热质交换原理与设备

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1、质量通量用绝对速度表示mA = PAUA用扩散速度表示JA = PA(uA - u )摩尔通量用绝对速度表示Na = CAUA用扩散速度表示JA = CA(uA - uM)传质通量是单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量，传质通量等于传质速度与 浓度的乘积。u = 1/ p(PAuA + PBuB)质量传质: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：指避免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。分子扩散和 对流扩散的总作用成为对流传质交换斐克定律(扩散基本定律)一在浓度场不随时间变化的情况下，组分A向组分B的扩散通量与组分A的浓度

2、梯度成正比，表达式：质量扩散通量巾=DABdA B = DBAdPB摩尔扩散通j a , j ldzdz量JA = 一DABB = -DBAdCB两组分扩散系统有：忙=-5 = -JB所以扩散系数DAB = DBA = D注：菲 dZdZ克定律只适用于由于分子无规则热运动引起的扩散过程，其传递的速度为扩散速度，一般 表达式：mA - -D* + aA(mA + mB) aA * Na - 一吁+ xA(.Na + Nb) xA 十组分的实际传质通 量=分子扩散通量+主题流动通量。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，定义：扩散 系数是沿扩散方向，在单位时间浓度降得

3、条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量 或摩尔数，单位m7s。浓度边界层决定了对流传质，如果在表面处流体中的某种组分A的浓度CAs和自由流体 的CA8不同，就将产生浓度边界层，它是存在浓的梯度的流体区域，并且它的厚度5被 定义为C-cas/C血-cas= 0.99时的y值，在表面和自由流的流体之间的对流造成的组分的 传递是由这个边界层中的条件决定的。对流传质的相关准则，基本计算式：mA =如仔心-皈口传质传热施密特准则数Sc=v运动粘度/Di扩散系数普朗特准则数Pr=v/a热扩散率，v=u动力 粘度/p宣乌特准则Sh=hm (传质系数)l (定型尺 寸)/Di努谢尔准则数Nu=hl/ A斯

4、坦登准则数Sta=Sh/ReSc=hm/u斯坦登准则数St=h/P cJu对流换热的基本计算式：q = hO-tJk/E，当热质传递同时存在时，对流传热系数h和对流传质系数hm之间满足：hm = Je二 或十pcpLe：在什么条件下，描述对流传质的准则关联式与描述对流换热的准则关联式具有完全类似的 形式？如果组分浓度比较低，界面上的质扩散通量比较小，则界面法相速度与主流速度相比很小 可以忽略不计时，描述对流换热系数和对流传质的准则关联式具有完全类似的形式，此时， 对流换热与对流传质的边界层微分方程不仅控制方程的形式类似，而且具有完全相容的边 界条件，此时对流换热和对流传质问题的解具有完全类似的

5、形式。刘易斯准则数Le=Sc/Pr=a/D表示温度分布和浓度分布的相互关系，体现传热和传质之间的 联系施密特准则数反映了流体动量传递能力和质量传递能力的相对大小宣乌特准则数 是以流体的边界扩散阻力对对流传质阻力之比来标志过程的相似特征，反映了对流传质的强 弱。边界层的关系：当Sc=1时，速度分布和浓度分布曲线相重合，或速度边界层和浓度边界层 厚度相等。当Le=1时，温度分布和浓度分布曲线相重合，或温度边界层和浓度边界层厚度 相等。Pr=v/a表示速度分布和温度分布的相互关系，体现流动和传热之间的相互联系，Sc=v/D 表示素的分布和浓度分布的相互关系，体现流体的传质特性。刘易斯关系在湍流情况下

6、的推导：对水一空气系统十=cp因湍流交换从平面1到平面2的 每单位面积的热流量为:qf =咛（t1 -12）如果用湍流换热系数h来表示这一热量，这可写成为： 、2）=pcpv（t1 -12）同样，忧郁湍流交换而引起的每单位面积上的质量交换量为： mt = pv（d 1 - d2）= hmd（d 1 - d2）两式相除可得h/hmd = cp可见在湍流时不论a/七是否等于1，刘易 斯关系式总是成立的。这说明了在湍流传递过程中，流体之间的湍流混合在传递过程中起重 要作用。对于层流或湍流紧靠固体表面的层流底层来说，刘易斯关系式仅适用于a/daB=1 的情况，这是因为在这些区域内，分子扩散在传递中起重

7、要作用。显热是以干球温度的差值来表示的，潜热是以含湿量的差值来表示的，焓就是代表着潜热与 显热的总能量，结论：湿空气主流与靠近水膜饱和空气的焓差是热、质交换的推动力。空气与水直接接触时，水表面形成的饱和空气边界层与主流空气之间通过分子扩散与紊流扩 散，使边界层的饱和空气与主流空气不断混掺，从而使主流空气状态发生变化。因此，空气 与水的热湿交换过程可以视为主体空气与边界层空气不断混合的过程。当水温低于空气露点 温度时，此时由于tw t1 tA和pq1戏，所以空气被冷却和干燥。水蒸气凝结时放出的热易被 水带走。当水温等于空气露点温度时，此时由于tw tA和pq1 = pqA，所以空气被等湿冷却。

8、当水温高于空气露点温度而低于空气湿度温度时，此时由于 pqA，空气被冷却 和加湿，当水温等于空气湿度温度时，空气状态沿等焓线变化而被加湿。总热交换量近似为 零，tw pqA，说明空气的显热量减少、潜热量增加，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，由于tw pqA空气被加湿和冷却。水 蒸气所需热量部分来自空气，部分来自水。当水温等于空气干球温度时，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。水蒸气所需热量来自水 本身。当水温高于空气干球温度时，由于孩 tApq 7 pqA，空气被加湿和加热。水蒸气所需热 量及加热空气

9、的热量均来自水本身。以冷却水为目的的湿空气冷却塔内发生的便是这种过 E Q = KAVtm Q = G1c1（t1， 12，）= Gc2（2“-）吸附现象是相异二相界面上的一种分子积聚现象。吸附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，被浓缩的物质叫做吸附质。 流体的粘性、热传导性和质量扩散性通称为流体的分子传递性质。当流场中速度分布不均匀时，分子传递的结果产生切应力，温度分布不均匀时，分子传递的 结果产生热传导，多组分混合流体中，当某种组分浓度分布不均匀时，分子传递的结果会产 生该组分的质量扩散，描述这一种分子传递性质的定律分别是牛顿粘性定律

10、、傅里叶定律、 菲克定律。热质交换设备按照工作原理不同可分为间壁式、混合式、蓄热式和热管式等类型，表面式冷 却塔、省煤器、蒸发器属于间壁式，而喷淋室、冷却塔则属于混合式。热值交换设备暗器内冷、热流体的流动方向，可分为顺流式、逆流式、叉流式和混合式。工 程计算中当管束曲折的次数超过4次，就可以作为纯逆流和纯顺流来处理。温度差是热量传递的推动力，而水蒸气分压力则是产生质交换的推动力。质量传递有两种基本方式：分子扩散和对流扩散，两者的共同作用称为对流质交换。相对静坐标的扩散通量称为绝对扩散通量，而相对于整体平均速度移动的动作标扩散通量则 称为相对扩散通量。在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无

11、整体流动时，组成二元混合物中的组分A 和组分B发生互扩散，其中组分A向组合B的质扩散通量mA与组分A的浓度梯度成正比，其表达式为mA = %dg/ m*s,当混合物以某一质平均速度v移动时，该表达式的坐标 d应取随整体移动的动作标。麦凯尔方程的表达式为：dQz = hmd （i - id）dA，它表明当空气与水发生直接接触，热湿交换同时 进行时。总换热量的推动力可以近似认为是湿空气的焓差。dQz为潜热和显热的代数和，i 为主流空气的焓，ip为边界层中饱和湿空气的焓，hmd为湿交换系数或空气与水表面之间按 含湿量之差计算的传质系数表面式冷却器处理空气是发生的热质交换过程的特点:当冷却器表面温度低

12、于被处理空气的 干球温度但高于其露点温度时，空气只被冷却但不产生凝结水，此为等湿冷却过程（干冷）， 当冷却器表面温度低于空气的露点温度时，空气不但被冷却且其中所含水蒸气也将部分凝结 出来，此为减湿冷却过程（湿冷），在湿冷过程，推动总热交换的动力湿空气的焓差，而不。质量产地的推动力是浓度梯度，传质有两种基本方式：分子扩散对流扩散。在静止的流体或 垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体及固体中的扩散，本质上由微观分子的不规则运动引 起，称为分子扩散，机理类似于热传导，流体做宏观对流运动时由于存在浓度差引起的质量 传递称为对流扩散，机理类似于热对流。薄膜理论当流体流经固体或液体表面时，存在一层附壁薄膜，

13、靠近壁面一侧膜内流体的浓度 分布为线性，而在流体一侧，薄膜与浓度分布均匀的主流连续接触，且薄膜内流体与主流不 发生混合与扰动。在此条件下，整个传质过程相当于集中在薄膜内的稳态分子扩散传质过程。 湿空气的组成成分有哪些，为什么要把含量很少的水蒸气作为一个重要的成分来考虑？大气 是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的，称其为湿空气，主要成分氮氧氩二氧化碳水蒸气 等，在湿空气中水蒸气的含量虽少，但其变化却对空气环境的干燥和潮湿程度产生重要影响 且使湿空气的物理性质随之改变，因此研究湿空气中水蒸气的含量在空气调节行业中占重要 地位。由附录的湿空气20c 1=50%时，i=39jkg（干空气）湿空气15C

14、，2=90%时，i=39jkg（干空气），所以空气的焓值没有发生变化大气压101325Pa，空气变化前干球温度t1=20c变化后干球12=30c，相对湿度2=50%，状态 变化过程的角系数e =5000kj/kg求得查附录的1=62%，i 1=43kj/kg（干空气）fl1=9g/kg（干 空气） 某空调房间长、宽、高、为5x3.3x3m，经实测室内空气温度20c，压力101325Pa， 水蒸气压力为1400Pa，查附录的d=8.8g/kg（干空气） =60% i=42kj/kg（干空气）知干空 气的气体常数为287j/（kg k）干空气分压力B - Pq = 101325 -1400 = 9

15、9925（ Pa）干空气密度 o=p = 99925 = 1.188kg / m 3室内水蒸气质量：M = 8.8 x 58.8 = 517.5gg 287T 287x293q室内干空气质量Mg = pgV = 1.188x5x3.3x3 = 58.8kg如果使室内空气沿等温线加湿至饱和状 态，则角系数= 2500kj / kg当空气的状态是温度为20c， = 100%时，则d=14.6g/kg（干空气） 水蒸气分压力2350Pa此时室内的干空气的密度为p = 101325 - 2350 = 1.177kg /m 3室内干空气质 287x293量为mg = 1.177 x5x3.3x3 = 5

16、8.26kg室内水蒸气质量为14.6x58.26=850.6g加入的水蒸气量 850.6-517.5=333.1g将空气由t1=25c， 1=70%冷却到12=15c，2=100%。问每千克干空气失去水分是多少克？每千克干空去失去的显热是多少？水凝结时放出的潜热是多少？ 4空气状态变化时失去 的总热量是多少？解由附录的t=25c，1=70%时，d 1=14g/kg （干空气）t2=15c，2=100% 时，d2 =10.5g/kg （干空气）失去的水蒸气 Ad = d1 -d2 =14-10.5=3.5g i = cp. g -1 + （2500 + cp. q -1 ）00 由 AQ = c

17、p . q At=1x （25-15） =10kj/kg （干空气）AQ 2 = 9.1kj / kg 空 气状态变化时失去的总能量是19.1kj/kg 室外空气与室内空气进气绝热混合，压力都是 101325Pa,室外空气的流量为2kg/s，干球温度为35c湿球温度25c，室内空气的流量为 3kg/s,温度为24C相对湿度50%求混合空气的焓混合空气的含湿量据和的结果计算 混合物的干球温度4由入口气流的干球温度用加权平均法求混合物的干球温度，解差附录则 信封的焓为76kj/kg (干空气)回气的焓为48kj/kg (干空气)由能量守恒 M新i新+ M回广(M新+ M回)i混2x76+3x48=5x i混i混=59.2kj/kg 由 附录得 d1 = 15.8g/M干空d2 = 9.3g/M干空站则由质量守恒M1xd1+M2xd2 = (M1+M2)xd3 2x15.8+3x9.3 = 5xd3 d3 = 11.9g/kg(干空气如=1.005 d(2501 + 1.86t) 59.2 = 1.005t + 1119(2507 + 1.86t)t=29c (4)cm1At1 = cm2攵2 得 k10001 12 22(35 -t) = 3(t - 24) t = 28.4 c