熱質(zhì)交換原理與設(shè)備b1

簡介一、課程性質(zhì)與目的

是建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課“供暖工程”、“區(qū)域供熱”、“工業(yè)通風(fēng)”、“空調(diào)用制冷技術(shù)”、“鍋爐及鍋爐房設(shè)備”、“燃氣燃燒”等課程以動量傳輸及質(zhì)量傳輸共同構(gòu)成的傳輸理論（TransportTheory）為基礎(chǔ)，重點研究發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備中的熱質(zhì)交換原理及相應(yīng)的設(shè)備熱工計算方法簡介本課程的任務(wù)為：掌握在傳熱傳質(zhì)同時進行時發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備中的熱功當(dāng)量質(zhì)交換的基本理論，掌握對空氣進行各種處理的基本方法及相應(yīng)的設(shè)備熱功當(dāng)量工計算方法，并具有對其進行性能評價和優(yōu)化設(shè)計的初步能力，為進一步學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好的建筑室內(nèi)環(huán)境打下基礎(chǔ)。簡介二、課程基本要求

（1）

掌握三種傳遞現(xiàn)象的類比關(guān)系，了解本課程在專業(yè)中的地位與重要性。

（2）

在掌握傳熱學(xué)知識的基礎(chǔ)上，進一步掌握傳質(zhì)學(xué)的相關(guān)理論，掌握動量、能量及質(zhì)量傳遞間的類比方法。（3）

熟悉對空氣進行處理的各種方案，掌握空氣與水表面間熱質(zhì)交換的基本理論和基本方法，熟悉用固體吸附和液體吸收對空氣處理的機理與方法。

簡介（4）

了解房間送風(fēng)時各種射流形式及與室內(nèi)空氣發(fā)生的形式與結(jié)構(gòu)，初步掌握幾種典型燃燒方式的熱質(zhì)交換原理。

（5）

了解本專業(yè)常用熱功當(dāng)量質(zhì)交換設(shè)備的形式與結(jié)構(gòu)，掌握其熱功當(dāng)量工計算方法，并具有對其進行性能評價和優(yōu)化設(shè)計的初步能力。

第一章緒論1.1三種傳遞現(xiàn)象的類比

1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的分類

1.1三種傳遞現(xiàn)象的類比動量、熱量和質(zhì)量傳遞的實現(xiàn)方式：分子的微觀運動引起的分子擴散；旋渦混合造成的流體微團宏觀運動引起的湍流傳遞流體系統(tǒng)中：速度梯度動量傳遞溫度梯度熱量傳遞濃度梯度質(zhì)量傳遞牛頓粘性定律兩個作直線運動的流體層之間的切應(yīng)力正比于垂直于運動方向的速度變化率，即對于均質(zhì)不可壓縮流體，上式可改寫為：第一章緒論傅立葉定律

在均勻的各向同性材料內(nèi)的一維溫度場中，通過導(dǎo)熱方式傳遞的熱量通量密度為：對于恒定熱容量的流體，上式可改寫為：第一章緒論費克定律

在無總體流動或靜止的雙組分混合物中，若組分A的質(zhì)量分數(shù)(或質(zhì)量份額)

aA的分布為一維的，則通過分子擴散傳遞的組分A的質(zhì)量通量密度為：對于混合物密度為常數(shù)的情況，上式可改寫為：第一章緒論DAB:組分A在組分B中的擴散系數(shù)，m2/s;匯總動量傳遞公式表明：動量通量密度正比于動量濃度的變化率。能量傳遞公式表明：能量通量密度正比于能量濃度的變化率。質(zhì)量傳遞公式表明：組分A的質(zhì)量通量密度正比于組分A的質(zhì)量濃度的變化率。統(tǒng)一公式:FDΦ':Φ'的通量密度；Φ：單位體積的某種量；dΦ/dy:Φ的變化率；C:比例常數(shù)(擴散系數(shù))。質(zhì)量傳遞：FDΦ'

=mA,Φ=ρA,C＝DAB;動量傳遞：FDΦ'

=τ,Φ=ρu,C＝ν。能量傳遞：FDΦ'

=q,Φ=ρcpt,C＝a;湍流流動分子擴散傳遞宏觀流體微團摻混也引起傳遞現(xiàn)象動量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞湍流切應(yīng)力湍流熱流密度湍流質(zhì)量通量密度1.1.2湍流傳遞性質(zhì)

通常，充分發(fā)展湍流中，湍流傳遞系數(shù)遠遠大于分子傳遞系數(shù)。

總的效應(yīng)分子傳遞系數(shù)ν,a,DAB：

是物性，與溫度、壓力有關(guān)；通常各項同性。湍流傳遞系數(shù)νt,at,DABt：不是物性，主要與流體流動有關(guān)；通常各項異性。

兩種傳遞系數(shù)的比較在三個層次上研究傳遞現(xiàn)象宏觀層次上：宏觀守恒方程表示系統(tǒng)中質(zhì)量、動量和能量如何通過物流的進入和離開而帶入和帶出，以及由環(huán)境向系統(tǒng)的各種其他輸入引起的變化。不追求對系統(tǒng)細節(jié)的理解。微觀（元）層次上：考察設(shè)備內(nèi)微小區(qū)域中流體混合物正在發(fā)生的現(xiàn)象。守恒方程是微分形式。目的在于獲得系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的分布信息。分子層次上：用分子結(jié)構(gòu)和分子間力尋求對三種傳遞的基本理解。用分子運動論和量子力學(xué)。長度尺度：宏觀厘米-米級；微觀微米-厘米；分子層次1-1000nm不同層次之間存在許多聯(lián)系：分子層次描述的傳遞性質(zhì)為微觀層次所用；微觀導(dǎo)出的方程為宏觀解決提供入口。推薦參考書許為全，熱質(zhì)交換過程與設(shè)備，清華大學(xué)出版社陳晉南，傳遞過程原理，化工出版社博德，傳遞現(xiàn)象，化工出版社科斯樂，擴散-流體系統(tǒng)中的傳質(zhì)，化工出版社JohnH.LienhardIV,JohnH.LienhardV,Aheattransfertextbook,3thedition,PartV,Masstransfer,Phlogisonpress,CambridgeMassachusetts,20051.2熱質(zhì)交換設(shè)備的分類

熱質(zhì)交換設(shè)備的分類方法很多，可以按工作原理、流體流動方向、設(shè)備用途、傳熱傳質(zhì)表面結(jié)構(gòu)、制造材質(zhì)等分為各種類型。在各種分類方法中，最基本的是按工作原理分類。

第一章緒論

（一）按工作原理分類

直接接觸式蓄熱式熱管式間壁式間壁式又稱表面式，在此類換熱器中，熱、冷介質(zhì)在各自的流道中連續(xù)流動完成熱量傳遞任務(wù)，彼此不接觸，不滲混。凡是生產(chǎn)中介質(zhì)不容滲混的場合都使用此類型換熱器,它是應(yīng)用最廣泛，使用數(shù)量最大的一類。專業(yè)上的表面式冷卻器、過熱器、省煤器、散熱器、暖風(fēng)機、燃氣加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器等均屬此類。

第一章緒論表面式冷卻器串聯(lián)間壁式換熱器管殼式換熱器格力NBFC-21暖風(fēng)機過熱器、省煤器散熱器冷凝器直接接觸式又稱為混合式，在此類熱質(zhì)交換設(shè)備中，兩種流體直接接觸并允許相互滲混，傳遞熱量和質(zhì)量后，再各自全部或部分分開，因而傳熱傳質(zhì)效率高。專業(yè)上的噴淋室及蒸汽噴射泵、冷卻塔、蒸汽加濕器、熱力除氧器等均屬此類。

第一章緒論1、

均風(fēng)板2、噴嘴與排管3、擋水板4、循環(huán)水箱5、水泵6、供水管線7、水箱進水口

8、

水泵進水口9、溢水口10、排水口11、檢修門12、空調(diào)箱13、觀察窗噴淋室噴嘴ABS擋水板pvc波紋擋水板電加熱蒸汽加濕器風(fēng)機盤管加濕器蓄熱式又稱回?zé)崾交蛟偕綋Q熱器，它借助由固體構(gòu)件（填充物）組成的蓄熱體作為中間載體傳遞熱量。在此類換熱器中，熱、冷流體依時間先后交替流過由蓄熱體組成的流道，熱流體先對其加熱，使蓄熱體溫度升高，把熱量儲存于固體育熱體內(nèi)，隨即冷流體流過，吸收蓄熱體通道壁放出的熱量。在蓄熱式換熱器里所進行的熱傳遞過程不是穩(wěn)態(tài)過程，蓄熱體不停地、周而復(fù)始地被加熱和冷卻，壁面和壁內(nèi)部的溫度均處于不停的變化之中。煉鐵廠的熱風(fēng)爐、鍋爐的中間熱式空氣預(yù)熱器及全熱回收式空氣調(diào)節(jié)器等均屬此類。

第一章緒論全熱回收空氣凈化新風(fēng)換氣機熱管換熱器是以熱管為換熱元件的換熱器。由若干支熱管組成的換熱管束通過中隔板置于殼體內(nèi)，中隔板與熱管加熱段、冷卻段及相應(yīng)的殼體內(nèi)腔分別形成熱、冷流體通道，熱、冷流體在通道中橫掠熱管束連續(xù)流動實現(xiàn)傳熱。當(dāng)前該類換熱器多用于各種余熱回收工程。

第一章緒論

在間壁式、混合式和蓄熱式三種主要熱質(zhì)交換設(shè)備類型中，間壁式的生產(chǎn)經(jīng)驗、分析研究和計算方法比較豐富和完整，它們的某些計算方法對混合式和蓄熱式也適用。

第一章緒論（二）按照熱流體與冷流體流動方向分類

順流式逆流式叉流式混合式第一章緒論

順流式或稱并流式，其內(nèi)冷、熱兩種流體平行地向著同一方向流動圖1-1(b)同心管在這樣的順流布置中，熱，冷流體由同一端進人換熱器，向著同一方向流動，并由同一端離開換熱器。第一章緒論逆流式，兩種流體也是平行流動，但它們的流動方向相反，如圖1-2(a)所示。同心管冷、熱流體逆向流動，由相對的兩端進人換熱器，向著相反的方向流動，并由相對的兩端離開換熱器，其布里簡圖示于圖1-2(b)第一章緒論叉流式或稱錯流式，兩種流體的流動方向互相垂直交叉，示意圖如圖所示。a)示意圖;(b)兩種(流體均不混合;(c)一種流體混合,另一種不混合

第一章緒論混流式，兩種流體在流動過程中既有順流部分，又有逆流部分，如圖

(a)(b)（c）（d）所示。(a)(b)(c)(d)第一章緒論(a)先順后逆的平行混流

b)先逆后順的串聯(lián)混流;(c)總趨勢為逆流的混合流;(d)總趨勢為順溜的混合流。

當(dāng)冷、熱流體交叉次數(shù)在四次以上時，可根據(jù)兩種流體流向的總趨勢，將其看成逆流或順流第一章緒論下面對各種流動形式做一比較。

在各種流動形式中，順流和逆流可以看作是兩個極端情況。在進出口溫度相同的條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小；順流時，冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫度，而逆流時冷流體的出口溫度卻可能超過熱流體的出口溫度。這方面內(nèi)容詳見第6章。從這些方面來看，熱質(zhì)交換設(shè)備應(yīng)當(dāng)盡量布置成逆流，而盡可能避免布置成順流。但逆流布置也有一個缺點，即冷流體和熱流體的最高溫度發(fā)生在換熱器的同一端，使得此處的壁溫較高，對于高溫換熱器來說，這是要注意的。為了降低這里的壁溫，有時有意改用順流，鍋爐的高溫過熱器中就有這種情況。

第一章緒論當(dāng)冷、熱流體中有一種發(fā)生相變時，冷、熱流體的溫度變化就如圖所示。發(fā)生相變時冷、熱流體的溫度變化圖 (a)冷凝器中的溫度變化；(b)蒸發(fā)器中的溫度變化

第一章緒論布置這類換熱器時就無所謂順流、逆流了。同樣，當(dāng)兩種流體的水容量C（Gc）相差較大，或者冷、熱流體之間的溫差比冷、熱流體本身的溫度變化大得多時，順流、逆流的差別就不顯著了。純粹的逆流和順流，只有在套管換熱器或螺旋板式換熱器中才能實現(xiàn)。但對工程計算來說，混合流，如圖1-6所示的流經(jīng)管束的流動，只要管束曲折的次數(shù)超過4次，就可作為純逆流和純順流來處理了。第一章緒論圖1-6可作為純順流的實際工程中的混合流1.2熱質(zhì)交換設(shè)備的分類

(3)按用途分類

熱質(zhì)交換設(shè)備按照用途來分有：表冷器、預(yù)熱器、加熱器、噴淋室、過熱器、冷凝器、蒸發(fā)器、加濕器、暖風(fēng)機等等。

l）表冷器用于把流體冷卻到所需溫度，被冷卻流體在冷卻過程中不發(fā)生相變，但其內(nèi)某種成分，如空氣中的水蒸氣，可能出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象；

2）加熱器用于把流體加熱到所需溫度，被加熱流體在加熱過程中不發(fā)生相變Z

3）預(yù)熱器用于預(yù)先加熱流體，以使整套工藝裝置效率得到改善3

4）噴淋室通過向被處理流體噴射液體，以直接接觸的方式實現(xiàn)對被處理流體的加熱。冷卻、加濕、減濕等處理過程；

5）過熱器用于加熱飽和蒸汽到其過熱狀態(tài)；

6）蒸發(fā)器用于加熱液體使之蒸發(fā)氣（汽）化，或利用低壓液體蒸發(fā)氣化以吸收另一種流體的熱量;對冷凝器用于冷卻凝結(jié)性飽和蒸氣（汽）．使之放出潛熱而凝結(jié)液化；

8）加濕器用于增加被處理對象的濕度；

9）暖風(fēng)機用于加熱空氣，以向被供暖房間提供熱量。

第一章緒論表列出建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)中常見的熱質(zhì)交換設(shè)備及其型式，同時還列出其設(shè)備內(nèi)流體的傳熱機理。

名稱型式傳熱機理表冷器間壁式對流—導(dǎo)熱—對流噴淋室直接接觸式接觸傳熱、傳質(zhì)蒸發(fā)器（鍋爐）間壁式輻射—導(dǎo)熱—兩相傳熱蒸發(fā)器（制冷）間壁式對流—導(dǎo)熱—蒸發(fā)過熱器間壁式輻射+對流—導(dǎo)熱—對流省煤器間壁式對流(輻射分額少)—導(dǎo)熱—對流空氣預(yù)熱器間壁式或蓄熱式對流—導(dǎo)熱—對流蒸汽噴射泵直接接觸式接觸傳熱、傳質(zhì)冷凝器間壁式凝結(jié)—導(dǎo)熱—對流冷卻塔直接接觸式接觸傳熱、傳質(zhì)蒸汽加熱器間壁式凝結(jié)—導(dǎo)熱—對流熱水加熱器間壁式對流—導(dǎo)熱—對流除氧器直接接觸式接觸傳熱、傳質(zhì)蒸汽加濕器直接接觸式接觸傳熱、傳質(zhì)散熱器間壁式對流—導(dǎo)熱—對流+輻射暖風(fēng)機間壁式對流（或凝結(jié)）—導(dǎo)熱—對流(4)按建造材料分

熱質(zhì)交換設(shè)備按制造材料可分為金屬材料、非金屬材料及稀有金屬材料等類型。

第一章緒論在生產(chǎn)中使用最多的是用普通金屬材料，如碳鋼、不銹鋼、鋁、銅、鎳及其合金等制造的熱質(zhì)交換設(shè)備。

由于石油、化學(xué)、冶金、核動力等工業(yè)中的許多工藝過程多在高溫、高壓、高真空或深冷、劇毒等條件下進行，而且常常伴隨著極強的腐蝕性，因而對熱質(zhì)交換設(shè)備的材料提出了許多特殊甚至苛刻的要求。金屬材料換熱器已遠不能滿足需要，因此開始研制和生產(chǎn)了非金屬及稀有金屬材料的換熱器。第一章緒論石墨具有優(yōu)良的耐腐蝕及傳熱性能，線膨脹系數(shù)小，不易結(jié)垢，機械加工性能好，但易脆裂、不抗拉、不抗彎。石墨換熱器在強腐蝕性液體或氣體中應(yīng)用最能發(fā)揮其優(yōu)點，它幾乎可以處理除氧化酸外的一切酸堿溶液。

非金屬換熱器有石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷換熱器等。第一章緒論

玻璃換熱器能抗化學(xué)腐蝕，且能保證被處理介質(zhì)不受或少受污染。它廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)，例如香精油及高純度硫酸蒸餾等工藝過程。用于制造熱質(zhì)交換設(shè)備的工程塑料很多，目前以聚四氯乙烯為最佳，其性能可與金屬換熱器相比但卻具有特殊的耐腐蝕性。它主要用于硫酸廠的酸冷卻，用以代替原有冷卻器，可以獲得顯著的經(jīng)濟效益。第一章緒論稀有金屬換熱器是在解決高溫、強腐蝕等換熱問題時研制出來的，但材料價格昂貴使其應(yīng)用范圍受到限制。為了降低成本，已發(fā)展了復(fù)合材料，如以復(fù)合鋼板和襯里等形式提供使用。對于制造換熱器，目前是鈦金屬應(yīng)用較多，浩等其它稀有金屬應(yīng)用較少第一章緒論本門課程在專業(yè)中的地位與作用建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的畢業(yè)生，要能夠從事工業(yè)與民用建筑中環(huán)境控制技術(shù)領(lǐng)域的工作，具有暖通空調(diào)、燃氣供應(yīng)、建筑給排水等公共設(shè)施系統(tǒng)和建筑熱能供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試、運行能力，具有制定建筑自動化系統(tǒng)方案的能力，并具有初步的應(yīng)用研究與開發(fā)能力。第一章緒論從上述本專業(yè)培養(yǎng)目標不難看出，在專業(yè)的各個方向上，為實現(xiàn)建筑室內(nèi)的環(huán)境控制．要牽涉到大量的能量交換及與實現(xiàn)這些能量轉(zhuǎn)換相應(yīng)的設(shè)備的知識。例如，制冷設(shè)備中常用的氟利昂臥式冷凝器中，氟利昂蒸氣在管外凝結(jié)，管內(nèi)流著冷卻水，蒸氣凝結(jié)時所放出的潛熱穿過管壁而傳到冷卻水中(圖1-7)，從而實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移第一章緒論圖1-7冷凝器中的熱量傳遞過程

又如鍋爐中的一些受熱面（水冷壁、過熱器等），在燃料燃燒時與之進行大量的熱量交換。另外，空調(diào)中對空氣進行各種處理的表面式冷卻器和噴淋室，給房間供暖所用的散熱器和暖風(fēng)機，提供冷量的制冷系統(tǒng)所用的蒸發(fā)器和冷卻塔，提供熱量的鍋爐的省煤器和空氣預(yù)熱器等等，都是本專業(yè)常用的進行能量交換的設(shè)備。這些設(shè)備設(shè)計得如何，不但直接影響到室內(nèi)要控制的環(huán)境，而且還對能量消費有重大的影響，因為目前的建筑能耗已占到總能耗的1/3左右。1.4本門課程的主要研究內(nèi)容其主要內(nèi)容有：熱質(zhì)交換過程空氣熱質(zhì)處理方法其它形式的熱質(zhì)交換和熱質(zhì)交換設(shè)備

熱質(zhì)交換過程部分，主要涉及傳質(zhì)的基本概念、擴散傳質(zhì)、對流傳質(zhì)、熱質(zhì)傳遞模型和動量、熱量和質(zhì)量的傳遞類比。空氣的熱質(zhì)處理方法部分，主要包括空氣處理的各種途徑，空氣與水／固體表面之間的熱質(zhì)交換，用吸收劑處理空氣和用吸附材料處理空氣的機理與方法。其它形式的熱質(zhì)交換部分，主要涉及經(jīng)過處理的空氣送人房間時與室內(nèi)空氣發(fā)生的熱質(zhì)交換，和幾種典型燃燒方式下發(fā)生的熱質(zhì)交換。熱質(zhì)交換設(shè)備部分，主要介紹專業(yè)中常見的熱質(zhì)交換設(shè)備的型式與結(jié)構(gòu)，熱質(zhì)交換設(shè)備的基本性能參數(shù)，間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算，混合式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算，典型燃燒裝置主要尺寸和運行參數(shù)的計算及相變熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算，同時還簡單介紹了熱質(zhì)交換設(shè)備的性能評價及優(yōu)化設(shè)計。對于本課程內(nèi)容，要求了解本課程在專業(yè)中的地位與重要性；在掌握了傳熱學(xué)知識的基礎(chǔ)上，進一步掌握傳質(zhì)學(xué)的相關(guān)理論，并掌握動量、能量及質(zhì)量傳遞間的類比方法；熟悉對空氣進行處理的各種方案，掌握空氣與水表面間熱質(zhì)交換的基本理論和基本方法，熟悉用固體吸附和液體吸收對空氣處理的機理與方法；了解房間送風(fēng)時各種射流形式及與室內(nèi)空氣發(fā)生的三傳現(xiàn)象；了解本專業(yè)常用熱質(zhì)交換設(shè)備的型式與結(jié)構(gòu)，掌握其熱工計算方法，并具有對其進行性能評價和優(yōu)化設(shè)計的初步能力。

第二章

傳質(zhì)的理論基礎(chǔ)92-6411/28/20232.1傳質(zhì)的基本概念

2.1.1傳質(zhì)的基本方式

在傳熱學(xué)中已經(jīng)分析過流體和壁面間的對流換熱過程，所涉及的流體是單一物質(zhì)或稱一元體系。而在某些實際情況下，流體可能是二元體系（或稱二元混合物），并且其中各組分的濃度不均勻，這時就會有傳質(zhì)或稱質(zhì)交換發(fā)生。日常生活中：水分蒸發(fā)煤氣在空氣中的彌散自然環(huán)境中海洋的水面蒸發(fā)生物組織對營養(yǎng)成分的吸收油地起火和火焰的擴散噴氣霧化干燥傳質(zhì)又常和傳熱復(fù)合在一起表面式空氣冷卻器在冷卻除濕工況濕球溫度計在有兩種物質(zhì)組成的二元混合物中濃度差物質(zhì)的分子會從濃度高處向濃度低處遷移，這種遷移稱為濃度擴散或簡稱擴散，并通過擴散產(chǎn)生質(zhì)交換濃度差導(dǎo)致傳質(zhì)

例2.1.1.1擴散傳質(zhì)的物理機理在沒有濃度差的二元體系(即均勻混合物)中如果各處存在溫度差會產(chǎn)生擴散：會產(chǎn)生擴散如果各處存在總壓力差為熱擴散，又稱索瑞特效應(yīng)稱為壓力擴散在工程計算中當(dāng)溫差或總壓差不大的條件下，可不計熱擴散和壓力擴散，只考慮均溫、均壓下的濃度擴散還有“擴散熱”稱為杜弗爾效應(yīng)。質(zhì)交換有兩種基本方式：分子擴散和對流擴散分子擴散：在靜止的流體或垂直于濃度梯度方向作層流運動的流體以及固體中的擴散，是由微觀分子運動所引起，它的機理類似于導(dǎo)熱。對流擴散：在流體中由于對流運動引起的物質(zhì)傳遞，它比分子擴散傳質(zhì)要強烈得多。分子擴散傳質(zhì)及菲克定律菲克定律描述分子擴散過程中的的傳遞速率與濃度梯度之間的相關(guān)關(guān)系濃度有四種表示方法：質(zhì)量濃度(massconcentration,或partialdensity)，質(zhì)量分數(shù)(massfraction)，摩爾濃度(molarconcentration)，摩爾分數(shù)(molefraction)1．質(zhì)量濃度：單位體積混合物中所含某種組分的質(zhì)量單位體積混合物的總質(zhì)量成為混合物的總質(zhì)量濃度（即密度）組分（species）

：一種混合物由兩種或兩種以上物質(zhì)構(gòu)成，每一種物質(zhì)稱為一種組分。濃度（concentration）

：表征單位體積里某一組分多少的量稱為濃度，

分子擴散傳質(zhì)及菲克定律2.2.質(zhì)量分數(shù)（massfraction）：3.摩爾濃度(molarconcentration)：單位體積中組分i的摩爾數(shù)，用表示組分i的分子量

物質(zhì)的量是國際單位制中7個基本物理量之一（長度、質(zhì)量、時間、電流強度、發(fā)光強度、溫度、物質(zhì)的量），它和“長度”，“質(zhì)量”等概念一樣，是一個物理量的整體名詞。單位為摩爾(mol)。物質(zhì)的量是表示物質(zhì)所含微粒數(shù)(N)與阿伏伽德羅常數(shù)(NA)之比,即n=N/NA。它是把微觀粒子與宏觀可稱量物質(zhì)聯(lián)系起來的一種物理量。

分子擴散傳質(zhì)及菲克定律Atlas-Centaur4．摩爾分數(shù)(molefraction):某組分1的質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù)的互換關(guān)系：

多組分的傳質(zhì)過程中，uA、uB代表組分A、B的實際移動速度，稱為絕對速度。u代表混合物的移動速度，稱為主體流動速度或平均速度(以質(zhì)量為基準)（若以摩爾為基準，用um表示）；uA-u及uB-u代表相對于主體流動速度的移動速度，稱為擴散速度。2.1.2.1傳質(zhì)的速度uA=u+(uA-u)uB=u+(uB-u)絕對速度＝平均速度＋擴散速度uAuuBuA-uuB-u混合物靜止平面2.1.2

傳質(zhì)速率的度量uA=um+(uA-um)uB=um+(uB-um)傳質(zhì)通量：某一組分物質(zhì)在單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的數(shù)量。質(zhì)量傳質(zhì)通量：m(kg/m2·s)；摩爾傳質(zhì)通量：N(kmol/m2·s)。傳質(zhì)通量＝傳質(zhì)速度×濃度2.1.2.2傳質(zhì)的通量上式為質(zhì)量平均速度定義式1）以絕對速度表示的質(zhì)量通量（以二元混合物為例）同理，以絕對速度表示的二元混合物的摩爾通量為：上式為摩爾平均速度定義式質(zhì)量通量：2）以擴散速度表示的通量（以二元混合物為例）傳質(zhì)通量＝擴散速度×濃度摩爾通量:總通量:質(zhì)量通量：3）以主體流動速度表示的通量（以二元混合物為例）傳質(zhì)通量＝主體流動速度×濃度摩爾通量：例題同理：同理：2.1.3質(zhì)量傳遞的基本方式

2.1.3.1分子（擴散）傳質(zhì)分子（擴散）傳質(zhì)（靜止或?qū)恿髁黧w、固體中）對流傳質(zhì)（氣、液）濃度擴散：在二元或多元體系中，各組分濃度不均勻時，由于分子隨機運動，使得物質(zhì)宏觀表現(xiàn)為從高濃度向低濃度區(qū)域傳遞。其它：熱擴散壓力擴散等參考不可逆熱力學(xué)有關(guān)內(nèi)容

上述擴散過程將一直進行到整個容器中A、B兩種物質(zhì)的濃度完全均勻為止，此時，通過任一截面物質(zhì)A、B的凈的擴散通量為零，但擴散仍在進行，只是左、右兩方向物質(zhì)的擴散通量相等，系統(tǒng)處于擴散的動態(tài)平衡中。2.1.3.2對流傳質(zhì)

由于流體質(zhì)點的湍流和渦旋傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象稱為紊流擴散。湍流流動中也存在著一定的分子擴散，只是紊流擴散起主要作用。

流動流體與相界面一側(cè)進行的物質(zhì)傳遞，稱為對流擴散--對流質(zhì)交換：分子擴散+對流擴散。1）對流傳質(zhì)2）紊流擴散

2.2.1斐克（Fick）定律

斐克(第一)定律的基本表達式穩(wěn)態(tài)擴散條件下（濃度場不隨時間變化），無整體流動時，二元混合物中組分A在組分B中的擴散通量與組分A的濃度梯度成正比。若混合物有整體移動，則Fick定律的坐標取動坐標2.2擴散傳質(zhì)傳質(zhì)的速度uA=u+(uA-u)uB=u+(uB-u)絕對速度＝主體速度＋擴散速度uAuuBuA-uuB-u混合物靜止平面同理，質(zhì)量通量：組分絕對質(zhì)量通量（實際通量）＝組分主體流動通量＋組分擴散通量二元混合物系統(tǒng)同理，絕對摩爾通量為：A組分絕對質(zhì)量通量＝A組分主體流動通量＋A組分擴散通量

斐克定律的普遍表達形式

等質(zhì)量擴散時，兩組分擴散通量相等，方向相反，且主體通量等于0：而且：2.2.2氣體中的穩(wěn)態(tài)擴散過程分子擴散形式：雙向擴散（反方向擴散）單向擴散（一種組分在另一種滯止組分中擴散）

2.2.2.1等分子反方向擴散積分同理：對于可認為是理想混合氣體：因此：組分B滯止：NB＝0整理得：分離變量并積分得：2.2.2.1A組分通過停滯組分B的擴散（單向擴散）------A+B1122vhpy水面蒸汽向空氣中的擴散將混合物作理想氣體處理：因：所以：于是：組分B對數(shù)平均分壓pBMStefan定律可用于實驗確定D等分子反方向擴散時：反映了主體流動對傳質(zhì)速率的影響，稱漂流因數(shù)。若pA<<pB,此時:

Stefan定律Fick定律表明：主體流動使傳質(zhì)速率較純分子擴散大。例題2.2.3液體中的穩(wěn)態(tài)擴散過程2.2.3.1液體中的擴散通量方程存在主體流動時

液體中，A的擴散系數(shù)隨濃度變化，且濃度在液相中不相同，故計算困難?？珊喕幚恚簲U散系數(shù)與總濃度采用平均值。

其中：分子擴散形式：雙向擴散（反方向擴散）單向擴散（一種組分在另一種滯止組分中擴散）2.2.3.2等分子反方向擴散擴散通量方程：濃度分布方程：2.2.3.2組分A通過停滯組分B的擴散擴散通量方程：取：當(dāng)液體為稀溶液時：濃度分布方程：或：2.2.4固體中的穩(wěn)態(tài)擴散過程2.2.4.1與固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)的穩(wěn)態(tài)擴散當(dāng)流體或擴散溶質(zhì)溶解于固體中，并形成均勻的溶液，此為固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)的擴散。

該類擴散方式與流體內(nèi)擴散方式相似，仍遵循斐克定律。

固體擴散中，通常擴散組分濃度較低，CA/C可忽略。積分得：分子擴散傳質(zhì)及菲克定律Dalton’sLawofpartialpressure理想氣體（Idealgas）：Rm普適氣體常數(shù)，universalgasconstant若通過柱面或球面擴散，則沿徑向表面不等，可采用平均截面計算，則通過固體界面的分子傳質(zhì)速率GA：柱坐標時的平均擴散面積：球坐標時的平均擴散面積：溶解度S：單位體積固體、單位溶質(zhì)分壓所溶解的溶質(zhì)A的體積。溶解度S與濃度CA的關(guān)系：2.2.4.2與固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的多孔固體中的擴散多孔固體中擴散分：斐克型擴散、克努森擴散及過渡區(qū)擴散1）斐克型擴散固體內(nèi)部孔徑d遠大于流體分子自由程λ，一般d>100λ

。分子間碰撞幾率遠大于分子與壁面間的碰撞，此時擴散遵循斐克定律。平均自由程：壓力大（密度大），則自由程λ小。則大密度的氣體和液體在多孔固體中的擴散時，擴散為斐克型。其中，Dp是多孔介質(zhì)有效擴散系數(shù)。思考：為何固體中斐克型擴散沒有提供理想氣體擴散通量方程?多孔介質(zhì)有效擴散系數(shù)：ε：多孔固體孔隙率或自由截面積比；τ：曲折系數(shù)。2）克努森（Knudsen）擴散固體內(nèi)部孔徑d遠小于流體分子自由程λ，一般λ>100d。分子與壁面間碰撞幾率遠大于分子間的碰撞，此時為克努森擴散。擴散通量：分子平均速度：克努森擴散系數(shù)DKA積分得：或：克努森數(shù)Kn：當(dāng)Kn>10時，擴散主要為克努森擴散。3）過渡區(qū)擴散固體內(nèi)部孔徑d與流體分子自由程λ相差不很懸殊，分子與壁面間碰撞幾率與分子間的碰撞幾率也相差不大，此時為過渡區(qū)擴散。擴散通量：或：過渡區(qū)擴散系數(shù)DNA積分得：當(dāng)0.01<Kn<10時，擴散主要為過渡區(qū)擴散。例題2.2.5擴散系數(shù)

擴散系數(shù)是沿擴散方向，在單位時間內(nèi)每單位濃度降的條件下，垂直通過單位面積所擴散某物質(zhì)的質(zhì)量或摩爾數(shù)，即

質(zhì)量擴散系數(shù)D、動量擴散系數(shù)ν和熱量擴散系數(shù)α單位均為m2/s。92-109表2-1氣－氣質(zhì)擴散系數(shù)和液體中的質(zhì)擴散系數(shù)D(m2/s)氣體在空氣中的D，25℃，p=1atm氨-空氣水蒸氣-空氣CO2-空氣O2-空氣H2-空氣2.81×10-52.55×10-51.64×10-52.05×10-54.11×10-5

苯蒸汽-空氣甲苯蒸氣-空氣乙醚蒸汽-空氣甲醇蒸汽-空氣乙醇蒸汽-空氣0.84×10-50.88×10-50.93×10-51.59×10-51.19×10-5

液相，20℃，稀溶液

氨-水CO2-水O2-水H2-水1.75×10-91.78×10-91.81×10-95.19×10-9

氯化氫-水氯化鈉-水乙烯醇-水CO2-乙烯醇2.58×10-92.58×10-90.97×10-93.42×10-9

表2-2氣體在空氣中的分子擴散系數(shù)D0（

m2/s）

氣體D0×104氣體D0×104H2N2O2CO20.5110.1320.1780.138SO2NH3H2OHC10.1030.200.220.13

表2-2列舉了在一個標準大氣壓強、溫度T0=273K時各種氣體在空氣中的擴散系數(shù)D0，在其它p、T狀態(tài)下的擴散系數(shù)可用下式換算

兩種氣體A與B之間分子擴散系數(shù)可用吉利蘭(Gilliland)提出的半經(jīng)驗公式估算

在正常沸點下液態(tài)千克摩爾容積（m3/kg·kmol）氣體摩爾容積氣體摩爾容積H2O2N2空氣14.3×10-325.6×10-331.1×10-329.9×10-3CO2SO2NH3H2O34×10-344.8×10-325.8×10-318.9×10-3例題2.3對流傳質(zhì)11/28/202392-532.3.1對流傳質(zhì)系數(shù)對流傳質(zhì)是分子擴散和對流擴散的聯(lián)合作用對流傳質(zhì)：流體流動條件下的質(zhì)量傳遞過程類似于對流換熱，對流傳質(zhì)中的傳質(zhì)速率為：對流傳質(zhì)系數(shù)如何確定是確定對流傳質(zhì)問題的關(guān)鍵。CA,s或ρA,s的確定：(熱力學(xué)平衡)熱平衡（等溫）力平衡（計算對應(yīng)蒸汽壓強）蒸汽處于飽和狀態(tài)11/28/20232.3.2濃度邊界層2.3.2.1濃度邊界層的概念類似于熱邊界層δt

，濃度邊界層δc被定義為:時的y值

11/28/2023濃度邊界層示意圖yxu∞

自由流

濃度邊界層

CA∞CACA∞

c

CA,S

11/28/2023

由于y=0處只有擴散傳質(zhì)，因此在離開前緣任意距離處的組分流密度可表示為：也可以表達為：通過求解傳質(zhì)微分方程。

如果

的分布確定，則可求得

如何確定

2.3.2.2邊界層的重要意義

由于邊界層的引入，可以大大簡化討論問題的難度。我們可以將整個的求解區(qū)域劃分為主流區(qū)和邊界層區(qū)。在主流區(qū)內(nèi)，為等溫、等濃度的勢流，各種參數(shù)視為常數(shù)；在邊界層內(nèi)部具有較大的速度梯度、溫度梯度和濃度梯度，其速度場、溫度場和濃度場需要專門來討論求解。11/28/2023任意表面的速度邊界層,熱邊界層和濃度邊界層的發(fā)展三種邊界層的機理。表現(xiàn)形式：表面摩擦、對流換熱及對流傳質(zhì)，及其3個重要系數(shù)。11/28/20232.3.3紊流傳質(zhì)的機理CCASCA∞CAfZ緩沖層層流內(nèi)層湍流主流區(qū)11/28/20232.3.4對流傳質(zhì)的數(shù)學(xué)描述任意表面的速度邊界層,熱邊界層和濃度邊界層的發(fā)展11/28/202392-62邊界層中組分守恒的微元控制體及質(zhì)量交換示意圖mA,gmA,stVAmA,difmA,conv質(zhì)量守恒：對組分A而言，單位時間內(nèi)，通過對流、擴散及化學(xué)反應(yīng)進入控制體內(nèi)的質(zhì)量等于控制體內(nèi)質(zhì)量的增加量。11/28/2023圖中控制體的傳質(zhì)情況對流擴散化學(xué)反應(yīng)控制體質(zhì)量變化對流擴散化學(xué)反應(yīng)控制體質(zhì)量變化組分的連續(xù)性方程11/28/2023其它方程建立總的連續(xù)性方程單位時間內(nèi)流入微元體的凈質(zhì)量

=單位時間內(nèi)微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化11/28/2023動量方程作用力=質(zhì)量

加速度（F=ma）11/28/2023能量方程導(dǎo)入與導(dǎo)出的凈熱量+熱對流傳遞的凈熱量+內(nèi)熱源發(fā)熱量=總能量的增量11/28/20232.3.4.4對流傳質(zhì)方程的邊界層近似邊界層厚度一般是很小的，通常下列條件成立：速度邊界層

溫度邊界層

濃度邊界層

本專業(yè)涉及的問題通?？珊喕癁槎S、穩(wěn)態(tài)、常物性、不可壓縮、無化學(xué)反應(yīng)、無內(nèi)熱源。11/28/2023經(jīng)簡化和近似，總的連續(xù)性方程及x方向動量方程可簡化為:根據(jù)量級分析，y方向動量方程可簡化為:能量方程可簡化為:11/28/2023組分A的對流傳質(zhì)方程變成:與壁面處無質(zhì)量交換時，當(dāng)y＝0時有u=0，v=0。邊界處有質(zhì)量交換時：1.交換對速度邊界層影響很小，y＝0時有u=0，v=0；2.交換對濃度邊界層影響很大，y＝0時有u=0。注意（討論組分傳遞對速度邊界層的影響時）：我們討論的二元混合物通常CA<<CB，混合物的物性近似取組分B的物性值。11/28/2023施密特數(shù)

和普朗特數(shù)

舍伍德數(shù)（Sharwood）

和努塞爾數(shù)（Nusselt）

——擴散阻力于對流傳質(zhì)阻力之比——邊界層導(dǎo)熱熱阻與對流換熱熱阻比

傳質(zhì)Stanton數(shù)

傳熱Stanton數(shù)

2.3.5對流傳質(zhì)過程的相關(guān)準則數(shù)

由于y=0處只有擴散傳質(zhì)，因此在離開前緣任意距離處的組分流密度可表示為：2.3.6對流傳質(zhì)問題的分析求解2.3.6.1平板壁面上層流傳質(zhì)精確解11/28/2023求解需要濃度分布、動量方程、連續(xù)性方程

（過程略）平板層流傳熱平板層流傳質(zhì)

例題11/28/2023

1）流體一進入便立即進行傳質(zhì)，在管進口段距離內(nèi)，速度分布和濃度分布(左下圖)；復(fù)雜

2）流體進管后，待速度分布充分發(fā)展后，才進行傳質(zhì)。

（右下圖）較簡單2.3.6.2管內(nèi)穩(wěn)態(tài)層流對流傳質(zhì)δDδδ=δD=riδDδ

依然類比于管內(nèi)層流傳熱----11/28/2023當(dāng)速度分布與濃度分布均已充分發(fā)展且傳質(zhì)速率較低，宣烏特數(shù)為1）組分A在管壁處的濃度維持恒定：

2）組分A在管壁處的傳質(zhì)通量維持恒定：

工程上考慮入口段對傳質(zhì)的影響，采用下列公式：

11/28/2023事先需估算流動進口段長度Lc和傳質(zhì)進口段長度LD例題2-8—自學(xué)定性溫度和定性濃度（采用進出口算術(shù)平均值）：

作業(yè)：教材中的思考題與習(xí)題11/28/20232.4相際間的對流傳質(zhì)模型11/28/2023薄膜理論

基本思想：當(dāng)流體靠近物體表面流過時，存在一層附壁的薄層，在薄膜的流體側(cè)與具有濃度均勻的主流速度連續(xù)接觸，并假定膜內(nèi)流體與主流不相混合和擾動。整個傳質(zhì)過程相當(dāng)于此薄膜上的擴散作用，濃度呈線性分布。

即滲透理論

基本思想：流體流過表面，由流體質(zhì)點不斷穿過附壁薄層向表面遷移并與之接觸，流體質(zhì)點在與表面解除之際則進行質(zhì)量的轉(zhuǎn)移過程，此后流體質(zhì)點又回到主流核心中去。

在

條件下，主流濃度由

增加到

流體質(zhì)點在很短的接觸時間內(nèi)，接觸表面?zhèn)鬟f的組分過程表現(xiàn)為不穩(wěn)態(tài)特征。從統(tǒng)計的論點，無數(shù)質(zhì)點群與表面之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。稱為薄層對表面的不穩(wěn)態(tài)擴散傳一維不穩(wěn)態(tài)擴散過程，按斐克第二定律：過程的初始和邊界條件如下：當(dāng)當(dāng)當(dāng)當(dāng)傳質(zhì)時間為

時——有效暴露時間實驗表明一般情況下：表面更新模型

1951年Danckwertz（丹克維爾茨）對希格比滲透理論進行了修正，提出表面更新模型。用表面更新率S代替有效暴露時間不易確定，

即S與流體動力條件及系統(tǒng)幾何形狀有關(guān)，為實驗確定的常數(shù)。紊流強烈，S（表面更新率）必然增大。主要應(yīng)用于液固，液液界面的傳質(zhì)過程。流體沿平面流動或管內(nèi)流動時質(zhì)交換的準則關(guān)聯(lián)式為：2.4.4

一維固液相變問題

利用相變材料儲能在建筑節(jié)能和暖通空調(diào)領(lǐng)域有重要應(yīng)用，蓄熱采暖也正收到重視。

2.4.4.1

固液相變簡介

物質(zhì)的存在通常分為三態(tài)，固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。物質(zhì)從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)稱為相變。相變形式有以下幾種：（1）固-液相變;

（2）液-汽相變；（3）固-汽相變；（4）固-固相變。

11/28/2023相變過程是一伴有較大能量吸收或釋放的等溫或近似等溫的過程，這個特點是其能夠廣泛應(yīng)用的原因和基礎(chǔ)。相變貯能在建筑節(jié)能和暖通空調(diào)領(lǐng)域中有一些重要應(yīng)用，它是緩解能量供求雙方在時間、強度和地點上不匹配的有效方式，是合理利用能源以及減小環(huán)境污染的有效途徑，是熱能系統(tǒng)（廣義）優(yōu)化運行的重要手段。11/28/20232.4.4.2一維凝固和融解問題

一些相變潛熱貯能系統(tǒng)中的傳熱問題在周邊熱損和液相自然對流可忽略的情況下可作簡化處理，即可視為一維相變傳熱問題。（1）一維半無限大物體的相變傳熱問題一半無限大相變材料PCM（phasechangematerial）液體初始處于均勻溫度Ti，時間t>0時，邊界x=0處被突然冷卻并一直保持一低于PCM熔點Tm的溫度Tw。假定凝固過程中固相與液相的物性與溫度無關(guān)，兩相密度相同，相界面位置為s（t）。我們可以根據(jù)能量守恒原理求出兩相區(qū)內(nèi)溫度分布和S（t）的變化規(guī)律。如圖2-20所示。11/28/2023圖2-20

半無限大平板凝固過程示意圖11/28/2023（2）考慮在軸對稱無限大區(qū)域內(nèi)由一線熱匯所引起的凝固過程

一條強度為Q的線熱匯置于均勻溫度Ti（Ti﹥Tm）的液體之中，于t=0開始作用。液體出現(xiàn)凝固，固-液界面向r正方向移動，為簡化起見，忽略相變前后的密度差，可求溫度分布和相變邊界移動規(guī)律。11/28/2023軸對稱情況下相變發(fā)生在一個溫度區(qū)間示意圖（3）有限大平板的凝固問題溫度為Ti的液體被限制在一定寬度的空間內(nèi)（0≤x≤b），Ti＞Tm。當(dāng)時間t>0時，邊界x=0施加并維持一恒定溫度Tw，Tw＜Tm，x=b的邊界維持絕熱。凝固過程從x=0的面開始，固-液界面向的正方向移動。11/28/2023（4）圓柱體內(nèi)的凝固問題

半徑為R的無窮長圓管內(nèi)充滿凝固點溫度為Tm的液體，當(dāng)T>0時，圓管被突然置于溫度T＜Tm的環(huán)境中，因?qū)α骼鋮s而凝固，表面換熱系數(shù)h為常數(shù)。求相變材料內(nèi)逐時溫度分布和圓管的逐時傳熱速率。11/28/2023（5）圓球內(nèi)的凝固問題

半徑為R的圓球內(nèi)充滿凝固點溫度為Tm的液體，當(dāng)t>0時，圓球被突然置于溫度Ta＜Tm的環(huán)境中，因?qū)α骼鋮s而凝固，表面換熱系數(shù)為常數(shù)。求球內(nèi)逐時溫度分布和圓球的逐時傳熱速率。這些問題一般可采用分析求解和數(shù)值方法。精確分析以紐曼方法為主，近似分析方法很多，主要有積分法、準穩(wěn)態(tài)發(fā)、熱阻法、攝動法和逐次逼近法等等。當(dāng)分析解法遇到困難或者根本無法求解時，可考慮采用數(shù)值解法，如有限單元法和有限差分法等，適合于解決更實際的問題。11/28/2023第三章

傳熱傳質(zhì)的分析和計算11/28/2023內(nèi)容動量、熱量和質(zhì)量傳遞類比3.1對流傳質(zhì)的準則關(guān)聯(lián)式3.2熱量和質(zhì)量同時進行時的熱質(zhì)傳遞3.311/28/2023對流傳質(zhì)的準則關(guān)聯(lián)式3.43.1.1三種傳遞現(xiàn)象的速率描述及其之間的雷同關(guān)系流體系統(tǒng)中：速度梯度動量傳遞溫度梯度熱量傳遞濃度梯度質(zhì)量傳遞3.1

動量、熱量和質(zhì)量傳遞類比11/28/20233.1.2三傳方程連續(xù)性方程

動量方程

能量方程

擴散方程

當(dāng)ν=a=D時，三個傳遞方程形式完全一樣80-15611/28/2023邊界條件為：

動量方程

或

或

能量方程

擴散方程

三個傳遞方程的邊界條件形式完全一樣80-15711/28/2023

三個性質(zhì)類似的傳遞系數(shù)中，任意兩個系數(shù)的比值均為無量綱量,即普朗特準則表示速度分布和溫度分布的相互關(guān)系，體現(xiàn)流動和傳熱之間的相互聯(lián)系施密特準則表示速度分布和濃度分布的相互關(guān)系，體現(xiàn)流體的動量與傳質(zhì)間的聯(lián)系劉伊斯準則表示溫度分布和濃度分布的相互關(guān)系，體現(xiàn)傳熱和傳質(zhì)之間的聯(lián)系80-15811/28/2023

類似的，對流體沿平面流動或管內(nèi)流動時質(zhì)交換的準則關(guān)聯(lián)式為：氣體混合物：通常Le≈1，即a≈D。此時，邊界層內(nèi)溫度分布和濃度分布相似。對流換熱的準則關(guān)聯(lián)式為：此為劉伊斯關(guān)系式，即熱質(zhì)交換類比律。Re給定條件下，Le=1時，有：即11/28/20233.1.3動量交換與熱交換的類比在質(zhì)交換中的應(yīng)用3.1.3.1雷諾(Renold)類比

(Pr=1)當(dāng)Pr=1時11/28/2023以上關(guān)系也可推廣到質(zhì)量傳輸，建立動量傳輸與質(zhì)量傳輸之間的雷諾類似律當(dāng)Sc=1，即ν=D時11/28/20233.1.3.2柯爾本（Colburn）類比普朗特(Prandtl)類比（考慮了層流底層）卡門(Karman)類比（考慮了層流底層、過渡層）11/28/2023契爾頓(Chilton)和柯爾本發(fā)表了如下的類似的表達式：

傳熱因子JH，傳質(zhì)因子JD

11/28/2023對流傳熱和流體摩阻之間的關(guān)系，可表示為：對流傳質(zhì)和流體摩阻之間的關(guān)系可表示為：實驗證明JH、JD和摩阻系數(shù)Cf

有下列關(guān)系上式適用于平板流等無形狀阻力的情況。

11/28/2023對于柯爾本類比適用的情況：對流傳熱的公式可用于對流傳質(zhì)。

只要將有關(guān)參數(shù)及準則數(shù)替換為對流傳質(zhì)的對應(yīng)參量和準則數(shù)即可。80-16511/28/2023平板層流傳熱

平板層流傳質(zhì)

平板紊流傳熱

平板紊流傳質(zhì)

光滑管紊流傳熱

光滑管紊流傳質(zhì)

平板層流傳質(zhì)

平板紊流傳熱

平板紊流傳質(zhì)

11/28/20233.1.3.3熱、質(zhì)傳輸同時存在的類比關(guān)系例題11/28/20233.2對流質(zhì)交換的準則關(guān)聯(lián)式3.2.1流體在管內(nèi)受迫流動時的質(zhì)交換由傳熱學(xué)可知在溫差較小的條件下，管內(nèi)紊流換熱可不計物性修正項，并有如下準則關(guān)聯(lián)式

吉利蘭（Gilliland）把實驗結(jié)果整理成相似準則，并得到相應(yīng)的準則關(guān)聯(lián)式為

注意適用范圍、定性參數(shù)選擇11/28/2023水丁醇甲苯苯胺異丙醇另戊醇另丁醇氯苯醋酸已酯Sh/Sc0.4480-16911/28/2023用類比來計算管內(nèi)流動質(zhì)交換系數(shù),由于

采用布拉西烏斯(Blasius)光滑管內(nèi)的摩阻系數(shù)公式

則

11/28/20233.2.2流體沿平板流動時的質(zhì)交換沿平板流動換熱的準則關(guān)聯(lián)式

層流時

相應(yīng)的質(zhì)交換準則關(guān)聯(lián)式為紊流時

相應(yīng)的質(zhì)交換準則關(guān)聯(lián)式應(yīng)是例題80-17111/28/20233.3熱量和質(zhì)量同時進行時的熱質(zhì)傳遞

工程實踐中的許多情形都是同時包含著動量傳遞、能量傳遞、質(zhì)量傳遞這三個傳遞過程,它們彼此是相互影響的。80-17211/28/20233.3.1同時進行傳熱與傳質(zhì)的過程在等溫過程中，由于組分的質(zhì)量傳遞，單位時間、單位面積上所傳遞的熱量為：如果傳遞系統(tǒng)中還有導(dǎo)熱，則傳遞的熱量為：如果傳遞系統(tǒng)中還有對流換熱，則傳遞的熱量為：Ni為組分i的傳質(zhì)速率；M*i為組分i的分子量；t0焓值計算參考溫度11/28/2023(a)

(b)

滯留層內(nèi)濃度分布示意圖(a)V(y)=0(b)V(y)≠0

能斯特（Nernst）薄膜理論CA0CA∞CACA0CA∞CACA(y)CA(y)11/28/2023

在二元系統(tǒng)中，對于通過靜止氣層擴散過程的傳質(zhì)系數(shù)定義(A組分濃度很小，可認為是等分子反方向擴散，無混合物整體流動）在熱量傳遞中有膜傳熱系數(shù)11/28/2023同一表面?zhèn)髻|(zhì)過程對傳熱過程的影響(1)物理模型：根據(jù)薄膜理論研究同時進行熱質(zhì)傳遞的過程１）問題的提出２）物理簡化(2)數(shù)學(xué)模型1）方程的建立2）邊界條件3）解的分析例題已知：一股溫度為的流體流經(jīng)溫度為的壁面。傳遞過程中，組分從壁面向流體方向進行傳遞，傳遞速率分別為

，壁面有一層滯留薄層，厚度為求：壁面與流體間的熱交換量。3.3.2同一表面上傳質(zhì)過程對傳熱過程的影響(a)滯留層中的溫度、濃度分布示意圖(b)微元體內(nèi)熱平衡CA(y)CA1CA2δ0q4q1q2q3t2t111/28/2023進入微元體的熱流由兩部分組成:導(dǎo)熱+傳質(zhì)

(1)導(dǎo)入的熱量：(2)導(dǎo)出的熱量：(3)凈導(dǎo)入的熱量：

導(dǎo)入微元體的熱量

11/28/2023(1)由于分子擴散，進入微元體的傳遞組分A、B本身具有的焓為：

(3)通過傳質(zhì)進入微元體的凈熱量為：

通過傳質(zhì)進入微元體的熱量

(2)由于分子擴散，離開微元體的傳遞組分A、B本身具有的焓為：

11/28/2023穩(wěn)態(tài)條件下，進人微元體的總熱流等于0C0無因次數(shù)C0為傳質(zhì)阿克曼修正系數(shù)(Ackermancorrection)。傳質(zhì)自壁面向主流，則C0>0，反之C0<0。11/28/2023最后得到流體在薄膜層內(nèi)的溫度分布為：

壁面上的導(dǎo)熱熱流為：

在無傳質(zhì)時，C0=0,可知溫度t為線性分布，傳熱量為表明：傳質(zhì)影響傳熱無傳質(zhì)時的導(dǎo)熱熱流通量11/28/2023一般情形下：

總熱流量應(yīng)為（導(dǎo)熱+有傳質(zhì)時的熱流通量）：11/28/2023因此

上式表明，傳質(zhì)的存在對壁面熱傳導(dǎo)和總傳熱量的影響是方向相反的。11/28/2023傳質(zhì)對傳熱的影響關(guān)系示意圖C0<0C0>0C0qc/qc,0qt/qc,0C0<0C0>0C011/28/2023傳質(zhì)對傳熱的影響關(guān)系示意圖11/28/2023而：

可知因傳質(zhì)的存在，傳質(zhì)速率的大小與方向影響了壁面上的溫度梯度，即t'(0)的值，從而影響了壁面上的導(dǎo)熱量。

由圖可知，當(dāng)C0為正值時，壁面上的導(dǎo)熱量明顯減少，當(dāng)C0值接近4時，壁面上的導(dǎo)熱量幾乎等于零。11/28/2023普通冷卻過程及三種傳質(zhì)冷卻過程示意

11/28/2023發(fā)汗冷卻燒蝕冷卻冷凝器表面和蒸發(fā)器表面的熱質(zhì)交換過程

假定在傳遞過程中，只有組分A凝結(jié)，則冷凝器表面的總傳熱量為:根據(jù)契爾頓-柯爾本類似律，有:潛熱11/28/2023得進入冷凝器的總熱量，應(yīng)該等于冷凝器內(nèi)側(cè)的冷卻流體帶走的熱量11/28/20233.3.3劉伊斯關(guān)系式

在相同的雷諾數(shù)條件下，根據(jù)契爾頓-柯本爾熱質(zhì)交換的類比因為在空調(diào)溫度范圍內(nèi)，干空氣的質(zhì)量密度變化不大。故11/28/2023因此

在空調(diào)溫度范圍內(nèi)對于水-空氣系統(tǒng)所以

干空氣的平均質(zhì)量密度濕空氣的含濕量以含濕量差為驅(qū)動力的傳質(zhì)系數(shù)見下頁表中數(shù)據(jù)劉伊斯關(guān)系式11/28/2023a/D干空氣和飽和濕空氣的熱質(zhì)擴散系數(shù)

溫度(℃)飽和度a×102(m2/h)D×102(m2/h)10017.157.148.370.8550.85415.6017.427.408.700.8540.85220.1017.697.079.020.8530.85026.7017.957.939.360.8520.84832.2018.248.209.070.8510.84637.3018.538.4610.040.8500.84343.3018.828.7110.390.8480.83848.9019.118.9410.750.8480.83254.4019.409.1511.110.8460.82360019.709.6011.470.8450.81211/28/2023

劉易斯關(guān)系式成立的條件：（1）0.6<Pr<60,0.6<Sc<3000;(2)Le=a/DAB≈1。條件表明，熱擴散和質(zhì)量擴散要滿足一定的條件。而對于擴散不占主導(dǎo)地位的湍流熱質(zhì)交換過程，劉伊斯關(guān)系式是否適用呢？湍流熱質(zhì)交換示意圖t1,d1t2,d211/28/2023因湍流交換而從平面1流到平面2的每單位面積的熱流量為用湍流換熱系數(shù)h來表示這一熱流量同樣，由于湍流交換而引起的每單位面積上的質(zhì)量交換量為得到

湍流時，無論a/D是否等于1，劉伊斯關(guān)系式必成立11/28/20233.3.4濕球溫度的理論基礎(chǔ)濕球溫度計11/28/2023當(dāng)空氣與濕布表面之間的熱量交換達到穩(wěn)定狀態(tài)時，空氣對濕布表面?zhèn)鲗?dǎo)的熱量為濕布表面蒸發(fā)擴散的水分量為根據(jù)熱平衡，得11/28/2023根據(jù)劉伊斯關(guān)系式，由上式變?yōu)椋翰捎眉墧?shù)把上式左邊展開，級數(shù)取前兩項，簡化為考慮到干、濕球溫度相差不大，因此在此溫度范圍內(nèi)，濕空氣的定壓比熱與汽化潛熱都變化不大11/28/2023絕熱飽和溫度ts

完全取決于進口濕空氣及水的狀態(tài)與總量，不受其它任何因素的影響，所以ts是濕空氣的一個狀態(tài)參數(shù)

根據(jù)濕空氣焓的定義，可得濕球溫度受多種傳遞因素影響，不是濕空氣單一函數(shù)

濕空氣焓是濕球溫度的單一函數(shù)11/28/2023

已知絕熱飽和溫度ts和干球溫度t，求進口濕空氣含濕量d。其中ts≈twb80-19911/28/20233.3.5自然環(huán)境中的傳熱傳質(zhì)3.3.5.1大氣中的水面蒸發(fā)及測定1）只考慮純分子擴散2）考慮對流影響實際可忽略擴散蒸發(fā)量80-20011/28/20233.3.5.2季節(jié)變化和晝夜變化對水面蒸發(fā)的影響及測定

由于漩渦、對流影響在水面存在一層溫度均勻的表面層。表面層過渡層深水層（常年溫度不變）表面層過渡層深水層（常年溫度不變）春天夏天表面層（降溫）過渡層（向上自然對流）深水層（常年溫度不變）秋天表面層過渡層（向上自然對流）深水層（常年溫度不變）冬天水中溫度分布11/28/2023中午晚上深夜到凌晨早晨tztztztz大氣中溫度分布11/28/2023作業(yè)：教材中的思考題11/28/202311/28/202380-204第四章空氣熱質(zhì)處理方法

空氣調(diào)節(jié)：

一：基本概念利用冷卻或者加熱設(shè)備等裝置，對空氣溫度和濕度進行處理，使之達到人體舒適度的要求。熱舒適度：

人體對周圍空氣環(huán)境的舒適熱感覺，在人的活動量和衣著一定的前提下，主要取決于室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，如溫度濕度等。國家有標準，國際標準ASHRAE55。新風(fēng)：

從室內(nèi)引進的新鮮空氣，經(jīng)過熱質(zhì)交換設(shè)備處理后送入室內(nèi)的環(huán)境中。

新風(fēng)量大小是衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要參考指標。通常根據(jù)CO2的濃度來確定。用途：一是滿足室內(nèi)人員的衛(wèi)生要求二是補充室內(nèi)排氣和保持室內(nèi)正壓?；仫L(fēng)：從室內(nèi)引出的空氣，經(jīng)過熱質(zhì)設(shè)備的處理，再送回室內(nèi)的環(huán)境中。

回風(fēng)是應(yīng)該等于系統(tǒng)的總回風(fēng)量減去系統(tǒng)的新風(fēng)量。送風(fēng)狀態(tài)點：為了消除室內(nèi)的余壓余溫，以保持室內(nèi)空氣環(huán)境要求，送入房間空氣的狀態(tài)。室內(nèi)設(shè)計工況：夏季：溫度24-28℃，相對濕度40-65%，風(fēng)速不應(yīng)大于0.3m/s冬季：溫度18-22℃，相對濕度40-60%，風(fēng)速0.2m/s.4.1空氣熱質(zhì)處理的途徑

在空調(diào)系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)玫酵凰惋L(fēng)狀態(tài)點，可能有不同的處理途徑。以完全使用室外新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)（直流式系統(tǒng)）為例：oNWL12345％表4-1空氣處理各種途徑的方案說明

季節(jié)

空氣處理途徑處理方案說明夏季

(1)W→L→O(2)W→1→O(3)W→O

（1）噴淋室噴冷水(或用表面冷卻器)

冷卻減濕→加熱器再熱（2）固體吸濕劑減濕→表面冷卻器等濕冷卻（3）液體吸濕劑減濕冷卻冬季

(1)W’→2→L→O(2)W‘→3→L→O(3)W'→4→O(4)W'→L→O

(5)W'→5→L'→O（1）加熱器預(yù)熱→噴蒸汽加濕→加熱器再熱（2）加熱器預(yù)熱→噴淋室絕熱加濕→加熱器再熱（3）加熱器預(yù)熱→噴蒸汽加濕（4）噴淋室噴熱水加熱加濕→加熱器再熱（5）加熱器預(yù)熱→一部分噴淋室絕熱加濕→與另一部分未加濕的空氣混合4.2空氣與水/固體表面之間的熱質(zhì)交換濕空氣在冷表面上的冷卻降溫如圖４－２，取無限小的微元面積，熱質(zhì)交換方程：濕空氣側(cè)：

（1）

（2）

冷卻劑側(cè)：

（3）

熱平衡：

（續(xù)）由（5）式（7）根據(jù)出口濕蒸汽的狀態(tài)可求得出口空氣的含濕量及凝結(jié)水量，及所需要的冷卻面積。

常壓下飽和濕空氣的焓值及其在飽和曲線上的斜率

4.47.210.012.815.618.321.123.926.729.432.235.037.840.643.346.148.951.754.48.4619.80111.27812.90014.67016.70018.93820.33824.27127.46031.07135.17639.84545.18751.29858.31966.40875.77486.607

0.4540.5070.5570.6160.6840.7630.8550.9601.0821.2241.3891.5801.8022.0612.3642.723.143.644.25

i(kcal/kg)t(℃)di/dt[kcal/(kg·℃)]濕肋效率的計算

等直截面積肋片，假設(shè)(1)傳遞過程是穩(wěn)定的

(2)導(dǎo)熱系數(shù)，肋根溫度均為常數(shù)(3)金屬肋片只有x方向的導(dǎo)熱，

水膜只有垂直膜法向?qū)帷?/p>

取微元體dx，金屬肋片在x方向的導(dǎo)熱量為：=由則上式變?yōu)椋合嗉佑桑?）式邊界條件x=0x=L如果濕肋效率定義為：分別為溫度為肋片平均溫度和肋根溫度所對應(yīng)的飽和濕空氣的焓

其中與干肋效率形式一樣，只是用代替h即可熱濕交換原理空氣與水直接接觸是熱濕交換?？諝馀c水直接接觸，根據(jù)水溫不同，可發(fā)生：顯熱或潛熱交換，即熱交換伴有質(zhì)交換：總交換量=顯熱交換+潛熱交換取一微元面積dA空氣溫度變化dt，含濕量變化d(d)。則，顯熱交換量潛熱交換量通常把總熱交換量與顯熱交換量值比稱為熱擴大系數(shù)或析濕系數(shù)

總熱交換量

空氣與水直接接觸時的狀態(tài)變化過程假設(shè)：

水量無限大，接觸時間無限長空氣卻能達到具有水溫的飽和狀態(tài)，

終狀態(tài)將位于

圖中的飽和線上，空氣終溫等于水溫。空氣與水接觸經(jīng)歷的狀態(tài)變化過程取決于與水接觸的水溫，對應(yīng)有七種1234567％AA-2——增濕和減濕分界線A-4——增焓和減焓分界線A-6——升溫和降溫分界線空氣與水直接接觸時各種過程的特點

過程線

水溫特點

A-1

t或Qx

d或Qs

i或Qx

tw<tl

減

過程名稱

減減減濕冷卻

A-2

tw=tl

不變

減等濕冷卻

減A-3

tl<tw<ts

增

減減減焓加濕

A-4

tw=ts

不變

減增

等焓加濕

A-5

ts<tw<tA

增焓加濕

減增

增

A-6

tw=tA

等溫加濕

不變

增

增

A-7

tw>tA

增溫加濕

增

增

增

上述是在理想過程中發(fā)生的，實際過程中水溫是要發(fā)生變化的。％A123順流*吸附材料處理空氣的機理和方法*

目的，要求：1，掌握吸附處理空氣的機理和方法2，了解吸附的特點、吸附曲線、吸附熱3，熟悉吸附干燥處理空氣的應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容：

1，吸附現(xiàn)象的基本概念、機理、吸附曲線及模型；2，靜態(tài)吸附和動態(tài)吸附;3，吸附除濕空調(diào)系統(tǒng)重點：

吸附處理空氣方法，吸附除濕空調(diào)系統(tǒng)難點：

吸附機理和吸附模型補充：

吸附的基礎(chǔ)理論（表面張力和表面能）表面張力體系表面層的性質(zhì)不同于體系內(nèi)部B分子：一方面受內(nèi)部分子的作用；另一部分受外部氣相分子作用，由于密度很小，對B分子的吸引力相對很小，可忽略。故表面分子只受內(nèi)部分子的吸引力，其合力垂直液面且指向液體內(nèi)部。液體表面層的分子由于受到內(nèi)部分子的吸引力，都趨向擠向液體內(nèi)部，

從而使液體表面積分量縮小和降低其位能。A分子：受到周圍分子的吸引力，各面受力相同，合力為零。從宏觀上看，液體表面就好像是一張拉緊了的彈性膜，沿表面切線方向存在著使表面縮小的作用力，這就叫做表面張力。通常表面張力：指在與作用方向垂直的單位長度線段上的比表面張力，簡稱表面張力，由σ表示N/m。表面自由焓

比表面自由焓（表面能）表面分子比內(nèi)層分子具有更多的能量，這多余的能量稱為比表面自由焓（表面能），單位面積上表面自由焓稱為比表面自由焓

外界對某一體系做功時，使其表面積增加

，于是有一定數(shù)量的

消耗功而增加的表面自由焓分子從內(nèi)部進入表面層，由于σ——比表面自由焓比表面自由焓：是在溫度，壓力特定時，增加單位表面積所引起的表面自由焓的增量。表面張力和表面自由焓，是從不同角度反映了表面分子受力不均衡的特性。（二者是一個量）熱力學(xué)最小自由能原理

熱力學(xué)最小自由能原理：在恒溫恒壓下，自由焓減小的過程自動地進行。當(dāng)自由焓最小時，體系處于平衡狀態(tài)。表面張力恒定：

則若表面張力減小的過程能自發(fā)的進行。當(dāng)固體表面吸附氣體分子或液體時，其表

面自由焓因被吸附分子或液體的外向吸引作用而減小，即表面吸附可以減小表面自由焓。(*)表面張力減小是吸附作用發(fā)生的熱力學(xué)原因。

如果A和σ都發(fā)生變化，只要總的效果能發(fā)生自由焓減少，那么過程都能自發(fā)的進行。彎曲表面的附加壓力

附加壓力：由于表面張力的存在產(chǎn)生的一種壓力，氣泡內(nèi)的壓力必然大于氣泡外部的壓力。附加壓力只發(fā)生在彎曲液面上。附加壓力與曲率半徑的關(guān)系

定量關(guān)系：

——附加壓力

可逆條件下，在

作用下，使氣泡

則體積和表面積增加dV和dA自由焓增量=（反抗附加壓力）消耗的功1）曲面附加壓力與表面張力成正比2）曲面附加壓力與曲率半徑成反比3）因σ恒正，

凸形液面

為正；，凹形液面

為負。小氣泡的附加壓力大由于非彎曲液面不存在附加壓力，所以很容易解釋為什么自由液滴或氣泡均呈球形。不規(guī)則彎曲表面的附加壓力蒸汽壓力與表面曲率的關(guān)系

半徑r越小，曲率越大，其蒸汽壓力越大；

當(dāng)（凹面）毛細管內(nèi)對尚未飽和的水蒸氣先凝結(jié)。吸附現(xiàn)象

吸附：物質(zhì)在相界面上濃度自動發(fā)生變化的現(xiàn)象。

或者說是在相異街面上的一種分子積聚現(xiàn)象?！浆F(xiàn)象吸附（adsorfstion）：就是把分子配列程度較低的氣相分子濃縮到分子配列程度較高的固相中。

解附（脫附）：已被吸附的分子或原子，返回到氣相中的現(xiàn)象。

吸收：被吸收物質(zhì)擴散到整個體積內(nèi)。

如吸附使表面自由焓降低，則吸附過程是一個自發(fā)過程。吸附劑：具有吸附作用的物質(zhì)。吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)總內(nèi)能：

——比表面積很大時，表面能起很大作用物