热质交换原理与设备课程 动量交换与热交换的类比在质交换中的应用

热质交换原理与设备课程第2章6动量交换与热交换的类比在质交换中的应用雷诺类似律建立在一个简化模型基础上，应用受到了很大的限制。只有摩擦阻力而不包括形体阻力，只能用于不存在附面层分离时才正确。雷诺类比的局限性2、柯尔本类似律普朗特类似律卡门类似律柯尔本类似律前提条件气体或液体1、简明实用2、引入了一个包括流体重要物性的Sc数计算因子传热因子传质因子对流传热和流体摩阻之间的关系对流传质和流体摩阻之间的关系为了便于直接计算出换热系数和传质系数，把几个相关的特征数整合在一起，用一个符号表示，称为计算因子动量传输和质量传输过程的类比关系:实验证明JH、JD和摩阻系数Cf有下列关系，即适用于平板流动和没有形状阻力存在的流动。将对流传热计算式中的有关物理参数及准数用对流传质中相对应的代换即可，如：平板层流传热平板层流传质对流传热和对流传质的类比平板紊流传热平板紊流传质光滑管紊流传热

光滑管紊流传质对流传热和对流传质的类比3、热、质传输同时存在时的类比关系有质量、热量交换时，用类比关系由传热系数

计算传质系数hm。Pr数值的大小表示动量边界层和热量边界层厚度的相对关系；Sc准则数表示动量边界层和质量边界层的相对关系。Le反映热边界层与浓度边界层厚度关系的准则数；热、质传输同时存在时的类比关系成立条件常压下的干空气从“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。[例2-9]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：干空气的温度为：设Cf=0，水的分子量为18g/mol，则2.6对流质交换的准则关联式2.6.1流体在管内受迫流动时的质交换管内流动着的气体和管道湿内壁之间，气体中某组分能被管壁的液膜所吸收，或液膜能向气体蒸发，均属质交换过程，它和管内受迫流动换热相类似。1.在温差较小的条件下，管内紊流换热可不计物性修正项，有如下准则关联式

2.吉尔兰（Gilliland）把不同液体润湿的管壁和空气之间的质交换，整理成相似准则，得到管内对流传质准则关联式上两式只在指数上稍有差异，其应用范围是2000＜Re＜35000，0.6＜Sc＜2.5，准则中的定型尺寸是干壁内径，速度取空气对干壁表面的数据，定性温度取空气温度。图2-13Sh=f(Re,Sc)3.类比律计算管内流动质交换系数由采用布拉西乌斯光滑管内的摩阻系数公式则可得即实验得到的准则关联式2.6.2流体沿平板流动时的质交换1.当流动是层流时平板流动换热的准则关联式相应的质交换准则关联式：2.当流体是紊流时，换热的准则关联式相应的质交换准则关联式式中：定型尺寸是用沿流动方向的平板长度L；速度u用边界层外的主流速度；计算所得的是整个平板上的平均值。对于其他形状物体表面对流传质的准则关系式可以参考相应的传热的准则关系式例[2-10]试计算空气沿水面流动时的对流质交换系数hm和每小时从水面上蒸发的水量。已知空气的流速u=3m/s，沿气流方向的水面长度l=0.3m，水面的温度为15℃，空气温度20℃，空气总压强为1.013×105Pa，其中水蒸汽分压强p2=701Pa，相当于空气的相对湿度为30％。[解]（1）空气在20℃时的v=1.506×10-5m2/sRe<100000浓度边界层中空气平均温度D0=0.22(cm2/s)（2）水面的蒸发量即质扩散通量:水面15℃时的水蒸汽饱和分压强p1=1704Pa，故2.5.3刘伊斯关系式

根据契尔顿-科尔比热质交换的类似律干空气的平均质量密度传质系数，表示以湿空气的含湿量差为驱动力的对流传质系数*刘易斯关系式

结论:

在空气水系统的热质交换过程中，在空调温度范围内，空气温度及

含湿量变化很小时，换热系数与传质系数之间需要保持一定量值的关系。适用范围:1)

2)对湍流热质交换过程同样适用。对湍流而言，

，刘易斯关系

式总是成立的，对于层流或层流底层，只有

才成立。

本章小结传质过程的基本概念及基本定律扩