建环专业热质交换原理与设备考试资料2013最新版

热质交换原理与设备 复习重点

第一章 绪论

三种传递现象的联系：当物质中存在速度、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。动量、热量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由涡旋混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。 动量传递：????du 表示两个作直线运动的流体层之间的切应力正比于垂直运动方向的速度变化率。dy不同的流体有不同的传递动量的能力，这种性质用流体的动力黏性系数?来反映，其物理意义可以理解为，它表征了单位速度梯度作用的切应力，反映了流体黏性滞性的动力性质，因此称它为“动力”黏性系数。?，表示单位时间内通过单位面积传递的动量，又称动量通量密度，N/㎡ 能量传递：q???dt,q为热量通量密度，或能量通量密度，表示单位时间内通过单位面积传递的热量，dyJ/(㎡.s)，负号表示热量传递的方向是温度梯度的负方向，或者说热量是朝温度降低的方向传递的。 质量传递：mA??DABdCA,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dy分布为一维的，则通过这个式子表示。mA为组分A的质量通量密度，表示单位时间内，通过单位面积传递的组分A的质量，kg/(㎡.s) jA??DABd?A dz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多具有的能量，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。这些量的速率都分别与各量的梯度成正比。比例系数均表示了物体具有的扩散性质。 两种传递系数的比较

分子传递系数ν, a, DAB：1） 是物性，与温度、压力有关；2）通常各项同性。 湍流传递系数νt, at, DABt：1）不是物性，主要与流体流动有关；2）通常各项异性。 热质交换设备的分类

热质交换设备的分类方法很多，可以按工作原理、流体流动方向、设备用途、传热传质表面结构、制造材质等分为各种类型。最基本的是按工作原理分类。 （1）按工作原理分类（可参考书后思考题第二题）

热质交换设备按照工作原理分为：间壁式，直接接触式，蓄热式和热管式等类型。

间壁式又称表面式，在此类换热器中，热、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，不掺混。（包括表面冷却器、过热器、省煤器、散热器、暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器等） 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、板翘式、螺旋板式等，其中前三种用的最为广泛。

直接接触式又称混合式，在此类换热器中，两种流体直接接触并且相互掺混，传递热量和质量后，在理论上变成同温同压的混合介质流出，传热传质效率高。（喷淋室及蒸汽喷射泵、冷却塔、蒸汽加湿器、热力除氧器等）

喷淋室的类型：喷淋室有卧式和立式、单级和双级、低速和高速之分。此外在工程上还使用带旁通和带填料层的喷淋室。

立式喷淋器的特点是占地面积小，空气流动自下而上，喷水由上而下，因此空气与水的热湿交换效果更好，一般是在处理风量小或空调机房层高允许的地方采用。

双级喷淋室能够使水重复使用，因而水的温升大、水量小，在使用空气得到较大焓降的同时节省了水量。因此它更适宜于用在使用自然界冷水或空气焓降要求较大的地方。双级喷淋室的缺点是占地面积大，水系统复杂。

混合式换热器的种类 按用途不同，可分为以下几种不同类型：冷却塔、气体洗涤塔（或称洗涤塔）、喷射式热交换器、混合式冷凝器

冷却塔的构造：各种形式的冷却塔，一般包括下面所述的几个主要部分，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，又称填料，作用在于能将进塔的热水尽可能形成细小的水滴或水膜，增加水与空气的接触面积，延长接触时间，以增进水气之间的热质交换。 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。 （2）配水系统（3）通风筒（见下边）

蓄热式又称回热式或再生式换热器，它借助由固体构件（填充物）组成的蓄热体传递热量，此类换热器，热、冷流体依时间先后交替流过蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，使蓄热体壁温升高，把热量储存于固体蓄热体中，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。

热管换热器是以热管为换热元件的换热器，由若干热管组成的换热管束通过中隔板置于壳体中，中隔板与热管加热段，冷却段及相应的壳体内穷腔分别形成热、冷流体通道，热、冷流体在通道内横掠管束连续流动实现传热。

（2）按热流体与冷流体的流动方向分类（可参考书后思考题第三题）

热质交换设备按照其内热流体与冷流体的流动方向，可分为：顺流式、逆流式、叉流式和混合式等类型。 顺流式称并流式，其内冷、热两种流体平行地向着同方向流动，即冷、热两种流体由同一端进入换热器。 逆流式，两种流体也是平行流体，但它们的流动方向相反，即冷、热两种流体逆向流动，由相对得到两端进入换热器，向着相反的方向流动，并由相对的两端离开换热器。 叉流式又称错流式，两种流体的流动方向互相垂直交叉。

混流式，两种流体的流体过程中既有顺流部分，又有逆流部分。交叉次数在四次以上，可根据两种流体流向的总趋势，将其看成逆流或者顺流。

顺流，逆流区别：在进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小；顺流时冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，而逆流时冷流体的出口温度却可能超过热流体的出口温度。 （3）按用途分类有：表冷器、预热器、加热器、喷淋室、过热器、冷凝器、蒸发器、加湿器、暖风机等 喷淋室的类型：喷淋室有卧式和立式、单级和双级、低速和高速之分。此外在工程上还使用带旁通和带填料层的喷淋室。 立式喷淋器的特点是占地面积小，空气流动自下而上，喷水由上而下，因此空气与水的热湿交换效果更好，一般是在处理风量小或空调机房层高允许的地方采用。 双级喷淋室能够使水重复使用，因而水的温升大、水量小，在使用空气得到较大焓降的同时节省了水量。因此它更适宜于用在使用自然界冷水或空气焓降要求较大的地方。双级喷淋室的缺点是占地面积大，水系统复杂。

冷却塔的构造：各种形式的冷却塔，一般包括下面所述的几个主要部分，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，又称填料，作用在于能将进塔的热水尽可能形成细小的水滴或水膜，增加水与空气的接触面积，延长接触时间，以增进水气之间的热质交换。

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。2）配水系统3）通风筒 冷却塔根据循环水在塔内是否与空气直接接触，分为干式，湿式。根据熱质交换区段内水和空气流动方向不同有逆流塔、横流塔之分。

配水系统作用在于将热水均匀的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。常用的配水系统有槽式、管式、池式

通风筒是冷却塔的外壳，气流的通道。

（4）按制造材料分类：金属材料、非金属材料及稀有金属材料等。 思考题1、分子传递现象可以分为几类？各自由什么原因引起的？ 答：分为三类：动量传递、热量传递和质量传递现象。 动量传递：流场中的速度分布不均匀（或速度梯度的存在）； 热量传递：温度梯度的存在（或温度分布不均匀）；

质量传递：物体的浓度分布不均匀（或浓度梯度的存在）。

2、热质交换设备按照工作原理分为哪几类？他们各自的特点是什么？

答：热质交换设备按照工作原理分为：间壁式，直接接触式，蓄热式和热管式等类型。

间壁式又称表面式，在此类换热器中，热、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，不掺混。

直接接触式又称混合式，在此类换热器中，两种流体直接接触并且相互掺混，传递热量和质量后，在理论上变成同温同压的混合介质流出，传热传质效率高。

蓄热式又称回热式或再生式换热器，它借助由固体构件（填充物）组成的蓄热体传递热量，此类换热器，热、冷流体依时间先后交替流过蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，使蓄热体壁温升高，把热量储存于固体蓄热体中，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。

热管换热器是以热管为换热元件的换热器，由若干热管组成的换热管束通过中隔板置于壳体中，中隔板与热管加热段，冷却段及相应的壳体内穷腔分别形成热、冷流体通道，热、冷流体在通道内横掠管束连续流动实现传热。

3、简述顺流、逆流、叉流和混合流各自的特点，并对顺流和逆流做一比较和分析。

答：顺流式又称并流式，其内冷、热两种流体平行地向着同方向流动，即冷、热两种流体由同一端进入换热器。

逆流式，两种流体也是平行流体，但它们的流动方向相反，即冷、热两种流体逆向流动，由相对得到两端进入换热器，向着相反的方向流动，并由相对的两端离开换热器。 叉流式又称错流式，两种流体的流动方向互相垂直交叉。

混流式又称错流式，两种流体的流体过程中既有顺流部分，又有逆流部分。

顺流和逆流分析比较： 在进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，顺流时，冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，而逆流时冷流体的出口温度却可能超过热流体的出口温度，以此来看，热质交换器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免布置成顺流，但逆流也有一定的缺点，即冷流体和热流体的最高温度发生在换热器的同一端，使得此处的壁温较高，为了降低这里的壁温，有时有意改为顺流。

第二章 传质的理论基础

7个基本的物理量：物质的量是国际单位制中7个基本物理量之一（长度、质量、时间、电流强度、发光强度、温度、物质的量），它和“长度”，“质量”等概念一样，是一个物理量的整体名词。单位为摩尔(mol)。物质的量是表示物质所含微粒数(N)与阿伏伽德罗常数(NA)之比,即n=N/NA。它是把微观粒子与宏观可称量物质联系起来的一种物理量。

质量浓度?：单位体积混合物中某组分的质量称为该组分的质量浓度，以符号?表示。它等于混合物中组分A的质量MA与混合物的体积V之比。

物质的量浓度C：单位体积混合物中某组分的物质的量称为该组分的物质的量浓度，简称浓度。它等于混合物中组分A的物质的量，（kmol）与混合物的体积V之比

质量分数a：混合物中某组分的质量与混合物总质量之比称为该组分的质量分数，以符号a表示组分A的质量分数，它等于混合物中组分A的质量MA与混合物的总质量M之比。

多组分的传质过程中，uA、uB代表组分A、B的实际移动速度，称为绝对速度。u代表混合物的移动速度，称为主体流动速度或平均速度(以质量为基准)（若以摩尔为基准，用um表示）；uA-u及uB-u代表相对于主体流动速度的移动速度，称为扩散速度。

uA=u+(uA-u) uB=u+(uB-u) uA=um+(uA-um) uB=um+(uB-um)

绝对速度＝主体流动速度（平均速度）＋扩散速度 2.1.2.2 传质通量【重点看三种传质通量、表示】

单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量称为传质通量。 传质通量＝传质速度×浓度 质量传质通量：m (kg/m2·s)； 摩尔传质通量：N (kmol/m2·s)。

以绝对速度表示的质量通量：mA??AuA

混合物的总质量通量为m?mA?mB??AuA??BuB

混合物的总摩尔通量为N?NA?NB?CAuA?CBuB?Cum CA为A的物质的量浓度 NA为以绝对速度表示的组分A的摩尔通量，kmol/(㎡.s)

以扩散速度表示的质量通量：扩散速度与浓度的乘积为以扩散速度表示的质量通量

以主体流动速度表示的质量通量：主体流动速度与浓度的乘积为以主体流动速度表示的质量通量。

1 u?(?AuA??BuB)?

上式为质量平均速度定义式

（总摩尔通量）N=N A+NB=CAuA+CBuB=Cum um=（CAuA+CBuB）/C （2）以扩散速度表示的质量通量 传质通量＝扩散速度×浓度

u A ?质量通量： j A ? ? A (u A ? u ) 摩尔通量： J A ? C A ( u m ) 总通量： j?jA?jBJ?JA?JB JB?CB(uB?um)jB??B(uB?u)（3）以主体流动速度表示的质量通量 传质通量＝主体流动速度×浓度 质量通量： ? 1 ? 同理： ?Bu?aB(mA?mB)?Au??A?(?AuA??BuB)?

??? ?A?(?AuA??BuB)?aA(mA?mB) ??1 ? 同理： CBum?xB(NA?NB)摩尔通量： C A u m ?C A ? (CAuA?CBuB)?C??

C ?A(CAuA?CBuB)?xA(NA?NB)C

稳态扩散：扩散范围内各点参数不变（恒定） 质量传递的方式亦分为分子传质和对流传质

两组分扩散系统中，组分A在组分B中的扩散系数等于组分B在组分A中的扩散系数。 分子传质又称为分子扩散，它是由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。

对流传质是指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。当流体中存在浓度差时，对流扩散亦必同时伴随分子扩散，分子扩散与对流扩散两者的共同作用称为对流质交换，对流质交换是在流体与液体或固体的两相交界面上完成的。

紊流扩散：分子扩散只有在固体、静止或层流流动的流体内才会单独发生。在湍流流体中，由于存在大大小小的漩涡运动，而引起各部位流体间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质便朝着浓度降低的方向进行传递。这种凭借流体质点的湍流和漩涡来传递物质的现象，称为紊流扩散。

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的扩散通量与组分A的浓度梯度成正比。jA??DABd?A dz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uA?uB。实际上，在分子扩散的同时经常伴有流体的主流运动。

在气体扩散过程中，分子扩散有两种形式，即双向扩散和单向扩散。在系统中取z1和z2两个平面，设组分A、B在平面z1处的浓度为CA1和CB1，z2处的浓度C恒定，系统的总浓度C恒定

组分A通过停滞组分B扩散时，浓度分布为对数型，在扩散距离的任一点处，pA和pB之和为系统总压力p。

在气体扩散过程中，分子扩散有两种形式，即双向扩散（反方向扩散）和单项扩散（一组分通过另一停滞组分的扩散）。

等分子反方向扩散：设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则成为等分子反方向扩散。 液体中的稳态扩散过程：

液体中的分子扩散速率远远低于气体中的分子扩散速率，其原因是由于液体分子之间的距离较近，扩散

物质A的分子运动容易与邻近液体B的分子相碰撞，使本身的扩散速率减慢。

常见有两种情况：即组分A与组分B的等分子反方向扩散 及 组分A通过停滞组分B的扩散。

固体中的扩散，包括气体、液体和固体在固体内部的分子扩散。一般来说，固体中的扩散分为两种类型：一种是与固体内部结构基本无关的扩散，另一种是与固体内部结构基本有关的多孔介质中的扩散。当气体在固体中扩散时，溶质的浓度常用溶解度S表示。在多孔固体中充满了空隙和孔道，当扩散物质在孔道内进行扩散时，其扩散通量除与扩散物质本身的性质有关外，还与孔道的尺寸密切相关。

高压下的气体和常压下的液体，由于其密度较大，因而?很小，故密度大的气体和液体在多孔固体中的扩散时，一般发生斐克型扩散。

克努森扩散通量：除与低压下的气体在多孔固体中扩散时，一般发生克努森扩散。 克努森扩散通量：NA?DKADKA(CA1?CA2) NA?(pA1?pA2) z1?z2RT(z1?z2)扩散系数：扩散系数是沿扩散方向，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，D?MAnA?,质量扩散系数D和动量扩散系数v及热量扩散系数a具有相d?AdCA??dydy同的单位m/s，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。

（扩散系数：物质的分子扩散系数表示它的扩散能力，是物质的物理性质之一。

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，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。对流传质是在流体流动条件下的质量传输过程，其中包含着由质点对流和分子扩散两因素决定的传质过程。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等等。

固体壁面与流体之间的对流传质速率可定义为：NA?hm(CAs?CA?)，对流传质系数hm与流体的性质、壁面的几何形状和粗糙度、流体的速度等因素有关。

浓度边界层：可以认为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体层中，该流体层称为浓度边界层。

流体流过壁面进行传质时，在壁面上会形成两种边界层，即速度边界层与浓度边界层。 浓度边界层厚度为?c，其定义通常为(CA?CAs)/(CA??CAs)=0.99时与壁面的垂直距离。 当组分A进行传递时，首先以分子传质的方式通过该静止流层，然后再向流体主体对流传质。 三种边界层的主要的表现形式：表面摩擦、对流换热以及对流传质，重要的边界层参数分别是摩擦系数

2Cf、对流换热系数h以及对流传质系数hm。

对流传质过程的相关准则数

1 施密特准则数SC对应于对流传热中的普朗特准则数Pr，其值由流体的运动黏度与物体的扩散系数之比构成

2 宣乌特准则数Sh 对应于传热中的Nu,其值由流体的边界扩散阻力与对流传质阻力之比， 3 传质的斯坦登准则数Stm

??（1）施密特准则数(Sc)对应于对流传热中的普朗特准则数（Pr) Pr?Sc?Dia

h?l( 2 ) 宣乌特准则数（Sh）对应于对流传热中的努谢尔特准则数( Nu ) Nu?hlSh?m?Di

( 3 ) 传质的斯坦顿准则数(Stm)对应于对流传热中的斯坦顿准则数St

St?Nuh?Re?Pr?CpulStm?hSh?mRe?Scu

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层向表面迁移并与之接触，流体质点在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。可将由无数质点群与表面之间的质量转移，视为流体靠壁薄层对表面的不稳态扩散扩散传质过程。

薄膜理论：当流体靠近物体表面流过时，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相混合和扰动。在此条件下，整个传质过程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的浓度分布，膜内的扩散传质过程具有稳态的特性。 思考题：简述质扩散通量的几种表示方法：以绝对速度表示的质量通量；以扩散速度表示的质量通量；以主体流动速度表示的质量通量。

单位时间通过垂直与传质方向上单位面积的物质的量称为传质通量。传质通量等于传质速度与浓度的乘积。

以绝对速度表示的质量通量：mA??AuA,mB??BuB,m?eAuA?eBuB 以扩散速度表示的质量通量：jA??A(uA?u),jB??B(uB?u)uB,j?jA?jB

?1?eAu?eA?(eAuA?eBuB)??aA(mA?mB)?e?以主流速度表示的质量通量：

eBu?aB(mA?mB)

流体宏观运动既可导致动量传递，同时也会把热量和质量从流体的一个部分传递到另一个部分，所以温

度分布、浓度分布和速度分布是相互联系的。

第三章 传热传质问题的分析和计算【此章有计算题，重点看例题】

动量、热量和质量传递类比：当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量和质量传递现象。动量、热量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由漩涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。动量通量密度正比于动量浓度的变化率，能量通量密度正比于能量浓度的变化率，组分A的质量通量密度正比于组分A的质量浓度的变化率。 刘伊斯准则数是反映热边界层与浓度边界层厚度关系的准则数。 热质交换类比律：hm?Dh??ha??hcp?，这个关系称为刘伊斯关系式

同一表面上传质过程对传热过程的影响：传质阿克曼修正系数表示传质速率的大小与方向对传热的影响，随着传质方向的不同，C0值有正有负，当传质的方向是从壁面到流体主流方向时，C0为正值，反之为负。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。在C0大于0时，随着C0的增大，壁面导热量是逐渐减小的，而膜总传热量是逐渐增大的。在C0小于0时，随着C0的减小，壁面导热量是逐渐增大的，而膜总传热量是逐渐减小的。因传质的存在，传质速率的大小与方向影响了壁面上的温度梯度t（0）的值，从而影响了壁面上的导热量。 刘伊斯关系式：cp?'h，即在空气-水系统的热质交换过程中，当空气温度及含湿量在实用范围内变化hmd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。

刘伊斯关系式成立条件：1：0.6?Pr?60, 0.6?Sc?3000 2：Le?a/DAB?1

例题3-1

常压下的干空气从“湿球”温度计球部吹过。它所指示的温度是少量液体蒸发到大量饱和蒸汽——空气混合物的稳定平均温度，温度计的读数是16℃，如图所示。在此温度下的物性参数为：

水的蒸汽压 PW=0.01817bar； 空气的密度 ρ=1.215kg/m3； 空气的比热 Cp=1.0045kJ/kg.℃； 水蒸汽的汽化潜热 r = 2463.1kJ/kg； Sc=0.60，Pr = 0.70 。 试计算干空气的温度。

[解]：求出单位时间单位面积上蒸发的水量为 水 m ? C W ? C f ? （1） m? h水从湿球上蒸发带入空气的热量等于空气通过对流传热传给湿球的热量： hAt?t?rmAf?水 r?m水t??t （2）

干空气的温度为： f h W

JH?JM

2所以， h m 1 ? Pr ? 3 （3）

??? h?cp?Sc? 2/3rPr??将（1），（3）带入（2）中整理得 tf????Cw?Cf??tw?cp?Sc?

因为 (Pr/Sc)2/3?(0.7/0.6)2/3?1.11R0?8.314kJ/(molK)

Pw0.0187?105?43所以 Cw???7.783?10mol/m3RT8.314?10?2890

根据题意，Cf= 0，水的分子量为18 g /mol，则

2463.1 tf??1.11?18?7.783?10?4?161.215?1.0045

℃ ?31.38?16?47.38思考题：

1、如何理解动量、热量和质量传递的类比性

答：当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别会发生动量、热量和质量传递现象。动量、热量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子传递，也可以是由漩涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。对三类现象的分子传递和湍流传递分析可以得出这三种传递现象背后的机理是相同的，它们依从的规律也类似，都可以用共同的形式表示：传递速率＝扩散系数×传递推动力，清楚地表明了“三传”之间的类比性。

另外，从动量方程、热量方程和扩散方程及相对应的边界条件可以看出它们在形式上是完全类似的，也清楚地表明了“三传”之间的类比性。

2、把雷诺类比律和柯尔本类比律推广应用于对流质交换可以得到什么结论。

答：将雷诺类比律和柯尔本类比律推广应用于对流质交换可知，传递因子等于传质因子①

??② 且可以把对流传热中有关的计算式用于对流传质，只要将对流传热计算式中的有关物理参数及准则数

22G3JH?JD??St?Pr?Stm?Sc32

用对流传质中相对应的代换即可，如：t?c,a?D,??D,Pr?Sc,Nu?Sh,St?Stm

③当流体通过一物体表面，并与表面之间既有质量又有热量交换时，同样可用类比关系由传热系数h 计

2?hhm??Le3e?算传质系数hm

3、定义施米特准则和刘伊斯准则，从动量传递、热量传递和质量传递类比的观点来说明他们的物理意义。

答：斯密特准则

表示物性对对流传质的影响，速度边界层和浓度边界层的相对关系

Sc?vDi

vSDaLe?c??vPrDa刘伊斯准则

表示热量传递与质量传递能力相对大小 热边界层于浓度边界层厚度关系

第四章 空气的热湿处理

空气处理过程中的传热传质有几个概念，如下有

空气调节，即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要求。 热舒适性，就是人体对周围空气环境的舒适热感觉，在人的活动量和衣着一定的前提下，这主要取决于室内环境参数，如温度、湿度等。

新风，就是从室外引进的新鲜空气，经过热值交换设备处理后送入室内的环境中。（两个用途：一是满足室内人员的卫生要求；二是补充室内排风和保持室内正压）

回风，就是冲室内引出的空气，经过热值交换设备的处理再送回室内的环境中。

送风状态点指的是为了消除室内的余热余湿，以保持室内空气环境的要求，送入房间的空气的状态。 湿空气焓湿图：把描述湿空气状态参数及其变化过程的特性，描述在以焓值为纵坐标、以含湿量为横坐标的图线称为焓湿图。主要线条有等焓线、等含湿量线、等温线、等相对湿度线以及水蒸气分压力线等。 送风状态点：指的是为了消除室内的余热余湿，以保持室内空气环境要求，送入房间的空气的状态。 夏季室内设计工况：温度24~28摄氏度，相对湿度40%~65%，风速不应大于0.3m/s 冬季室内设计工况：温度18~22，湿度40%~65%，风速不应大于0.2m/s 一般夏季需对室外空气进行冷却减湿处理，而冬季则需要加热加湿。

空气与水直接接触时，根据水温的不同，可能仅发生显热交换，也可能既有显热交换又有潜热交换，即发生热交换的同时伴有质交换（湿交换） 显热交换是空气与水之间存在温差时，由导热、对流和辐射作用而引起的换热结果。 潜热交换是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。

总热交换是显热交换和潜热交换的代数和. 温差时热交换的推动力，而水蒸气分压力是湿（质）交换的推动力。

空气与水直接接触时的状态变化过程分析： A-2过程是空气增湿和减湿的分界线， A-4过程是空气增焓和减焓的分界线， A-6过程是空气升温和降温的分界线。

如图，当水温低于空气露点温度时，发生A-1过程。此时由于tw?t1?tA和Pq1?PqA，所以空气

被冷却和干燥。水蒸汽凝结是放出的热亦被水带走。

当水温等于空气露点温度时，发生A-2过程。此时由于tw?tA和Pq1?PqA，所以空气被等湿冷却。 当水温高于空气露点温度而低于空气湿球温度时，发生A-3过程。此时由于tw?tA和Pq3?PqA，空气被冷却和加湿。

当水温等于空气湿球温度时，发生A-4过程。此时由于等湿球温度线与等焓线相近，可认为空气状态沿等焓线变化而被加湿。在该过程中，由于总热交换量近似为零，而且tw?tA，Pq4?PqA，说明空气的显热量减少、潜热量增加，二者近似相等。实际上，水蒸发所需热量取自空气本身。

当水温高于空气湿球温度而低于空气干球温度时，发生A-5过程。此时由于tw?tA，Pq5?PqA，空气被加湿和冷却。水蒸发所需热量来自水本身。

当水温等于空气干球温度时，发生A-6过程。此时由于tw?tA，Pq6?PqA，说明不发生显热交换，空气状态变化过程为等温加湿。水蒸发所需热量来自水本身。

当水温高于空气干球温度时，发生A-7过程。此时由于tw?tA和Pq7?PqA，空气被加热和加湿。水蒸发所需热量及加热空气的热量均来自于水本身。以冷却水为目的的湿空气冷却塔内发生的便是这种过程。 空气与水直接接触时的对流增湿和减湿P132 hmd=h\\cp 刘伊斯关系式，它表明对流交换系数与对流质交换系数之比是一常数。公式（4-17）麦凯尔方程，它表明在热值交换的同时进行时，如果符合刘伊斯关系式的条件存在，则推动总热交换的动力是空气的焓差。

影响空气与水表面之间热质交换的主要因素：1 焓差是总热交换推动力2 气液之间的双膜阻力是热质交换的控制因素3间接接触的表冷器深度对热质交换过程的影响。

气液之间的双膜阻力是热质交换的控制因素，影响两摩阻力的因素有：空气流动状况对气膜阻力的影响（空气质量流速νρ表示空气的流动状况），水滴大小对水膜阻力的影响，淋水装置的填料材料和结构对于热质交换也有很大影响，水气比μ的影响,其他影响因素还有热质交换设备的构造以及流体物性等。

第五章 吸附和吸收处理空气的原理与方法 吸附的基本知识和概念

吸附(adsorption)就是把分子配列程度较低的气相分子浓缩到分子配列程度较高的固相中。使气体浓缩的物体叫做吸附剂（adsorbent）,被浓缩的物质叫做吸附质（adsorbate）。 （2）吸附的种类：吸附可分为物理吸附和化学吸附。（差别 特征 过程 特点 除湿 吸附剂）

物理吸附主要依靠普遍存在于分子间的范德华力起作用。物理吸附是一种表面现象，可以是单层吸附，也可以是多层吸附，主要特征为：1）吸附质与吸附剂之间无化学反应；2）对吸附气体选择性不强；3）吸附过程快，参与吸附的各相之间瞬间达到平衡；4）吸附为低放热过程，放热量略大于液化潜热；5）吸附剂与吸附质间的吸附力不强，在条件改变时可以脱附。（化学吸附做不到）

化学吸附起因于吸附质分子与吸附剂表面分子（原子）的化学作用，在吸附过程中发生电子转移和共有原子重排以及化学键断裂与形成等过程。化学吸附多是单层吸附。

物理吸附和化学吸附的比较

比较项目 吸附热 吸附力 可逆性 吸附速度 吸附质 发生条件 物理吸附 小（21~63KJ/mol），相当于1.5~3倍凝结热 范德华力，较小 可逆，易脱附 快 非选择性 化学吸附 大（42~125KJ/mol），相当于化学反应热 未饱和化学键力，较大 不可逆，不能或不易脱附 慢（因需要活化能） 选择性 如适当选择物理条件（温度、压力、发生在有化学亲和力的固体、液体之间 浓度），任何固体、流体之间都可发生 与表面覆盖程度无关，可多层吸附 随覆盖程度的增加而减弱，只能单层吸附 作用范围 等温线特点 吸附量随平衡压力（浓度）正比上升 关系较复杂 等压线特点 吸附量随温度升高而下降（低温吸附、高温脱附） 在一定温度下才能吸附（低温不吸附，高温下有一个吸附极大点） 好的吸附剂都为多孔介质，多孔介质吸附剂孔按孔隙大小分为三类：微孔、过渡孔和大孔。同较大孔隙的吸附相比，微孔吸附的特点是吸附能力强。微孔中整个空间存在着吸附力场，这是微孔吸附于较大孔隙吸附的根本不同点。

吸附密度：表征多孔性物质的密度，采用真密度、表观密度和堆积密度三种密度表示。 常用吸附剂的类型和性能：常用的固体吸附剂可分为“极性吸附剂”和“非极性吸附剂”， 极性吸附剂具有亲水性，属于极性吸附剂的有硅胶、多孔活性铝、沸石等铝硅酸盐类吸附剂。

硅胶：亲水性，易吸附水分，而难于吸附非极性物质。

多孔活性氧化铝：用于气体干燥，石油气脱硫，含氟废气净化。

沸石：通常为人工合成沸石分子筛，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。对极性分子，不饱和有机物具有独特的吸附特性，选择吸附能力。

而非极性吸附剂则具有憎水性，属于非极性吸附剂的有活性炭等，这些吸附剂对油的亲和性比水强。、 活性炭：疏水性，常用于空气中有机溶剂，催化脱除尾气中SO2、NOX等恶臭物质的净化； 优点：性能稳定、抗腐蚀。

硅胶是传统的吸附除湿剂，因为比表面积大、表面性质优异，在较宽的相对湿度范围内对水蒸气有较好的吸附特性。缺点是如果暴露在水滴中很快裂解成粉末，失去除湿性能。

吸附空气中水蒸气的吸附剂被称为干燥剂。干燥剂吸湿和放湿是由于干燥剂表面的蒸汽压与环境空气的蒸汽压差造成的：当前者较低时，干燥剂吸湿，反之放湿，两者相等时，达到平衡，即既不吸湿，也不放湿。（用于大设备）

静态吸附除湿是指吸附剂和密闭空间内的静止空气接触时，吸附空气中水蒸气的方法，也可以说是间歇操作方法。 设计任务：计算吸附剂量、或计算达到平衡的时间 动态吸附除湿法是让湿空气流经吸附剂的除湿方法。

与静态吸附除湿法相比，动态吸附除湿所需要吸附剂量少、设备体积小，花费较少的运转费就能进行打空气流量的除湿。

按照除湿的方式可分为冷却除湿和绝热除湿，冷却除湿是在除湿的同时通过冷却水或空气将吸附热带走，保持近似等温除湿，而绝热除湿则近似等焓过程，即被除湿的处理气流含湿量降低的同时，温度会升高，气流的焓值基本不变。

利用吸附材料降低空气中的含湿量，优点：吸附除湿既不需要对空气进行冷却也不需要对空气进行压缩。另外吸附除湿噪声低且可以得到很低的露点温度。

空调领域大量采用表冷器除湿，这种方法也有缺点，仅为降低空气温度，冷媒温度无需很低，但为了除湿，冷媒温度必须低，一般为7-12C，从而降低了制冷机得COP,而且由于除湿后的空气温度过低，往往还需将空气加热到适宜的送风状态。不仅浪费了能源，还增加了对环境的污染。传统空调系统中表冷器产生的冷凝水易产生霉菌，影响室内空气质量。

独立除湿是对空气的降温与除湿分开独立处理，除湿不依赖于降温方式实现。典型的独立除湿方式主要采用吸收或吸附方式，这样所要求的冷源只需将空气温度即可，可以克服传统空调方式的缺点。 吸收剂处理空气的原理和方法【机理】：吸收能力与气体分压（压差）、温度、吸收液浓度等有关。 吸附平衡、等温吸附线和等压吸附线

q?f(p,T) 对于给定的吸附剂和吸附质，平衡时吸附剂对吸附质的吸附量q为：

吸附等压线： q?f1(T),p?常数

q?f2(p),T?常数吸附等温线：

典型等温吸附线

I-合成沸石等吸附系的；II-Lamgmuri型；III-活性铝等吸附系的；IV-活性炭吸附水蒸气；V-BET型；VI-线性吸附

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