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/m3,11-1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的关系,11

2、-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,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,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：,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 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（Fic

3、k）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：,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,11-1质扩散与斐

4、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

5、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。,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

6、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,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

7、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 斯蒂芬（Stephan）定律的积分表达式,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,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,11-2对流传质及

8、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,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,应用实例质量与热量同时传递的过程

9、,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,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,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 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，以合理地控制生产工艺过程，提高产品质量，或为热应力、热变形的计算提供依据,传热学在科学技术领域中的应用,6.开发新能源、清洁能源，合理