熱質(zhì)交換原理與設(shè)備

質(zhì)量通量用絕對(duì)速度表示mA=PAUA用擴(kuò)散速度表示JA=PA(uA-u)摩爾通量用絕對(duì)速度表示Na=CAUA用擴(kuò)散速度表示JA=CA(uA-uM)傳質(zhì)通量是單位時(shí)間通過垂直于傳質(zhì)方向上單位面積的物質(zhì)的量，傳質(zhì)通量等于傳質(zhì)速度與濃度的乘積。u=1/p(PAuA+PBuB)質(zhì)量傳質(zhì):分子傳質(zhì)又稱為分子擴(kuò)散，它是由于分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。對(duì)流傳質(zhì)：指避免和運(yùn)動(dòng)流體之間或兩個(gè)有限互溶的運(yùn)動(dòng)流體之間的質(zhì)量傳遞。分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散的總作用成為對(duì)流傳質(zhì)交換斐克定律(擴(kuò)散基本定律)一在濃度場(chǎng)不隨時(shí)間變化的情況下，組分A向組分B的擴(kuò)散通量與組分A的濃度梯度成正比，表達(dá)式：質(zhì)量擴(kuò)散通量巾=DABdAB=DBAdPB摩爾擴(kuò)散通ja― ,j―ldz dz量JA=一DAB—B=-DBAdCB兩組分?jǐn)U散系統(tǒng)有：忙=-5=-JB所以擴(kuò)散系數(shù)DAB=DBA=D注：菲dZ dZ克定律只適用于由于分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散過程，其傳遞的速度為擴(kuò)散速度，一般表達(dá)式：mA--D*+aA(mA+mB)aA—*Na-一吁+xA(.Na+Nb)xA—十組分的實(shí)際傳質(zhì)通量=分子擴(kuò)散通量+主題流動(dòng)通量。擴(kuò)散系數(shù)：物質(zhì)的分子擴(kuò)散系數(shù)表示它的擴(kuò)散能力，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，定義：擴(kuò)散系數(shù)是沿?cái)U(kuò)散方向，在單位時(shí)間濃度降得條件下，垂直通過單位面積所擴(kuò)散某物質(zhì)的質(zhì)量或摩爾數(shù)，單位m7s。濃度邊界層決定了對(duì)流傳質(zhì)，如果在表面處流體中的某種組分A的濃度CAs和自由流體的CA8不同，就將產(chǎn)生濃度邊界層，它是存在濃的梯度的流體區(qū)域，并且它的厚度5°被定義為C-cas]/C血-cas]=0.99時(shí)的y值，在表面和自由流的流體之間的對(duì)流造成的組分的傳遞是由這個(gè)邊界層中的條件決定的。對(duì)流傳質(zhì)的相關(guān)準(zhǔn)則，基本計(jì)算式：mA=如仔心-皈口傳質(zhì)傳熱施密特準(zhǔn)則數(shù)Sc=v運(yùn)動(dòng)粘度/Di擴(kuò)散系數(shù)普朗特準(zhǔn)則數(shù)Pr=v/a熱擴(kuò)散率，v=u動(dòng)力粘度/p宣烏特準(zhǔn)則Sh=hm(傳質(zhì)系數(shù))l(定型尺寸)/Di努謝爾準(zhǔn)則數(shù)Nu=hl/A斯坦登準(zhǔn)則數(shù)Sta=Sh/ReSc=hm/u斯坦登準(zhǔn)則數(shù)St=h/PcJu對(duì)流換熱的基本計(jì)算式：q=hO-tJk/E，當(dāng)熱質(zhì)傳遞同時(shí)存在時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)h和對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)hm之間滿足：hm=Je二或十—pcpLe：在什么條件下，描述對(duì)流傳質(zhì)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式與描述對(duì)流換熱的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式具有完全類似的形式？如果組分濃度比較低，界面上的質(zhì)擴(kuò)散通量比較小，則界面法相速度與主流速度相比很小可以忽略不計(jì)時(shí)，描述對(duì)流換熱系數(shù)和對(duì)流傳質(zhì)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式具有完全類似的形式，此時(shí)，對(duì)流換熱與對(duì)流傳質(zhì)的邊界層微分方程不僅控制方程的形式類似，而且具有完全相容的邊界條件，此時(shí)對(duì)流換熱和對(duì)流傳質(zhì)問題的解具有完全類似的形式。劉易斯準(zhǔn)則數(shù)Le=Sc/Pr=a/D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①施密特準(zhǔn)則數(shù)反映了流體動(dòng)量傳遞能力和質(zhì)量傳遞能力的相對(duì)大?、谛麨跆販?zhǔn)則數(shù)是以流體的邊界擴(kuò)散阻力對(duì)對(duì)流傳質(zhì)阻力之比來標(biāo)志過程的相似特征，反映了對(duì)流傳質(zhì)的強(qiáng)弱。邊界層的關(guān)系：當(dāng)Sc=1時(shí)，速度分布和濃度分布曲線相重合，或速度邊界層和濃度邊界層厚度相等。當(dāng)Le=1時(shí)，溫度分布和濃度分布曲線相重合，或溫度邊界層和濃度邊界層厚度相等。Pr=v/a表示速度分布和溫度分布的相互關(guān)系，體現(xiàn)流動(dòng)和傳熱之間的相互聯(lián)系，Sc=v/D表示素的分布和濃度分布的相互關(guān)系，體現(xiàn)流體的傳質(zhì)特性。劉易斯關(guān)系在湍流情況下的推導(dǎo)：對(duì)水一空氣系統(tǒng)十=cp因湍流交換從平面1到平面2的每單位面積的熱流量為:qf=嚀（t1-12）如果用湍流換熱系數(shù)h來表示這一熱量，這可寫成為：、2）=pcpv（t1-12）同樣，憂郁湍流交換而引起的每單位面積上的質(zhì)量交換量為：mt=pv（d1-d2）=hmd（d1-d2）兩式相除可得h/hmd=cp可見在湍流時(shí)不論a/七^是否等于1，劉易斯關(guān)系式總是成立的。這說明了在湍流傳遞過程中，流體之間的湍流混合在傳遞過程中起重要作用。對(duì)于層流或湍流緊靠固體表面的層流底層來說，劉易斯關(guān)系式僅適用于a/daB=1的情況，這是因?yàn)樵谶@些區(qū)域內(nèi)，分子擴(kuò)散在傳遞中起重要作用。顯熱是以干球溫度的差值來表示的，潛熱是以含濕量的差值來表示的，焓就是代表著潛熱與顯熱的總能量，結(jié)論：濕空氣主流與靠近水膜飽和空氣的焓差是熱、質(zhì)交換的推動(dòng)力?？諝馀c水直接接觸時(shí)，水表面形成的飽和空氣邊界層與主流空氣之間通過分子擴(kuò)散與紊流擴(kuò)散，使邊界層的飽和空氣與主流空氣不斷混摻，從而使主流空氣狀態(tài)發(fā)生變化。因此，空氣與水的熱濕交換過程可以視為主體空氣與邊界層空氣不斷混合的過程。當(dāng)水溫低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，此時(shí)由于tw<t1<tA和pq1戲?，所以空氣被冷卻和干燥。水蒸氣凝結(jié)時(shí)放出的熱易被水帶走。當(dāng)水溫等于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，此時(shí)由于tw<tA和pq1=pqA，所以空氣被等濕冷卻。當(dāng)水溫高于空氣露點(diǎn)溫度而低于空氣濕度溫度時(shí)，此時(shí)由于《<tA和pq3>pqA，空氣被冷卻和加濕，當(dāng)水溫等于空氣濕度溫度時(shí)，空氣狀態(tài)沿等焓線變化而被加濕'。總熱交換量近似為零，tw<tA,pq4>pqA，說明空氣的顯熱量減少、潛熱量增加，水蒸發(fā)所需熱量取自空氣本身。當(dāng)水溫高于空氣濕球溫度而低于空氣干球溫度時(shí)，由于tw<tA,pq5>pqA空氣被加濕和冷卻。水蒸氣所需熱量部分來自空氣，部分來自水。當(dāng)水溫等于空氣干球溫度時(shí)，此時(shí)由于tw=tA,pq6>pqA說明不發(fā)生顯熱交換，空氣狀態(tài)變化過程為等溫加濕。水蒸氣所需熱量來自水本身。當(dāng)水溫高于空氣干球溫度時(shí)，由于孩>tApq7>pqA，空氣被加濕和加熱。水蒸氣所需熱量及加熱空氣的熱量均來自水本身。以冷卻水為目的的濕空氣冷卻塔內(nèi)發(fā)生的便是這種過^E°Q=KAVtmQ=G1c1（t1，—12，）=G^c2（2“-"）吸附現(xiàn)象是相異二相界面上的一種分子積聚現(xiàn)象。吸附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。使氣體濃縮的物體叫做吸附劑，被濃縮的物質(zhì)叫做吸附質(zhì)。流體的粘性、熱傳導(dǎo)性和質(zhì)量擴(kuò)散性通稱為流體的分子傳遞性質(zhì)。當(dāng)流場(chǎng)中速度分布不均勻時(shí)，分子傳遞的結(jié)果產(chǎn)生切應(yīng)力，溫度分布不均勻時(shí)，分子傳遞的結(jié)果產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，多組分混合流體中，當(dāng)某種組分濃度分布不均勻時(shí)，分子傳遞的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生該組分的質(zhì)量擴(kuò)散，描述這一種分子傳遞性質(zhì)的定律分別是牛頓粘性定律、傅里葉定律、菲克定律。熱質(zhì)交換設(shè)備按照工作原理不同可分為間壁式、混合式、蓄熱式和熱管式等類型，表面式冷卻塔、省煤器、蒸發(fā)器屬于間壁式，而噴淋室、冷卻塔則屬于混合式。熱值交換設(shè)備暗器內(nèi)冷、熱流體的流動(dòng)方向，可分為順流式、逆流式、叉流式和混合式。工程計(jì)算中當(dāng)管束曲折的次數(shù)超過4次，就可以作為純逆流和純順流來處理。溫度差是熱量傳遞的推動(dòng)力，而水蒸氣分壓力則是產(chǎn)生質(zhì)交換的推動(dòng)力。質(zhì)量傳遞有兩種基本方式：分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散，兩者的共同作用稱為對(duì)流質(zhì)交換。相對(duì)靜坐標(biāo)的擴(kuò)散通量稱為絕對(duì)擴(kuò)散通量，而相對(duì)于整體平均速度移動(dòng)的動(dòng)作標(biāo)擴(kuò)散通量則稱為相對(duì)擴(kuò)散通量。在濃度場(chǎng)不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散條件下，當(dāng)無整體流動(dòng)時(shí)，組成二元混合物中的組分A和組分B發(fā)生互擴(kuò)散，其中組分A向組合B的質(zhì)擴(kuò)散通量mA與組分A的濃度梯度成正比，其表達(dá)式為mA=—%dg/m*s,當(dāng)混合物以某一質(zhì)平均速度v移動(dòng)時(shí)，該表達(dá)式的坐標(biāo)d應(yīng)取隨整體移動(dòng)的動(dòng)作標(biāo)。麥凱爾方程的表達(dá)式為：dQz=hmd（i-id）dA，它表明當(dāng)空氣與水發(fā)生直接接觸，熱濕交換同時(shí)進(jìn)行時(shí)?？倱Q熱量的推動(dòng)力可以近似認(rèn)為是濕空氣的焓差。dQz為潛熱和顯熱的代數(shù)和，i為主流空氣的焓，ip為邊界層中飽和濕空氣的焓，hmd為濕交換系數(shù)或空氣與水表面之間按含濕量之差計(jì)算的傳質(zhì)系數(shù)表面式冷卻器處理空氣是發(fā)生的熱質(zhì)交換過程的特點(diǎn):當(dāng)冷卻器表面溫度低于被處理空氣的干球溫度但高于其露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣只被冷卻但不產(chǎn)生凝結(jié)水，此為等濕冷卻過程（干冷），當(dāng)冷卻器表面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣不但被冷卻且其中所含水蒸氣也將部分凝結(jié)出來，此為減濕冷卻過程（濕冷），在濕冷過程，推動(dòng)總熱交換的動(dòng)力濕空氣的焓差，而不。質(zhì)量產(chǎn)地的推動(dòng)力是濃度梯度，傳質(zhì)有兩種基本方式：分子擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散。在靜止的流體或垂直于濃度梯度方向作層流運(yùn)動(dòng)的流體及固體中的擴(kuò)散，本質(zhì)上由微觀分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起，稱為分子擴(kuò)散，機(jī)理類似于熱傳導(dǎo)，流體做宏觀對(duì)流運(yùn)動(dòng)時(shí)由于存在濃度差引起的質(zhì)量傳遞稱為對(duì)流擴(kuò)散，機(jī)理類似于熱對(duì)流。薄膜理論當(dāng)流體流經(jīng)固體或液體表面時(shí)，存在一層附壁薄膜，靠近壁面一側(cè)膜內(nèi)流體的濃度分布為線性，而在流體一側(cè)，薄膜與濃度分布均勻的主流連續(xù)接觸，且薄膜內(nèi)流體與主流不發(fā)生混合與擾動(dòng)。在此條件下，整個(gè)傳質(zhì)過程相當(dāng)于集中在薄膜內(nèi)的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散傳質(zhì)過程。濕空氣的組成成分有哪些，為什么要把含量很少的水蒸氣作為一個(gè)重要的成分來考慮？大氣是由干空氣和一定量的水蒸氣混合而成的，稱其為濕空氣，主要成分氮氧氬二氧化碳水蒸氣等，在濕空氣中水蒸氣的含量雖少，但其變化卻對(duì)空氣環(huán)境的干燥和潮濕程度產(chǎn)生重要影響且使?jié)窨諝獾奈锢硇再|(zhì)隨之改變，因此研究濕空氣中水蒸氣的含量在空氣調(diào)節(jié)行業(yè)中占重要地位。由附錄的濕空氣20c?1=50%時(shí)，i=39jkg（干空氣）濕空氣15C，?2=90%時(shí)，i=39jkg（干空氣），所以空氣的焓值沒有發(fā)生變化大氣壓101325Pa，空氣變化前干球溫度t1=20c變化后干球12=30c，相對(duì)濕度?2=50%，狀態(tài)變化過程的角系數(shù)e=5000kj/kg求得查附錄的?1=62%，i1=43kj/kg（干空氣）fl1=9g/kg（干空氣）某空調(diào)房間長、寬、高、為5x3.3x3m，經(jīng)實(shí)測(cè)室內(nèi)空氣溫度20c，壓力101325Pa，水蒸氣壓力為1400Pa，查附錄的d=8.8g/kg（干空氣）?=60%i=42kj/kg（干空氣）知干空氣的氣體常數(shù)為287j/（kg?k）干空氣分壓力B-Pq=101325-1400=99925（Pa）干空氣密度o=~p^=99925=1.188kg/m3 室內(nèi)水蒸氣質(zhì)量：M=8.8x58.8=517.5gg287T287x293 q室內(nèi)干空氣質(zhì)量Mg=pgV=1.188x5x3.3x3=58.8kg如果使室內(nèi)空氣沿等溫線加濕至飽和狀態(tài)，則角系數(shù)￡=2500kj/kg當(dāng)空氣的狀態(tài)是溫度為20c，?=100%時(shí)，則d=14.6g/kg（干空氣）水蒸氣分壓力2350Pa此時(shí)室內(nèi)的干空氣的密度為p=101325-2350=1.177kg/m3室內(nèi)干空氣質(zhì)287x293量為mg=1.177x5x3.3x3=58.26kg室內(nèi)水蒸氣質(zhì)量為14.6x58.26=850.6g加入的水蒸氣量850.6-517.5=333.1g將空氣由t1=25c，?1=70%冷卻到12=15c，?2=100%。問①每千克干空氣失去水分是多少克？②每千克干空去失去的顯熱是多少？③水凝結(jié)時(shí)放出的潛熱是多少？4空氣狀態(tài)變化時(shí)失去的總熱量是多少？解由附錄的t]=25c，?1=70%時(shí)，d1=14g/kg（干空氣）t2=15c，?2=100%時(shí)，d2=10.5g/kg（干空氣）失去的水蒸氣Ad=d1-d2=14-10.5=3.5gi=cp.g-1+（2500+cp.q-1）^00由AQ=cp.q?At=1x（25-15）=10kj/kg（干空氣）AQ2=9.1kj/kg空氣狀態(tài)變化時(shí)失去的總能量是19.1kj/kg室外空氣與室內(nèi)空氣進(jìn)氣絕熱混合，壓力都是101325Pa,室外空氣的流量為2kg/s，干球溫度為35c濕球溫度25c，室內(nèi)空氣的流量為3kg/s,溫度為24C相對(duì)濕度50%求①混合空氣的焓②混合空氣的含濕量③據(jù)①和②的結(jié)果計(jì)算混合物的干球溫度4由入口氣流的干球溫度用加權(quán)平均法求混合物的干球溫度，解差附錄則信封的焓為76kj/kg(干空氣)回氣的焓為48kj/kg(干空氣)由能量守恒M新i新+M回廣(M新+M