热质交换原理与设备
热质交换原理与设备实验
热质交换原理与设备实验
热质交换是指通过热电材料之间的热电效应实现的能量转移，可
以作为一种高效的能量转换方式。
其基本原理是当两种不同材料的连
接处有温度差时，由于热电效应的存在，将产生电势差和电流。
根据
洛仑兹力的作用，电流在材料内部生成电热效应，从而产生能量转移。
因为热质交换原理需要温差才能发挥作用，所以在实际应用中需要进
行恰当的热管理和优化设计。
热质交换设备包括热电发生器和热电制冷器两类。
热电发生器的
作用是将热能转换成电能，常用于废热利用、能源回收等领域。
热电
制冷器则是将电能转换为制冷效果，常用于航空、汽车、电子设备等
领域。
为了获得良好的热电性能，需要选择合适的热电材料、设计合
理的结构和优化热管理措施。
为了研究热质交换原理，可以进行实验来验证其基本原理和性能。
一般实验设备包括热电材料、热源、温度计、电表和恒流源等。
通过
在不同温度下测量电压和电流，可以计算出热电系数和热导率等关键
指标，进一步优化材料和结构。
热质交换原理与设备
质量通量用绝对速度表示A A A u m ρ=用扩散速度表示()u uA A JA -=ρ摩尔通量用绝对速度表示A A A u C N =用扩散速度表示)(M A A A u u C J -=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。
)(/1B B A A u u u ρρρ+=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）—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 的浓度梯度成正比，表达式：质量扩散通量dzB d D BA jB dz A d D AB ja ρρ-=-=,摩尔扩散通量dZdCB D BA JB dZ dCA D AB JA -=-=,两组分扩散系统有：JB JA jb jA -=-=,所以扩散系数D D BA D AB ==注：菲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：)(B A A z A A m m a d d D m ++-=ρ M M a A A = )(B A A Z CA A N N x d d D N ++-= nn x A A =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㎡/s 。
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S A C ,和自由流体的∞,A C 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c δ被定义为[][]99.0/,=--∞AS A S A C C C C 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。
热质交换原理与设备课后习题答案
7.04 10 5 m / s
1）（第 3 版 P25）用水吸收氨的过程，气相中的 NH3 （组分 A）通过不扩散的空气
（组分 B），扩散至气液相界面，然后溶于水中，所以
D 为 NH3 在空气中的扩散。
2）刘易斯关系式只对空气 —— 水系统成立， 本题为氨 —— 空气系统， 计算时类比关 系不能简化。
Re uod v
4 0.08 15.53 10 6
20605
v 15.53 10 6 Sc D 0.25 10 4 0.62
用式子（ 2-153）进行计算
shm
0.023
R 0.83 e
S 0.44 c
0.023 206050.83 0.620.44
4
hm shmD 70.95 0.25 10 0.0222m / s
热，使蓄热体壁温升高， 把热量储存于固体蓄热体中，随即冷流体流过，吸收蓄热体通
道壁放出的热量。
热管换热器是以热管为换热元件的换热器， 由若干热管组成的换热管束通过中隔板置于 壳体中，中隔板与热管加热段，冷却段及相应的壳体内穷腔分别形成热、冷流体通道，
热、冷流体在通道内横掠管束连续流动实现传热。
第二章 传质的理论基础
3
D DO P0 T 2 0.2 10 4 P T0
3
350 2
273
0.29 10 4m2 / s
氢— 空气
DO 0.511 10 4m2 / s
3
D DO P0 T 2 0.511 10 4 P T0
3
350 2
273
0.742 10 4m2 / s
2-14 溶解度 s 需先转化成摩尔浓度：
CA1 sPA1 5 10 3 0.03 1.5 10 4 kmol / m3
热质交换原理与设备
填空：1、 当流体中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量和质量的传递现象。
2、 动量、热量和质量的传递，既可以是分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由漩涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。
3、 绝对速度＝主体流动速度+扩散速度4、 组分的实际传质通量＝分子扩散通量+主体流动通量5、 按扩散物质分子运动的平均自由程λ与孔道直径d 的关系，常将多孔固体中的扩散分为斐克型扩散、克努森扩散及过渡区扩散等类型。
6、 质交换的两种基本形式分子扩散、对流扩散。
7、 麦凯尔方程: aAdz i i h dQ m d )(-''=dA i i h dQ b md z )(-=。
8、 常用的固体吸附剂有极性的 硅胶、多孔活性铝和沸石 及非极性的活性炭 等。
9、 吸收液除湿的最大特征：只要吸收液浓度保持一定，入口温度对空气出口相对湿度 几乎没有影响。
10、按照用途的不同，可将混合式热交换器分为 冷却塔 、气体洗涤塔 、 喷射式热交换器 、和 混合式热交换器 。
11、冷却塔淋水装置点滴式 、 薄膜式、点滴－薄膜式。
12、热质交换设备按工作原理可分为间壁式 、直接接触式/混合式 、蓄热式 、和 热管式 。
13、刘易斯关系式的表达形式 。
14、固体除湿其按工作方式可分为固定式 和 旋转/回转式 。
15、常用的吸收液 氯化锂 、 三甘醇 。
16、喷淋室有卧式和立式、单级和双级、低速和高速 之分。
此外工程上还使用带旁通和带填料层的喷淋室。
17、常用水冷式冷凝器有壳管冷凝器 ， 壳－盘管，套管式， 板式冷凝器。
18、满液式蒸发器，若制冷剂为氨，充液高度约为筒径的70～80％，而氟利昂为制冷剂时，其充液高度为筒径的 55～65％。
19、在直接蒸发式空气冷却器中，分液器 和毛细管保证液态制冷剂能够均匀分配给各路肋管的主要部件。
20、制冷剂在管内蒸发时，其流速或质量流速越大，管内沸腾放热系数就越高，而流速的增大又将引起管内制冷剂压力降的增加，故存在最佳质量流速。
热质交换原理与设备要点总结
<热质交换原理与设备>第一章绪论1．分子传递的三定律3个传递系数、公式、结构上的类似性。
2．紊流传递，分子传递的基本概念基于流态划分的传递现象的两种基本形式。
3．设备的分类以及它们各自的传热机理第二章热质交换过程1．传质定义：分子扩散和对流扩散的概念基于质交换的构因划分的质交换的基本方式对流传质量概念2．5种扩散通量的定义之间的关系扩散通量质扩散通量、摩尔扩散通量、扩散通量向量、绝对扩散通量、相对扩散通量3．斐克定律的其它表示形式质量平均速度与扩散速度4．斯蒂芬定律应用情况；积分形式、微分形式，转化条件（转化为斐克定律）5．扩散系数定义，o D的定义（公式不记），随压强和温度的变化情况6．对流传质的基本公式7．边界层的概念？意义？对流传质简化模型的中心思想。
8．薄膜渗透理论的基本论点、结论（公式、推导不计）9．各准则数的物理意义普朗特，施密特，刘伊斯10．类似律的本质：阐述三传之间的类似关系（建立了…和之间的关系）11．同一表面上传质对传热的影响，对壁面热传导和总传热量影响相反由（2-90）和图2-16来分析影响12．刘伊斯关系式的表达式和意义第三章相变热量交换原理1．什么是沸腾放热的临界热流密度？有何意义？2．汽化核心分析3．影响沸腾换热的因素4．影响凝结现象的因素第四章空气热质处理方法1．麦凯尔方程的意义，热质交换设备的图解方法。
2．空气与水直接接触时热湿交换的原理，显热，潜热推动力，空气状态变化过程，实际过程3．吸收吸附法较之表冷器除湿的优点。
4．干燥循环的3个环节5．吸附剂传质速度的影响因素。
6．吸附原理：表面自由焓7．动态吸附除湿的再生方式8．吸附除湿空调系统9．吸收原理：气液平衡关系第五章 其它形式的热质交换1．空气射流的种类、特点等温自由射流的速度衰减。
非等温射流温度边界层，速度边界层，浓度边界层的特性。
起始段，主体段2．回风口空气衰减规律3．送风温差第六章 热质交换设备1．表冷器的热工计算(1)传热系数与哪些因素有关 迎面风速，析湿系数，水流速(2) 效能—传热单元法 主要原则，几个参量的意义2．喷淋室的热工计算（1）影响喷淋室热交换效果的因素。
热质交换原理与设备
当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量和质量的传递现象。
动量、热量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由漩涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。
质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量称为该组分的质量浓度。
物质的量浓度：单位体积混合物中某组分的物质的量称为该组分的物质的量浓度，符号C。
绝对速度= 主体流动速度+ 扩散速度单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量称为传质通量。
传质通量等于传质速度与浓度的乘积。
质量传递的方式分为分子传质和对流传质。
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。
对流传质是指壁面和运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递。
在湍流流体中，由于存在大大小小的漩涡运动，而引起各部位流体间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质便朝着浓度降低的方向进行传递，这种凭借流体质点的湍流和漩涡来传递物质的现象，称为紊流扩散。
斐克定律：在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中组分A和组分B将发生互扩散，其中组分A 向组分B的扩散通量与组分A的浓度梯度成正比。
斐克定律只适用于由于分子无规则热运动引起的扩散过程，其传递的速度即为扩散速度。
组分的实际传质通量= 分子扩散通量+ 主体流动通量在气体扩散过程中，分子扩散有两种形式，双向扩散和单向扩散。
等分子反方向扩散（双向扩散）：设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则成为等分子反方向扩散。
组分A通过停滞组分B的扩散（单向扩散）：设组分A、B两组分组成的混合物中，组分A 为扩散组分，组分B为不扩散组分，组分A通过停滞组分B进行扩散。
液体中的等分子反方向扩散发生在摩尔潜热相等的二元混合物蒸馏时的液相中，此时，易挥发组分A向气液相界面方向扩散，而难挥发组分B则向液相主体的方向扩散。
热质交换原理与设备概述
热质交换原理与设备概述在热质交换过程中，热量的传递通过传热表面进行，介质之间不直接接触。
根据传热方式的不同，热质交换可以分为对流换热和辐射换热两种。
对流换热是通过流体的流动来实现热量传递，常见的设备有管壳式换热器、板式换热器等；辐射换热是通过辐射作用来实现热量传递，常见的设备有塔式冷却器、蒸发器等。
换热器是热质交换中应用最广泛的设备之一，其原理是通过传热表面将热量从一个介质传递到另一个介质。
常见的换热器有管壳式换热器、板式换热器、螺旋板式换热器等，其结构形式和换热原理各有不同，可以根据具体的工艺需求进行选择。
冷凝器和蒸发器是热质交换中另外两种重要的设备。
冷凝器主要用于将蒸汽冷凝成液体，蒸发器则用于将液体蒸发成蒸汽。
它们在化工生产过程中起着非常重要的作用，可以有效地实现能源的利用和介质的循环利用。
吸收器是一种特殊的热质交换设备，主要用于吸收剂对溶质的吸收作用。
它在化工领域中应用广泛，可以用于气体的干燥、溶液的浓缩、气液的分离等工艺。
总的来说，热质交换原理与设备是化工、能源、环保等行业中不可或缺的重要内容，它们的应用可以有效地提高能源利用率和生产效率，降低生产成本，保护环境并推动工业发展。
随着技术的不断发展和进步，热质交换原理与设备也将不断完善和改进，为人类社会带来更多的福祉。
热质交换原理与设备作为化工、能源和环保等行业的重要环节，在现代工业生产中发挥着关键作用。
热质交换过程是将两种物质之间的热量转移交换，通常在不同温度的条件下进行。
这需要通过热质交换设备，将热能从一个介质传递到另一个介质，以满足工业生产过程中的热能需求。
在热质交换过程中，介质的传热方式有对流、辐射和传热。
对流换热是指介质之间的热量通过传导和对流进行传递；辐射换热是指介质通过辐射方式进行热量传递；传热是指介质之间的热量通过固体传热表面进行传递。
这些传热方式的不同会影响热质交换设备的选择和设计。
换热器是热质交换中应用最广泛的设备之一，主要用于热能的传递。
热质交换原理与设备
热质交换原理与设备
热质交换原理与设备
一、热质交换原理
1.热质交换是指在不混合或接触的情况下，在相邻的两种介质中转移热量的过程，其主要原理是热传导、热对流和热辐射。
2.热传导是指因成品和物体内部的结构不同，当存在温差时，相邻一端会传播热量到另一端，从而在多种介质中流动，将热量进行散布。
3.热对流是指液体和气体之间由于温度差引发物质在彼此之间转移的过程，从而实现热量的传播。
4.热辐射是由于热对象放出热量，因而形成热浪在空气或真空中的传播，从而实现热的辐射传播。
二、热质交换设备
1.常见的热交换器：螺旋管式热交换器、盘管式热交换器、栅格片式热交换器、夹套式热交换器、管束式热交换器等。
2.特殊的热质交换设备：热电偶、波纹管式热交换器、热网式热交换器、双重流热交换器、孔板式热交换器等。
3.蒸汽热质交换器：真空换热器、冷凝器、蒸发器、再返回比噲器等。
4.储热式热质交换设备：由储热介质（水、水蒸气、黏土器、水泥等）围绕在热交换管中，把热量储藏起来，通过分离式壳和管道系统，将
储热介质和非储热介质分离，实现固定或可控制的温度传递。
三、安全注意事项
1.不使用与热质交换器容量不符的膨胀罐和其他附件，否则会导致热质交换器出现问题。
2.确保安装热交换器之后介质充足，以确保热质交换器正常工作。
3.定期检查介质管道是否有漏损，以确保热质交换器的安全和正常运行。
4.定期检查热交换器空气过滤器，防止蒸发器堵塞。
5.定期检查热交换器的进出口水压，确保有足够的供压。
6.避免热质交换器表面的氧化，以防止局部热传导性能的下降。
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3 103 28.9 1.013 105 Pw1 488Pa 18 488 18 C1 0.00354kg / m3 8314 298
设管子出口处水蒸气质量浓度为C2 , 则
P305,11
C1 C2 hD dl (CW ) V (C2 C1 ) 2 0.00354 C2 0.55 0.025 1 (0.0173 ) 0.00469(C2 0.00354) 2 解得C2 0.0122kg / m3
(t '1 t '2 ) (t "1 t "2 ) (77 32.93) (47 13) tm 38.82℃ t '1 t '2 77 32.93 ln ln 47 13 t "1 t "2
Q 52740 A 4.38m 2 K tm 310 38.83
P286,15
冷却器内工作液从77℃冷却到47℃,工作 液质量流量为1kg/s,比热容 c=1758J/(kg.k),冷却水入口为13 ℃,质 量流量0.63kg/s,求解在传热系数 k=310W/(m^2.K)不变的条件下采用下列 不同流动方式时所需传热面积(采用NTU 法或LMTD法计算,均可任选)?(1)逆流(2) 一壳程两管程(3)交叉流(壳侧混合,管侧 为冷却水)
P286,22
(3)求产生污垢后的传热量Q ' 及出口温度t "1 ，t "2 ？ 由于t '1 - t "1 t "2 t '2
C1 Cmin C2 Cmax
Q 2.5 104 625 t '1 - t "1 100 60 Q 2.5 104 833.33 t '2 - t "2 50 20
解得l 7.2m
P305,11
空气流入内径为25mm、长1m的湿壁管时 的参数为：压力1.0132×10^5Pa、温度 为25℃、含湿量3g/kg(a)。空气流量为 20kg/h。由于湿壁管外表面的散热，湿 表面水温为20℃，试计算空气在管子出 口处的含湿量是多m 22.5℃查得空气物性, 2
P286,22
Q ' C2 (t '2 t "2 ) Q' 1.4 104 t "2 t '2 20 36.8℃ C2 833.33
P287,25
质量流量为50000kg/h，入口温度为300℃ 的水，通过双壳程、四管程的换热器，能 将另一侧质流量为10000kg/h的冷水从 35℃加热到120℃。设此时传热系数为 1500W/(m^2.k)，但在运行2年后，冷水只 能被加热到95℃，而其他条件未变，试问 产生污垢热阻为多少？
热质交换原理与设备
习题课
题目：传热学课本
P305,8 P305,11 P286,15 P286,22 P287,25
P305,8
相对湿度为40％、温度为25℃、压力为 1.0132×10^5Pa的空气，以4m/s的流速进入内 径为8cm的竖直管，管内壁有25℃的薄层水不 断淌下，试计算为使空气达到饱和所需的管长。
3289 18 则此时水蒸气的质量浓度CW 0.0239kg / m3 8314 289
2 由已知, 入口处水蒸气的分压力P 3289 40% 1315.6 N / m 1
则对应的, 入口处水蒸气的质量浓度: 1315.6 18 C1 0.00956kg / m3 8314 298
A Q 52740 4.87 m 2 K tm 310 34.94
P286,15
(3)交叉流
以R 1.16, P 0.4, 查图10 -14, t 0.82 tm 31.83℃
Q 52740 A 5.34m 2 K tm 310 31.83
0.0122 8314 298 P2 1679.2 Pa 18 1679.2 d 622 10.3 g / kg (a) 5 1.013 10
换热器热工计算的基本公式
(1)传热方程式Q KAtm
(2)热平衡方程式 Q G1c1 (t '1 t "1 ) G2c2 (t '2 t "2 )
可得Sh 0.023Re0.83 Sc 0.44 0.023 206050.83 0.620.44 70.95
P305,8
D 0.25 104 hD Sh 70.95 0.222m / s d 0.08
2 再求浓度, 25℃时水壁面的水蒸气饱和压强P 3289 N / m W
P305,8
解:先求hD，25℃的空气物性查得
P0 T D D0 P T 0
15.53106m2 / s, D0 0.22cm2 / s
3/ 2
0.22 (
298 3/ 2 ) 0.25cm 2 / s 273
40.08 20605 35000 Re ud 15.53106 15.53 106 Sc 0.62 0.6 4 D 0.25 10
P286,22
解：(1)使用前面积 (100 50) (60 20) tm 44.8℃ 100 50 ln 60 20 Q 2.5 104 A 1.6m2 K tm 350 44.8
(2)产生污垢后的传热系数K ' 1 1 K' 145.83w / m2 ℃ 1 1 0.004 0.004 K 350
与假设误差不大，可以认为C p1取值正确
tm逆
(300 120) (146.6 35) 143.1℃ 300 120 ln 146.6 35
设壳侧为热流体，管侧为冷流体
P287,25
t "2 t '2 120 35 t '1 t "1 300-146.6 P 0.32，R 1.8 t '1 t '2 300 35 t "2 t '2 120-35
P305,8
要使出口处空气达到饱和,则出口处的水蒸气质量浓度 C2 CW 0.0239kg / m3要求所需管长l , 则根据 :
C1 C2 m hD dl (CW ) 空气体积质量 (C2 C1 ) 2
0.00956 0.0239 d 2 则0.222l (0.0239 ) u (0.0239 0.00956) 2 4
P286,15
解 : (1)逆流, 取水的定压比热C2 4200 J / kg ℃
Q M 1C1 (t '1 t "1 ) 11758 (77 47) 52740 w
Q 52740 t "2 t '2 13 32.93℃ M 2C2 0.63 4200
P287,25
1 1 1 解：原热阻 R , 运行两年后总热阻 R ' R f K K K' 1 1 Q Q' 污垢热阻R f ，又K ,K ' K' K Atm At 'm
K ' Q ' tm Q ' tm K' K K Q t 'm Q t 'm
tf 2
(t2 ' t2 ") (35 120) 77.5℃查表得C p 2 4.193KJ /(kg ℃) 2 2 1000 Q M 2C p 2 (t2 ' t2 ") 4.193 (120 35) 990014 w 3.6
P287,25
(300 150) 设t " f 1 150℃，t f 1 225℃, 查表C p1 4.6475 KJ / kg ℃ 2 Q 990014 3.6 t "f 1 t ' f 1 300 300 153.4 146.6℃ M 1C p1 5 4647.5
P305,11
Re 9.55 0.025 15373 35000 6 15.53 10 15.53 106 Sc 0.626 0.6 4 D 0.248 10 ud
Sh 0.023Re0.83 Sc0.44 0.023 153730.83 0.6260.44
Cmin K ' A 145.83 1.6 625 NTU 0.373，Cr 0.75 Cmin 625 Cmax 833.33
P286,22
1 exp[ NTU (1 Cr )] 1 exp[0.373(1 0.75)] 1 Cr exp[ NTU (1 Cr )] 1 0.75exp[0.373(1 0.75)]
解得 0.28
Q' 又由 ，其中Qmax Cmin (t '1 t '2 ) 625 (100 20) 50000 w Qmax
Q ' Q
4 0.28 50000 1.4 10 w max
又 Q ' C1 (t '1 t "1 ) Q' 1.4 104 t "1 t '1 100 77.6℃ C1 625
P286,22
一逆流套管换热器，其中油从100℃冷却到 60℃。水从20℃加热到50℃，传热量为 2.5×10^4W，传热系数350W/(m^2.K)，油 的比热容为2.131kJ/(kg.k)。求换热面积？ 如使用后产生污垢，垢阻为0.004m.K/W， 流体入口温度不变，问此时换热器的传热 量和两流体出口温度各为多少？