传热学第四版第11章

1、传热学第十一章传质学简介课件制作人：尹华杰11-1质扩散与斐克定律传质学的几个概念质量传递或传质在含有两种或两种以上组分的流体内部，如果有浓度梯度存在，则每一种组分都有向低浓度方向转移，以减弱这种浓度不均匀的趋势。混合物的组分在浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质，亦称质量传递热扩散、压力扩散引起浓度扩散11-1质扩散与斐克定律混合物浓度的表示方法浓度梯度是传质的一种推动力质量浓度，单位是kg/m3物质的量浓度c，单位是kmol/m3VmVmBBAAVncVncBBAA11-1质扩散与斐克定律混合物浓度的表示方法理想混合气体第i组分物质的量浓度ci与组分的分压力pi及温度T的关

2、系KmolJR，R，PaipRTpciii/108314;:3为摩尔气体常数的分压力为混合物中组分式中11-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程质扩散裴克定律方向的通量指向浓度降低的负号表示质量通量密度扩散同物质表示物质下标称为质扩散率为比例系数为质量通量密度式中；BAABs；，m，D；sm，kgMxDMABAAABA/:2211-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程质扩散裴克定律降低的方向量密度的通量指向浓度负号表示物质的量的通扩散同物质表示物质下标称为质扩散率为比例系数为物质的量的通量密度式中；BAABs；，m，D；sm，kgNxcDNABAAA

3、BA/:2211-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程质扩散系数质扩散系数D是个物性参数,它表征了物质扩散能力的大小。它的值取决于混合物的性质、压力与温度，主要靠实验来确定，可查取。对气相物质，当已知温度T0、压力p0下的扩散系数D0时，温度T、压力p下的扩散系数可按下式估算：ppTTDD05 . 10011-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程热量、动量和质量传递过程对比11-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程三种传递现象的传递率的统一计算式 传递率=-扩散率传递推动力两种典型的质扩散过程等摩尔逆向扩散等摩尔逆向扩散定义如图

4、所示，设组分A、B以相同的物质的量的通量密度向相反方向扩散，则称这种扩散过程为等摩尔逆向扩散11-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程两种典型的质扩散过程等摩尔逆向扩散稳态扩散时，等摩尔逆向扩散系数DAB与DBA间的关系稳态时整个扩散系统的总压力为常数：DDDNNdxdpRTDNdxdpRTDdxdcDNdxdpdxdpconstpppBAABBABBABAABAABABABA:,00得因11-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程两种典型的质扩散过程等摩尔逆向扩散等摩尔逆向扩散中物质的量的通量密度计算式是两点间的距离的分压两点在分别为组分式中xApp

5、ccxDxRTppDNNDRTdxdpAAAAABAAABAAABA,2 , 1,21212111-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程两种典型的质扩散过程等摩尔逆向扩散等摩尔逆向扩散的应用场合在气体分离的蒸馏过程中，当低沸点组分和高沸点组分的潜热相近时，高沸点组分凝结释放出的热量使相同物质的量的低沸点组分汽化（略去散热），则该过程可近似地按等摩尔逆向扩散处理11-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程两种典型的质扩散过程单向扩散问题描述考虑如图所示的量筒底部的水层向顶部大气的扩散过程。由于水面上水分的蒸发，水蒸气不断地向上扩散。此外，设在量筒口有一股

6、极低流速的气流不断地把水蒸气带走，则可建立起一个稳态的扩散过程11-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程两种典型的质扩散过程单向扩散问题描述由图可见，空气中的分压力梯度在接近于水面处几乎为零。这是因为空气在水中的溶解度几乎为零，因而不能向水中扩散。由于在这一过程中水面上的水蒸气不断向空气扩散，而空气不能进入水面，因而称为单向扩散单向扩散。11-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程两种典型的质扩散过程单向扩散问题描述但另一方面，量筒口处空气的分压力显然要大于水面上的分压力，因而必须有空气不断地从量筒口向量筒底部扩散，这样便会在水平面上积聚起越来越多的空

7、气。为了维持一个稳定的扩散过程，可以设想一定会有一股沿水面的法线方向向上流动的混合气流。该混合气流中夹带有空气，以补偿从量筒口向水面的空气扩散。在量筒的任一截面上这股向上的气流的流速应使该截面上空气的净质量交换率（空气向下的扩散与补偿气流向上夹带的空气之差）为零11-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程两种典型的质扩散过程单向扩散问题假定扩散过程是稳态的系统是等温的水面上方空间的压力p0为常数混合气体可以作为理想气体处理11-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程两种典型的质扩散过程单向扩散单向扩散物质量的通量密度计算式斯蒂芬（Stephan）定律的流

8、速的物质的量浓度及气流截面处气体中空气分别为式中xvcvcdxdpRTDNdxdpdxdpconstpppxAxxAxAABAwAwA,00dxdpppRTDdxdppppRTDdxdppppRTDNppccRTpcRTpcccdxdpRTDdxdpRTDvcdxdpRTDNdxdpRTDcdxdpRTDcvAAwwwAAwwAwAxwxwwxAAxAxwxwwxwxwwwAxAAxx000,11有对于理想气体这是在裴 克定律的基础上考虑了单向扩散特点后得出的物质的量的通量密度计算式，称为斯蒂芬定律11-1质扩散与斐克定律质扩散裴克（Fick）定律及典型扩散过程两种典型的质扩散过程单向扩散斯蒂

9、芬（Stephan）定律的积分表达式121201200ln1),(,ln1xxxppxTRDpMRRppxRTDpNdxNDpRTpdpAAwwwAAwwAA其中即面积上所扩散的质量单位时间内单位截量密度计算得到的是质量流通则来代替摩尔气体常数用水蒸气的气体常数11-2对流传质及表面传质系数对流传质表面传质系数对流传质对流传质（又称质对流）是指当流体流经一个相界面时与界面之间发生的质量交换。这种界面可以是液体表面也可以是固体表面11-2对流传质及表面传质系数对流传质表面传质系数对流传质计算式33,33,/,;/,;/,:mkgmkmolAcmkgmkmolAcsmhhMcchNfAfAwAwA

10、mfAwAmAfAwAmA和单位分别为与质量浓度的物质的量浓度分别为主流中组分和单位分别为浓度的物质的量浓度与质量组分分别为界面处为表面传质系数式中11-2对流传质及表面传质系数对流传热与传质的类比对流换热与对流传质具有相同的单值性条件时的关系路易斯（Lewis）关系层流时对流换热与对流传质的对比.4 . 033. 0.PrRe,PrRe11之间值一般在称为路易斯数上式称为路易斯关系式nDaLecDacDaDhhDalhDhlScShNuScCShCNunpnpnmnmnnmnm11-2对流传质及表面传质系数对流传热与传质的类比湍流时对流换热与对流传质的类比传递方式对流换热对流传质管内强制对流

11、换热充分发展段，流体被加热外掠平板4 . 08 . 0PrRe023. 0Nu5 . 26 . 0105 . 3Re102Re023. 04344. 083. 0ScScSh5318 . 0105RePrRe0292. 0 xxxNu5318 . 0105ReRe0292. 0 xxxScSh应用实例质量与热量同时传递的过程干湿球温度计的质热传递现象当一股温度为t、水蒸气质量浓度为的气流吹过湿球时同时发生着对流传质及对流传热。首先，水蒸气由湿球上的水膜表面进入空气流中，水膜表面水蒸气的分压力即为湿球温度tw下的饱和蒸汽压力。相应的水蒸气质量浓度为w应用实例质量与热量同时传递的过程干湿球温度计的

12、质热传递现象来流空气中水蒸气浓度的计算式在单位面积上的质交换为由于水分的蒸发要吸收潜热，从而使水膜温度降低(tw低于干球温度t)，气流与水膜表面间又产生了对流换热，单位面积上的换热量为wmwhMwtthq应用实例质量与热量同时传递的过程干湿球温度计的质热传递现象来流空气中水蒸气浓度的计算式达到热平衡时,气流传给水膜的热量等于水分蒸发所消耗的潜热,即确定计算时物性参数可按取路易斯关系式适用相同的单值性条件热问题具有所研究的对流传质与传为水的潜热式中213/1132wpwwmwwwwmttDacttrn，。rhhttrtthrh复习题、习题复习题：3习题传质：11-17传热学在科学技术领域中的应用

13、1.选用或发展合适的换热关联式，以便有效地设计各类热交换设备2.利用或开发各种强化换热手段，以提高传热效果、降低材料消耗、改进设备紧凑性传热学在科学技术领域中的应用3.开发或选择有效的冷却方法，以提高发热（受热）元件或设备的冷却效果，保障设备的安全、经济运行大型发电机冷却技术的发展过程空气冷却 20世纪30年代 100MW氢气冷却 始于1937年(美国) 1000MW蒸发冷却 尚处于研究阶段 我国已研制成功1200kVA的样机传热学在科学技术领域中的应用3.开发或选择有效的冷却方法，以提高发热（受热）元件或设备的冷却效果，保障设备的安全、经济运行电子器件的导热模块（TCM）核反应堆中的燃料棒冷却传热学在科学技术领域中的应用4.设计绝热工程、开发绝热技术，以节约能量、保护环境绝热材料绝热设计5.预测加工制造工艺中工件内部的温度场，以合理地