

靠固体表面的层流底层来说，刘易斯关系式 = cp 仅适用于 Le = = 1 的情况

hm DAB

2.8 干球温度、湿球温度、绝热饱和温度

干球温度：就是普通温度计测得的温度 湿球温度：湿球温度计头部被尾端浸入水中的

吸液蕊包裹，当空气流过时，大量的不饱

和空气流过湿布时，湿布表面的水分就要蒸发，并扩散到空气中去；同时空气中的热量也传 到湿布表面，达到稳定状态后，水银温度计所指示的温度便是空气的湿球温度。

绝热饱和温度：是指有限量空气和水接触，接触面积较大，接触时间足够充分，空气和 水总会达到平衡。在绝热情况下，水向空气中蒸发，水分蒸发所需要的热量全部由湿空气供 给，故空气的温度将降低。另一方面，由于水分的蒸发，湿空气的含湿量将增大。当湿空气 达到饱和状态时，其温度不再降低，此时的温度称之为绝热饱和温度。

有关绝热饱和温度与湿球温度的异同： 相同点：1.两者都不是湿气体本身的温度，但

都和湿气体的温度和湿度有关，且都

表达了气体入口状态已确定时与之接触的液体温度的变化极限

2.对于空气和水系统，两者近似相等 不同点：1.绝热饱和温度由热平衡而

得出，是空气的热力学性质，湿球温度取决于

传递速率

2.绝热饱和温度是大量水与空气接触，最终达到两相平衡时的温度，过程

中气体温度和湿度都是变化的，湿球温度是少量水和大量连续气流相接触，传热传质达到稳 态时的温度，过程中气体的温度和湿度不变。

3.绝热饱和过程中，气液间传递推动力由大变小，最终趋近于零，测量湿

球温度时，稳定后的传热推动力不变。

2.9 其他重要知识 湍流传递系数和分子传递系数的区别：1.分子传递系数是和温度、压力有

关的流体固有

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性质，是物性，湍流传递系数主要取决于流体的运动，取决于边界条件及其影响下的速度分 布。2.分子传递可以由逐点局部平衡的定律来确定，而湍流需要考虑松弛效应，即历史和周 围流场对某时刻某空间点的湍流性质的影响。3.分子传递是各向同性的，湍流传递是各向异 性的。

切应力----分子传递的动量 导热----分子传递的热量 紊流切应力----湍流传递的动 量 热对流----湍流传递的热量

由理想气体状态方程推出质量浓度 r A =

平均分子量 M =

*

PA PA

，物质的量浓度 N A = RAT R T

? X M

i i =1

n

i

n *

1 C * i

其中 X i 为其摩尔分数。或者 * = ?其中 Ci 为 ， M Mi =1 i

其质量分数

传质的存在对壁面导热量和总传热量的影响方向是相反的

第四章：空气热质处理方法

4.1 空气热质处理方案

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