热质交换原理.doc

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：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 m 流体的动力黏性系数，Pas，反应流体传递动量的能力。 u流体沿x方向的运动速度，m/s du/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：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) l导热系数，W/(m)，反应物体传递热量的能力 t流体的温度， y温度发生变化方向的坐标，m dt/dy温度梯度，表示温度沿垂直于y方向的变化率，/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/(m2s) 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，m y组分A在密度发生变化的方向的坐标，m dCA/dy组分A的质量浓度梯度，kg/( m3m) 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：其中，FDff的通量密度 df/dyf的变化率 C比例常数 f 分别表示质量、动量和热量 f 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：式中，jA、jB组分A、B的质量扩散通量，kg/(m2s)； drA/dz、drB/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在组分中的扩散系数，m2/s以摩尔为基准的斐克定律，可表达为：式中，JA、JB组分A、B的摩尔扩散通量，kmol/(m2s) 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=DBAD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：以摩尔为基准：aA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r不变的情况下，由于组分A、B的质量浓度梯度drA/dz、drB/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（5）推论：DABDBA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：（m2/s）（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d(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dt(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dc(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，d、dt和dc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=rul/m=ul/n 流体密度，u平均流速，l特征尺寸，流体动力黏度系数，n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= n/a n 运动黏度（动量传输系数），a 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= n/Di n 物体的运动黏度，Di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/l h 对流换热系数，l 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=hml/Di hm 对流传质系数， Di物体的互扩散系数，l 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/(RePr)=h/(rcpu)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/(ReSc)=hm/u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流体密度，u平均流速，l特征尺寸，流体动力黏度系数，n流体运动黏度Di物体的扩散系数Re=rul/m=ul/nSc= n/Di当流动是层流(Re5105)时：Sh=0.644Re1/2Sc1/3当流动是紊流(Re5105)时：Sh=(0.037Re0.8-870)Sc1/3 hm=ShDi /l10. 刘伊斯关系式P72 h/hmd=cp在空气-水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：0.6Pr60，0.63000，Le=a/DAB1 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/DAB 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。（3）新风：从室外引进的新鲜空气，经过热质交换设备处理后送入室内的环境中。（4）回风：从室内引出的空气，经过热质交换设备的处理再送回室内的环境中。（5）送风状态点：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。11. 空气处理的各种途径 作图题P122各种方案，会画图，给图看过程12. 麦凯尔方程表达式，物理意义P124hw冷却剂侧的对流换热系数湿空气的冷却与降湿hmd以含湿量为基准的传质系数t、ti、tw分别为湿空气主流、凝结水膜和冷却剂侧主流温度d、di分别为湿空气主流和紧靠水膜饱和空气的含湿量i、it分别为湿空气主流和凝结水膜的焓湿空气在冷却表面进行冷却降湿过程中，湿空气主流与紧靠水膜饱和空气的焓差是热质交换推动势，其在单位时间内、单位面积上的纵传热量可近似的用传质系数hmd与焓差驱动力Di的乘积来表示。13七种变化过程的名称，空气和水的变化特点P1304-7 给条件要会画图 为非理想4-6 理想过程14 吸附、吸附剂、吸附质 名词解释P136（1）吸附：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。（2）吸附剂：使气体浓缩的物体叫做吸附剂（3）吸附质：被浓缩的物体叫做吸附质。15吸附等温线P14516. 常见的吸附剂有哪些，再生特点、方式有哪些P144常用的固体吸附剂分为极性吸附剂和非极性吸附剂。极性吸附剂（具有亲水性）：包括硅胶、多孔活性铝、沸石等铝硅酸盐类吸附剂。非极性吸附剂（憎水性）：活性炭等。这些吸附剂对油的亲和性比水强。目前，还发现很多高分子材料对水蒸气具有较好的吸附性，这类高分子材料通常被成为“高分子胶”（1）硅胶：传统的吸附除湿剂。优点：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：暴露在水滴中会很快裂解成粉末，失去除湿性能。再生：在水蒸气分子较高的表面覆盖情况下，硅胶对水蒸气的吸附热接近水蒸气的汽化潜热。较低的吸附热使得吸附剂和水蒸气分子的结合较弱，有利于吸附剂再生。硅胶的再生只要加热到近150。（2）活性氧化铝与硅胶相比，活性氧化铝吸湿能力稍差，但更耐用且成本降低一半。（3）沸石具有四边形晶状结构，中心是硅原子，四周包围有四个氧原子。这种结构使得沸石具有非常一致的微孔尺寸，因而可以根据分子大小有选择地吸收或排斥分子，故而称为“分子筛沸石”再生：再生温度为300，因为沸石的水蒸气吸附热相当高。17. 再生P149一个完整的干燥循环由吸附过程、脱附过程（再生过程）和冷却过程构成。再生方式：加热再生方式：供给吸附质脱附所需的热量 减压再生方式：用减压手段降低吸附分子的分压，改变吸附平衡，实现脱附。 适用清洗气体的再生方式：借通入一种很难被吸附的气体，降低吸附