第二章 熱質(zhì)交換過程課件_第1頁
第二章 熱質(zhì)交換過程課件_第2頁
第二章 熱質(zhì)交換過程課件_第3頁
第二章 熱質(zhì)交換過程課件_第4頁
第二章 熱質(zhì)交換過程課件_第5頁
已閱讀5頁,還剩76頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)

文檔簡介

第二章熱質(zhì)交換過程

2.1傳質(zhì)概論2.2擴散傳質(zhì)2.3對流傳質(zhì)2.4相際間的對流傳質(zhì)模型2.5動量、熱量和質(zhì)量傳遞類比2.6對流傳質(zhì)的準則關(guān)聯(lián)式2.7熱量和質(zhì)量同時進行時的熱質(zhì)傳遞第二章熱質(zhì)交換過程

2.1

傳質(zhì)概論

2.1.1混合物組成的表示方法質(zhì)量濃度--在單位容積中所含某組分的質(zhì)量,即質(zhì)量濃度。組分A,B在容積V中具有的質(zhì)量第二章熱質(zhì)交換過程物質(zhì)的量濃度--在單位容積中所含某組分的物質(zhì)的量,即物質(zhì)的量濃度。--組分A,B在容積V中具有的物質(zhì)的量第二章熱質(zhì)交換過程質(zhì)量分數(shù)摩爾分數(shù)質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度的關(guān)系:--組分A的摩爾質(zhì)量,kg/kmol第二章熱質(zhì)交換過程

2.1.2

傳質(zhì)的速度和擴散通量

絕對速度=主流體速度+擴散速度第二章熱質(zhì)交換過程擴散通量

二元混合物A、B在濃度不均勻時的互擴散及它們的濃度沿y方向的分布情況圖第二章熱質(zhì)交換過程2.1.3質(zhì)量傳遞的基本方式

流體作對流運動,當流體中存在濃度差時,對流擴散亦必同時伴隨分子擴散,分子擴散與對流擴散兩者的共同作用稱為對流質(zhì)交換。

分子傳質(zhì)對流傳質(zhì)第二章熱質(zhì)交換過程2.2擴散傳質(zhì)

2.2.1斐克定律

擴散基本定律—斐克定律:

第二章熱質(zhì)交換過程擴散物質(zhì)A的質(zhì)量擴散通量和摩爾擴散通量--組分A的質(zhì)量濃度--摩爾濃度--比例系數(shù),稱分子擴散系數(shù)第二章熱質(zhì)交換過程2.2.2氣體中的穩(wěn)態(tài)擴散過程

混合物的濃度

或摩爾數(shù)n不隨擴散方向y而變化時

對混合氣體已知其組分的分壓變化時

第二章熱質(zhì)交換過程二元混合物的分子互擴散系數(shù)相等

第二章熱質(zhì)交換過程2.2.3液體中的穩(wěn)態(tài)擴散過程水面蒸汽向空氣中的擴散

第二章熱質(zhì)交換過程對靜坐標的凈質(zhì)擴散通量對水蒸氣和空氣分別為:

斯蒂芬﹙J.Stefan﹚定律的表達式

第二章熱質(zhì)交換過程邊界條件

可得

第二章熱質(zhì)交換過程2.2.4固體中的穩(wěn)態(tài)擴散過程通用表達式:第二章熱質(zhì)交換過程2.2.5擴散系數(shù)

擴散系數(shù)是沿擴散方向,在單位時間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

第二章熱質(zhì)交換過程表2-1氣--氣質(zhì)擴散系數(shù)和氣體在液體中

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2.81×10-5

2.55×10-5

1.64×10-5

2.05×10-5

4.11×10-5

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0.84×10-5

0.88×10-5

0.93×10-5

1.59×10-5

1.19×10-5

第二章熱質(zhì)交換過程液相,20℃,稀溶液

氨-水CO2-水O2-水H2-水1.75×10-9

1.78×10-9

1.81×10-9

5.19×10-9

氯化氫-水氯化鈉-水乙烯醇-水CO2-乙烯醇2.58×10-9

2.58×10-9

0.97×10-9

3.42×10-9

第二章熱質(zhì)交換過程表2-2氣體在空氣中的分子擴散系數(shù)D0(

cm2/s)

氣體D0

氣體D0

H2

N2

O2

CO2

0.5110.1320.1780.138SO2

NH3

H2OHC10.1030.200.220.13第二章熱質(zhì)交換過程表2-2列舉了在壓強、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)可用下式換算第二章熱質(zhì)交換過程兩種氣體A與B之間的分子擴散系數(shù)可用(Gilliland)提出的半經(jīng)驗公式估算:--熱力學溫度;--總壓強;--氣體A,B的分子量;--氣體A,B在正常沸點時液態(tài)克摩爾容積第二章熱質(zhì)交換過程表2-3在正常沸點下液態(tài)克摩爾容積氣體摩爾容積氣體摩爾容積

H2

O2

N2

空氣14.325.631.129.9CO2

SO2

NH3

H2O3444.825.818.9第二章熱質(zhì)交換過程2.3對流傳質(zhì)

2.3.1對流傳質(zhì)系數(shù)

在離開前緣任意距離處的組分流密度可表示為第二章熱質(zhì)交換過程在離開前緣任意距離處的組分流密度可表示為第二章熱質(zhì)交換過程2.3.2濃度邊界層

濃度邊界層的概念

濃度邊界層δc被定義為

[(CAs-CA)/(CAs-CA∞)]=0.99時的y值第二章熱質(zhì)交換過程濃度邊界層示意圖第二章熱質(zhì)交換過程邊界層的重要意義

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。第二章熱質(zhì)交換過程對流傳質(zhì)方程

任意表面的速度,熱和濃度邊界層的開展

第二章熱質(zhì)交換過程邊界層中組分守恒的微元控制體及能量交換示意圖

第二章熱質(zhì)交換過程控制體中的傳質(zhì)情況

第二章熱質(zhì)交換過程2.3.3湍流傳質(zhì)的機理組分A的主體平均濃度定義為:第二章熱質(zhì)交換過程2.3.4對流傳質(zhì)的數(shù)學描述

因為邊界層厚度一般很小,可利用下面的不等式

速度邊界層

溫度邊界層

濃度邊界層

第二章熱質(zhì)交換過程經(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)利用速度邊界層近似的量級分析,可以表明y動量方程可簡化為

第二章熱質(zhì)交換過程上述簡化,能量方程可簡化為上述簡化,能量方程可簡化為組分的連續(xù)性方程變成

第二章熱質(zhì)交換過程對流傳質(zhì)簡化模型

濃度邊界層第二章熱質(zhì)交換過程圖2-10有效邊界層第二章熱質(zhì)交換過程

按斐克第一定律于圖2-10所示的邊界條件下積分,得到傳質(zhì)通量的計算式為--擴散組分(i)于流體中的互擴散系數(shù)--散組分于流體中的平均濃度,或反映平衡濃度--擴散組分于固體表面上的濃度或平衡濃度--對流傳質(zhì)簡化模型的“停滯層”厚度第二章熱質(zhì)交換過程2.3.5對流傳質(zhì)過程的相關(guān)準則數(shù)

(1)施密特準則數(shù)(Sc)對應(yīng)于對流傳熱中的普朗特準則數(shù)(Pr)

ν:流體的運動粘度(即動量傳輸系數(shù))α:物體的導溫系數(shù)(即熱量傳輸系數(shù))Di:物體的擴散系數(shù)第二章熱質(zhì)交換過程(3)傳質(zhì)的斯坦頓準則數(shù)(Stm)對應(yīng)于對流傳熱中的斯坦頓準則數(shù)St

第二章熱質(zhì)交換過程

(2)舍伍德準則數(shù)(Sh)對應(yīng)于對流傳熱中的努謝爾特準則數(shù)(Nu)α:對流傳熱系數(shù)λ:物體的導熱系數(shù)

l:定型尺寸系數(shù)hm:對流傳質(zhì)系數(shù)Di:物體的擴散系數(shù)第二章熱質(zhì)交換過程2.4

相際間的對流傳質(zhì)模型2.4.1薄膜理論

第二章熱質(zhì)交換過程根據(jù)膜理論按菲克定律所確定的穩(wěn)態(tài)擴散傳質(zhì)通量為:

第二章熱質(zhì)交換過程2.4.2滲透理論

第二章熱質(zhì)交換過程2.5動量、熱量和質(zhì)量傳遞類比

2.5.1三傳方程連續(xù)性方程

動量方程

能量方程

擴散方程

第二章熱質(zhì)交換過程邊界條件為:

動量方程

能量方程

擴散方程

第二章熱質(zhì)交換過程這三個性質(zhì)類似的物性系數(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)流體的傳質(zhì)特性劉伊斯準則表示溫度分布和濃度分布相互關(guān)系,體現(xiàn)傳熱和傳質(zhì)之間的聯(lián)系

第二章熱質(zhì)交換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:第二章熱質(zhì)交換過程2.5.2動量交換與熱交換的類比

在質(zhì)交換中的應(yīng)用

雷諾類似律

當Pr=1時

----摩擦系數(shù)第二章熱質(zhì)交換過程以上關(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Sc=1,即ν=D時

第二章熱質(zhì)交換過程柯爾本類似律

普朗特類似律

卡門類似律

第二章熱質(zhì)交換過程

契爾頓和柯爾本發(fā)表了如下的類似的表達式:

傳熱因子JH,傳質(zhì)因子JD

第二章熱質(zhì)交換過程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

第二章熱質(zhì)交換過程由JH=JD可以將對流傳熱中有關(guān)的計算式用于對流傳質(zhì)

第二章熱質(zhì)交換過程熱、質(zhì)傳輸同時存在的類比關(guān)系

得到

成立條件:0.6<sc<2500,0.6<pr<100第二章熱質(zhì)交換過程2.6對流質(zhì)交換的準則關(guān)聯(lián)式

2.6.1流體在管內(nèi)受迫流動時的質(zhì)交換

由傳熱學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表示在下圖中,并得到相應(yīng)的準則關(guān)聯(lián)式為

第二章熱質(zhì)交換過程Sh/Sc0.44

第二章熱質(zhì)交換過程用類比律來計算管內(nèi)流動質(zhì)交換系數(shù),由于若采用布拉西烏斯光滑管內(nèi)的摩阻系數(shù)公式

則可得

第二章熱質(zhì)交換過程2.6.2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)是第二章熱質(zhì)交換過程2.7熱量和質(zhì)量同時進行時的熱質(zhì)傳遞在等溫過程中,由于組分的質(zhì)量傳遞,單位間、單位面積上所傳遞的熱量為如果傳遞系統(tǒng)中還有溫差存在,則傳遞的熱量為Ni---組分的傳遞速率t---組分的溫度Mi---組分的分子量t0---焓值計算溫度Cp,i---組分的定壓比熱第二章熱質(zhì)交換過程(a)

(b)

滯留層內(nèi)濃度分布示意圖(a)V(y)=0(b)v(y)≠0

第二章熱質(zhì)交換過程

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)就可定義為

對于等分子相反方向的傳質(zhì)過程式為在熱量傳遞中也有膜傳熱系數(shù)第二章熱質(zhì)交換過程(a)滯留層中的溫度、濃度分布示意圖(b)微元體內(nèi)熱平衡同一表面上傳質(zhì)過程對傳熱過程的影響第二章熱質(zhì)交換過程進入微元體的熱流由兩部分組成

(1)由溫度梯度產(chǎn)生的導熱熱流為(2)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

流體滯留薄膜層內(nèi)的溫度分別必須滿足

第二章熱質(zhì)交換過程最后得到流體在薄膜層內(nèi)的溫度分別為

壁面上的導熱熱流為

在無傳質(zhì)時,C0=0,可知溫度t為線性分布,而且

第二章熱質(zhì)交換過程一般情形下

總熱流量應(yīng)為第二章熱質(zhì)交換過程因此

此處定義的無因次數(shù)C0為傳質(zhì)阿克曼修正系數(shù)(AckermanCorrection)上式表明,傳質(zhì)的存在對壁面熱傳導和總傳熱量的影響是方向相反的第二章熱質(zhì)交換過程傳質(zhì)對傳熱的影響關(guān)系示意圖第二章熱質(zhì)交換過程

由圖可知,當C0為正值時,壁面上的總熱流量明顯減少,當C0值接近4時,壁面上的總熱流量幾乎等于零。由于可知因傳質(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,從而影響了壁面上的總傳熱量。第二章熱質(zhì)交換過程普通冷卻過程及三種傳質(zhì)冷卻過程示意

第二章熱質(zhì)交換過程冷凝器表面和蒸發(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,得第二章熱質(zhì)交換過程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第二章熱質(zhì)交換過程劉伊斯關(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)交換的類似律

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,故第二章熱質(zhì)交換過程因此在空氣溫度范圍內(nèi)對于水-空氣系統(tǒng)所以第二章熱質(zhì)交換過程

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

第二章熱質(zhì)交換過程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)量交換量為得到第二章熱質(zhì)交換過程溫度(℃)

飽和度a×102

(m2/h)D×102

(m2/h)10017.157.148.370.8550.85415.6017.427.408.700.8540.85220.1017.697.079.020.8530.85026.701

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論