热质交换原理与设备-第一章
1第一章 质交换过程
1.3.1 对流质交换的基本特点
• 定义：流体流经一个相界面时与
界面之间发生的质量交换。 • 分子扩散+对流扩散
• 计算公式
q (ts t )
q h(t f tw )
mA hm (C A,S C A, )
N A hm (nA, S nA, )
mA hm (C A, S C A, )
2、渗透理论（表面更 新理论）
hm ,i 2
D
习题
• 质交换的推动力是 • 热交换的推动力是 • 动量交换的推动力是 。 。 。
习题
• 质交换的推动力是 浓度梯度 。 • 热交换的推动力是 温度梯度 。 • 动量交换的推动力是 速度梯度。
习题
• 质交换的基本型式 是 、 。 强烈。
较
习题
' A * A * B * A ' B
C C 1 dC dC 0 dy dy DAB DBA =D
* B
m A D AB N A nDAB
dC A dy dnA dy
*
*
1.2.2 斯蒂芬定律
• 双向互扩散 • 单向扩散
1.2.2 斯蒂芬定律
• 表达式： • 是对静坐 标而言的 婓克定律
1.1.1 浓度
质量浓度：
MA CA A V MB CB B V
PA CA PAV M A R AT R AT 求 PBV M B R B T PB C B RBT
1.1.1 浓度
• 摩尔浓度（kmol/m3）：组分的 物质的量除以混合物的体积。 • 常用符号ni来表示。
1.3.3 对流传质简化模型
《热质交换原理与设备》课程教学大纲(本科)
热质交换原理与设备(Principle and Equipment of Heat and Mass Transfer)课程代码：02410040学分：2.0学时：32 （其中：课堂教学学时：28实验学时：4上机学时：0课程实践学时:0 ）先修课程：《传热学》、《工程热力学》、《流体力学》适用专业：建筑环境与能源应用工程教材：热质交换原理与设备，连之伟，北京：中国建筑工业出版社，第四版一、课程性质与课程目标（一）课程性质《热质交换原理与设备》是具有承上启下意义，同时起到连接相关专业基础课与专业课桥梁作用的专业基础课。
它是在《传热学》、《流体力学》和《工程热力学》的基础上，将专业中《冷热源工程》、《暖通空调》、《热泵原理与应用》等专业课中涉及流体热质交换原理及相应设备的共性内容抽出，经综合、充实和系统整理而形成的一门专业基础课程。
此课程兼顾理论知识和设备知识，培养学生较全面掌握动量传输、热量传输及质量传输共同构成的传输理论的基础知识，掌握本专业中的典型热质交换设备的热工计算方法，为进一步学习本专业的专业课程打下坚实的基础。
（二）课程目标课程目标1:掌握传质的理论基础，包括传质的基本概念，扩散传质、对流传质的过程及分析, 相际间的热质传递模型。
课程目标2：理解传热传质的分析和计算知识，包括动量、热量和质量的传递类比，对流传质的准则关联式，热量和质量同时进行时的热质传递；学会运用所学知识分析实际问题。
课程目标3：熟悉空气热质处理方法，包括空气处理的各种途径，空气与水/固体表面之间的热质交换过程及主要影响因素，吸附和吸收处理空气的原理与方法，用吸收剂处理空气和用吸附材料处理空气的原理与方法；学会理论联系实际，分析环境控制领域常用的空气热质处理原理。
课程目标4：掌握热质交换设备的热工计算方法，包括间壁式热质交换设备的热工计算，混合式热质交换设备的热工计算和复合式热质交换设备的热工计算，能够针对具体需求对常见热质交换设备进行设计计算和校核计算。
热质交换原理与设备练习与自测
第一章练习与自测1 当流体中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别会发生（动量）传递，（热量）传递和（质量）传递。
2 热量、动量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的（分子）传递，也可以是由流体微团的宏观运动引起的（湍流）传递。
3.简答题：分子传递现象可以分为几类？各自是由什么原因引起？答案：分子传递现象可以分为动量传递、热量传递和质量传递现象。
在一种物体内部，或在两种彼此接触（包括直接接触或间接接触）的物体之间，当存在势差（梯度）时就会产生传递现象。
例如：当存在温度差时会发生热量传递现象，存在速度差时会发生动量传递现象，存在浓度差或分压力差时会发生质量传递现象。
第二章练习与自测1、有关扩散通量，下列说法正确的是___BCD____。
A、扩散通量是一个标量，只有大小没有方向；B、净扩散通量是相对于静坐标而言；C、相对扩散通量是相对于以混合物整体平均速度移动的动坐标而言；D、当混合物整体流动的平均速度为0时，净扩散通量＝相对扩散通量。
2、质量传递的基本方式为（分子扩散传质）和（对流扩散传质）。
（分子扩散传质）和（对流扩散传质）两者的共同作用称为对流质交换。
3.传质和传热方向相反时，总传热量会（减小）传质和传热方向相同时，总传热量会（增大）。
4.什么是分子扩散传质和对流扩散传质？什么是对流传质？答：在静止的流体或垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体以及固体中的扩散，是由微观分子运动所引起，称为分子扩散传质。
在流体中由于对流运动引起的物质传递，称为对流扩散传质。
流体作对流运动，当流体中存在浓度差时，对流扩散亦必同时伴随分子扩散，分子扩散传质与对流扩散传质的共同作用成为对流传质。
5 如何理解动量、热量和质量传递现象的类比性？答：当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别会发生动量、热量和质量传递现象。
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传递，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。
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教学大纲
“热质交换原理与设备”课程教学大纲课程名称：热质交换原理与设备英文名称：Principle and Equipment Heat-Mass Exchanging课程编码：CJX0540学时：48 学分：3适用对象：建筑环境与设备工程专业本科生先修课程：传热学，工程热力学，流体力学使用教材：《热质交换原理与设备》，连之伟编著，中国建筑工业出版社，2011主要参考书：[1]《建筑环境传质学》，张寅平、张立志、刘晓华编，中国建筑工业出版社，2006[2]《热质交换原理与设备》，许为全编，清华大学出版社，1999一、课程介绍本课程为建筑环境与设备工程专业主要的专业基础课之一。
主要用于增强学生的专业理论水平，开阔学生的科学视野，从动量、热量和质量传递的统一的传递过程理论的高度上学习和研究本专业工程实践中遇到的诸如：热质交换设备的设计、加工、运行管理方面遇到的一些问题。
起到联系本专业基础课与技术课的桥梁作用，培养学生理论联系实际的能力。
掌握传输过程的基本理论及三种传输过程的类比；掌握空气热质交换理论方法和常用热质交换设备的热工计算方法，具备初步的优化设计和性能评价能力。
二、教学基本要求掌握质传递的基本规律和热质传递的类比，了解制冷剂为主的沸腾、凝结的基本规律；掌握强迫流的相变传热及固液相变热质交换基本原理，熟悉空气处理的各种途径；掌握空气与水/固表面之间的热质交换，熟悉用吸收剂的吸附材料处理空气的机理，熟悉被处理空气与室内空气发生的热质交换，了解常用热质交换设备的形式与结构、基本性能参数；掌握间壁式、混合式，有相变热质交换设备的热工计算，了解热质交换设备的评价的优化设计。
三、课程内容第一章绪论：建筑环境与设备专业涉及的热质交换现象及其设备分类，本门课程在专业中的地位与作用，本门课程的主要研究内容与方法。
第二章传质的理论基础：传质概论，扩散传质，对流传质，相际间的对流传质模型。
基本要求:理解浓度，扩散通量等基本概念，传质的两大基本方式和常见的8种形式，掌握Fick定律，Stefan定律，扩散系数概念，薄膜理论，三传的传递方程，传热传质同时传递模型的建立，雷诺类似律；了解柯尔本类似律，动量交换与热交换的类比在质交换中的应用；掌握对流传质的准则关联式，刘易斯关系式。
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
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。
热质交换原理与设备-连之伟
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60-37
5.2 吸收剂处理空气的机理和方法
5.2.1 吸收现象简介 气体吸收是用某种液体吸收气体中某种组分。 吸收能力与气体分压、温度、吸收液浓度等有关。 工作过程：吸收 - 再生（浓缩吸收液）- 吸收。
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60-38
多孔介质比表面积大，所以吸附剂多为多孔介质。 多孔介质孔隙越小，比表面积越大，孔隙内吸附能力越强
（5）吸附剂的特性参数 1）多孔吸附剂的 外观体积
V堆 V隙 V孔 V真
V隙 颗粒间隙体积
V孔 颗粒内细孔体积
V真 骨架体积
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60-12
2）吸附剂密度 堆积密度：
吸附剂：使气相浓缩的物质 吸附质：被浓缩的物质
分子力（Van der Waals）:
同相间分子力处于平衡状态，相界处不平衡。
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60-4
表面能 物质的总能量
U umM us A
U M
um us
A M
当物质的比表面积比较大时，表面能就会对物质 的性能产生很大的影响。
相界上的非平衡力导致物质微粒在界面上的聚 集程度的改变就是吸附。
而实现脱附。
置换脱附再生方式：用具有比吸附质更强的选择吸
附性物质来置换而实现脱附。
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除湿方式： 冷却除湿（近似等温过程）：除湿的同时通过冷却流
体带走吸附热； 绝热除湿（近似等焓过程）：除湿的同时温度升高。
吸附剂的选择 阻力小（空气压力损失小）；比表面积大；吸
附容量大；具有较好机械强度、热稳定性及化学稳 定性；
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式。在这种理论中定义了湍流动力粘性系数 t ，湍流导热系数 t ，和
湍流质量扩散系数 DABt ，并认为对于只有一个速度分量的一维流动而言，
湍流切应力 、湍t 流热量通量密度 和q湍t 流扩散引起的组分A的质量
(1)牛顿粘性定律
两个作直线运动的流体层之间的切应力正比于垂宣于运动方向的速度变 化率，即
对于均质不可压缩流体，上式可改写为：
(2)傅立叶定律
在均匀的各向同性材料内的一维温度场中，通过导热方式传递的热量 通量密度为：
对于恒定热容量的流体，上式可改写为：
(3)斐克定律
在无总体流动或静止的双组分混合物中，若组分A的质量分数
(1)按工作原理分类
按不同的工作原理可以把热质交换设备分为间壁式、直接接触式、 蓄热式和热管式等类型。
间壁式又称表面式，在此类换热器中，热、冷介质在各自的流通 中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，不渗混。凡是生产中介 质不容渗混的场合都使用此类型换热器，它是应用最广泛，使用数量 最大的一类。专业上的表面式冷却器、过热器、省煤器、散热器、暖 风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器等均属此类。
动量、热量和质量的传递现象，在自然界和工程技术领域 中是普遍存在的。《热质交换原理与设备》这门课程，就是重 点研究发生在建筑环境与设备工程专业领域里的动量、热量和 质量的传递现象。
近年来，许多工程领域，例如动力机械工程、制冷工程、冶 金工程、生化工程、环境工程及建筑环境与设备工程等对于气体、 液体和固体的传质过程的研究兴趣日益增大。因此目前许多工程 专业都分别开设动量传递、热量传递和质量传递这三门课程。
1960 年 R.B. 伯 德 (R.B.Bird) 等 人 首 先 在 《 传 递 现 象 》 (Transport Phenomena)一书中对这三种传递现象用统一的方 法进行了讨论，力图阐明这三种传递过程之间在定性和定量描述 以及计算上的相似性。这对于学生更深入理解传递过程的机理是ห้องสมุดไป่ตู้十分有益的。自此，统一研究这三种传递现象的课程越来越受到 人们的重视，它已成为许多工程专业必修的专业基础课。本门课 程就是将这一专业基础课与其在本专业上的应用结合起来，架设 起专业基础课与技术保的桥梁。
1.1 三种传递现象的类比
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。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，也可以是由旋涡混合 造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。
1.1.1分子传递(传输)性质
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。 因为从微观上来考察，这些性质分别是非均匀流场中分子不规则运动 时同一个过程所引起的动量、热量和质量传递的结果。当流场中速度 分布不均匀时，分子传递的结果产生切应力；而温度分布不均匀时， 分子传递的结果产生热传导；在多组分的混合流体中，如果某种组分 的浓度分布不均匀，分子传递的结果便引起该组分的质量扩散。表示 上述三种分子传递性质的数学关系分别为：
通量密度分别与平均速度、平均温度和组分A的平均密度的变化率成正 比，亦即
因为在流体中同时存在湍流传递件质和分子传递性质，所以
总的切应力 s 、总的热量通量密度qs和组分A的总的质量通
量密度ms分别为：
1.2 热质交换设备的分类
热质交换设备的分类方法很多，可以按工作原理、流体 流动方向、设备用途、传热传质表面结构、制造材质等分为 各种类型。在各种分类方法中，最基本的是按工作原理分类。
热管换热器是以热管为换热元件的换热器。由若干支热 管组成的换热管束通过中隔板置于壳体内，中隔板与热管加 热段、冷却段及相应的壳体内腔分别形成热、冷流体通道， 热、冷流体在通道中横掠热管束连续流动实现传热。当前该 类换热器多用于各种余热回收工程。
在间壁式、混合式和蓄热式三种主要热质交换设备类型 中，间壁式的生产经验、分析研究和计算方法比较丰富和完 整，它们的某些计算方法对混合式和蓄热式也适用。
直接接触式又称为混合式，在此类热质交换设备中，两种流体直 接接触并允许相互渗混，传递热量和质量后，再各自全部或部分分开， 因而传热传质效率高。专业上的喷淋室及蒸汽喷射泵、冷却塔、蒸汽 加湿器、热力除氧器等均属此类。
蓄热式又称回热式或再生式换热器，它借助由固体构件 (填充物)组成的蓄热体作为中间载体传递热量。在此类换热 器中，热、冷流体依时间先后交替流过由蓄热体组成的流道， 热流体先对其加热，使蓄热体温度升高，把热量储存于固体 蓄热体内，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。
1.1.2湍流传递性质
在湍流流动中，除分子传递现象外，宏观流体微团的不规则泥掺运 动也引起动且、热量和质量的传递，其结果从表象上看起来，相当于在 流体中产生了刚D的“湍流切应力”，“湍流热传导”和“湍流质量扩 散”。由于流体微团的质量比分子的质量大得多，所以湍流传递的强度 自然要比分子传递的强度大得多。
参考书
➢热质交换原理与设备，连之伟主编，中国建筑 工业出版社
热质交换原理与设备
主要内容：
第一章 绪论 第二章 热质交换过程 第三章 相变热传质交换原理 第四章 空气热质处理方法 第五章 其它形式的热质交换 第六章 热质交换设备
第一章 绪 论
§1-1 三种传递现象的类比 §1-2 热质交换设备的分类 §1-3 本门课程在专业中的地位与作用 §1-4 本门课程的主要研究内容
C
A
的分布为一维的，则通过分子扩散传递的组分A的质量通量密度为：
对于混合物密度为常数的情况上式可改写为：
这三个传递公式可以用如下的统一公式来表示，
这些表达式说明动量交换、热量交换、质量交换的规律可以类比。动量
交换传递的量是运动流体单位容积所具有的动量 ；u 热量交换传递的量
是物质每单位容积所具有的焓 cP；t 质量交换传递的量是扩散物质每单 位容积所具有的质量也就是浓度CA。显然，这些量的传递速率都分别与 各量的梯度成正比。系数D、a、均具有扩散的性质，它们的单位均为 m2/s，D为分子扩散或质扩散系数，a为热扩散系数v为动量扩散系数或 称运动粘度。