传热和传质基本原理--传质理论 ppt课件
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传质的理论基础PPT教案学习
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2021/4/28
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组分A通过停滞组分B的扩散（单向扩散）
NA
D
dCA dz
xA(NA
NB)
NB=0
NA
D
dCA dz
xA N A
D
dCA dz
CA C
NA
分离变量，积分
NA
DC z
ln
C C A2 C C A1
NA
Dp R0Tz
ln
(p (p
pA2 ) p A1 )
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2）所用坐标系以混合物的主体流速（平均流 速）运动，而不是静止不动的坐标。
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jA
DAB
d A
dz
JA
DAB
dCA dz
分析：
1.适用于由于分子无规则热运动引起 的扩散 过程； 2.传递的速度即为扩散速度uA－u（ uA－um）； 3.只限于浓度梯度这个驱动引起的传 质； 4.负号表明扩散方向与浓度梯度方向 相反， 即分子 扩散朝 着浓度 降低的 方向进 行；
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21
例：气体氢放在一矩形压力容器中，其壁厚
10mm，容器内的CH2=1kmol/m3，容器外 的H2浓度可忽略。D＝0.26×10-12m2/s，求
通过容器壁的氢的摩尔通量。
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Known: CA,1, CA,2, L, D
·
Find: NA (kmol /m 2
mA AuA
(kg/m 2·s)
mB BuB
m mA mB AuA BuB u
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传热和传质基本原理
传热的目的
• 根据热力不平衡程度定量确定传热速率。或者说，通过研究传热的机 理以及建立计算传热速率的各种关系式来拓展热力学分析。
• 自身是一门独立学科，在材料、科学或工程中具有重要应用。
1.1 何谓传热及如何传热
传热是因存在温差而发生的热能的转移。
1. 温度的概念：第零定律，平衡态，多大尺度以上成立？
不论物质处于哪种状态，这种发射 2 都是因为组成物质的原子或分子中
电子排列位置的改变所造成的。
辐射场的能量依靠电磁波传输，
辐射传热不需要介质，
3 且辐射能的传输是靠消耗发射
4 在真空中传输最有效。
辐射的物质的内能来实现的。
（2）黑体（Black Body）：具有下述性质的一种理想表面
1 黑体能够吸收处于任何波长和来自任意方向的全部投射辐射。
2. 只要一个介质中或两个介质之间存在温差（驱动势），就必然会发生传热。
3. “冷”或“热”的感觉是由温差引起的热流造成的，而热流的大小则与物质 的性质有关。
握手的深度分析
不同类型的传热过程称为传热的不同模式（modes）。
当静态介质中存在温度梯度时，不论该介质是固体还是流体， 介质中都会发生传热，这种传热过程即为传导（ Conduction）。
物体的各部分间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等 微观粒子的热运动而发生的热量传递称为导热（热传导）。
气体
分 子
热
运
动
液体
观 点
固体 自由电子 晶格波
速率方程（Rate Equation）：用于计算传热过程在单位时间内传输了 多少能量（J/s=W）。
对于热传导，速率方程为傅里叶定律（Fourier’s Law）。
传热和传质基本原理 第六章 燃料电池中的传热传质
12
AFC电池结构
电解质保持在多孔体中的基体型。基体主要是石棉膜， 它饱吸KOH溶液。电池成多孔叠层结构。 自由电解质型。电解质是自由流体，电池设有电解质 循环系统，可以在电池外部冷却电解质和排出水分。 电极以电解液保持室隔板的形式粘结在塑料制成的电 池框架上，然后再加上镍隔板做成的双极板，构成单 电池。
32
图6－19 典型的PEMFC系统示意图
33
直接甲醇燃料电池（DMFC）
Gasket 直接甲醇燃料电池的全称应为直 MEA 接甲醇质子交换膜燃料电池，其 工作原理与常规的以氢为燃料的 质子交换膜燃料电池基本相同， 不同之处在于DMFC的燃料为甲醇 （可以是气态或液态，但主要是 液态），氧化剂仍是氧或空气。
11
碱性燃料电池（AFC）
AFC的工作原理：基本上是水电解的逆过程。它以氢氧化 钾（KOH）水溶液为电解质，溶液的质量分数一般为30 ％～45％，最高可达80％。 AFC燃料电池的电化学反应为
阳极反应 阴极反应
整个电池反应
2 H 2 4OH 4 H 2 O 4e O2 2 H 2 O 4e 4OH 2H 2 O2 2H 2 O 电能 热能
13
1－氧支撑板 2－氧蜂窝（气室） 3－氧电极 6－氢蜂窝（气室） 7－氢支撑板 8－排水膜 －除水蜂窝（蒸发室） 11－除水蜂窝板
4－石棉膜 5－氢电极 9－排水膜支撑板 10
图6－5 静态排水的氢氧隔膜型燃料电池单体示意图（基本型）
14
图6－6 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）
15
图6－7 培根AFC电池系统
图6－8 磷酸型燃料电池的基本构造
18
固体氧化物燃料电池（SOFC）
传热和传质基本原理-----第四章-三传类比
相当于空气的相对湿度为30%。
38
4.5 边界层类比
流体流动的控制方程是非线性的偏微分方程组，处理 非线性偏微分方程依然是当今科学界的一大难题
实际工程问题：靠近固体 壁面的一薄层流体速度变 化较大，而其余部分速度 梯度很小
➢ 远离固体壁面，视为理想流 体－－欧拉方程、伯努利方程
➢ 靠近固体壁面的一薄层流体， 进行控制方程的简化－－流动 边界层
27
❖ 在薄层内取一微元体，那么进入微元体的热流为 由温度梯度引起的导热热流、由进入微元体的传 递组分本身具有的焓。
稳定状态时，微元体处于热平衡，满足下列关系式：
令
无因次数为传质阿克曼修正
系数，表示传质速率的大小、
方向对传热的影响。
28
得 边界条件为
令
得方程的解为：
代入边界条件，最后得到流体在薄层内的温度分别为：
水蒸 汽的汽化潜热r=2463.1kJ/kg，Sc=0.6.,Pr=0.7。 试计算干空气的温度。
2.试计算空气沿水面流动时的对流质交换系数hm和每小时从 水面上蒸发的水量。已知空气的流速u=3m/s，沿气流方向
的
水面长度l=0.3m，水面的温度为15 ℃，空气的温度20℃，
空气的总压力1.013*105Pa，其中水蒸汽分压力p2=701Pa，
➢边界层厚度
1904年普朗特首先提出
39
4.5.1 边界层理论的基本概念
边界层的定义
流体在绕过固体壁面流动时，紧 靠固体壁面形成速度梯度较大的 流体薄层称为流动边界层
流速相当于主流区速度的0.99处到固 体壁面间的距离定义为边界层的厚度
边界层的形成与特点 Re vl
平板绕流
Re x
v0 x
传热的基本原理和规律 ppt课件
5.1 传热过程概述
5.1.1 热传导及导热系数
5.1.2 对流
5.1.3 热辐射 5.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及 换热器
传热的基本原理和规律
18
冷热流体（接触）热交换方式及换热器
一、直接接触式换热和混合式换热器 二、蓄热式换热和蓄热器 三、间壁式换热和间壁式换热器√
传热的基本原理和规律
接触热阻 因两个接触表面粗糙不平而产生的附加热阻。 接触热阻包括通过实际接触面的导热热阻和
通过空穴的导热热阻（高温时还有辐射传热）。 接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触
面上压力等因素有关，可通过实验测定。
传热的基本原理和规律
33
二、多层平壁的一维稳态热传导
接触热 阻
图5-5 接触热阻的影响
传热的基本原理和规律
19
冷热流体（接触）热交换方式及换热器
动画22
图5-1 套管式换热器 1-内管 2-外管
传热的基本原理和规律
20
冷热流体（接触）热交换方式及换热器
图5-2 单程管壳式换热器
动画21 1-外壳,2-管束,3、4-接管,5-封头,6-管
板,7-挡板,8-泄水池
传热的基本原理和规律
21
冷热流体（接触）热交换方式及换热器
或
Qt1 t2 t2 t3 t3 t4
b1
b2
b3
1S 2S 3S
传热的基本原理和规律
31
二、多层平壁的一维稳态热传导
三层平壁稳态热传导速率方程
Q
t1 t4
b1 b2 b3
1S 2S 3S
对n层平壁，其传热速率方程可表示为
Q t1 tn 1
bi
iS
电子教案与课件：传热和传质基本原理 C3(full)
B. Adiabatic: d / dx |xL 0
C. Fixed temperature: L L D. Infinite fin (mL>2.65): L 0
肋片传热速率
q f
kAc
d
dx
|x0
Af h x dAs
无限长肋片的结果
3.6.3 肋片性能
1 肋片通过增加有效对流表面积来增加表面上的传热。 2 对肋基表面向外的传热，肋片又代表了一个传导热阻。
1.非对称边界条件
T
x
qL2 2k
1
x2 L2
Ts,2
Ts,1 2
x L
Ts,1
Ts,2 2
dT qx kA dx const.
在有内热源的情况下， 热流密度是随x变化的。
2.对称边界条件
温度分布关于中心面对称，故
T
x
qL2 2k
1
x2 L2
Ts
中心面温度最高：
T
0
T0
qL2 2k
1 r2
k
T
z
k
T z
q
cp
T t
2.24
1 r2
r
kr
2
T r
r2
1
sin2
k
T
r2
1
sin
k
sin
T
q
cp
T t
2.27
研究一维、稳态条件下通过扩散传递热量的情况。
一维：变量在空间上的变化只需单一坐标描述，温度梯度仅在单一 坐标方向上存在，也仅在此方向上传热。
T0
3.21
1 横截面积A(x)和材料的导热系数k(T)均可为已知。【可测量】
C. Fixed temperature: L L D. Infinite fin (mL>2.65): L 0
肋片传热速率
q f
kAc
d
dx
|x0
Af h x dAs
无限长肋片的结果
3.6.3 肋片性能
1 肋片通过增加有效对流表面积来增加表面上的传热。 2 对肋基表面向外的传热，肋片又代表了一个传导热阻。
1.非对称边界条件
T
x
qL2 2k
1
x2 L2
Ts,2
Ts,1 2
x L
Ts,1
Ts,2 2
dT qx kA dx const.
在有内热源的情况下， 热流密度是随x变化的。
2.对称边界条件
温度分布关于中心面对称，故
T
x
qL2 2k
1
x2 L2
Ts
中心面温度最高：
T
0
T0
qL2 2k
1 r2
k
T
z
k
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T t
2.24
1 r2
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1
sin2
k
T
r2
1
sin
k
sin
T
q
cp
T t
2.27
研究一维、稳态条件下通过扩散传递热量的情况。
一维：变量在空间上的变化只需单一坐标描述，温度梯度仅在单一 坐标方向上存在，也仅在此方向上传热。
T0
3.21
1 横截面积A(x)和材料的导热系数k(T)均可为已知。【可测量】
电子教案与课件：传热和传质基本原理 C10FULL
qs
l hfg
qs
10.4b
Db
l g
10.4a
V qs
10.3.2 池内沸腾的模式
沸腾曲线可以说明支配沸腾过程的物理机理。
1）这条具体的曲线是针对水的，但其他流体 也有类似的趋势。
2）这条曲线是通过改变表面温度并测量热流 密度获得的，即温度控制模式。
3）由牛顿冷却定律，qs hTs Tsat h Te ，
可知热流密度既与对流系数也与过余温度有关。
Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, vol. 37, no. 206, pp. 367-374, June 1934. The English translation was published twice in International Journal of Heat and Mass Transfer, in vol. 9, pp. 1419-1433, 1966 and in vol. 27, pp. 959-970, 1984.
3）固-液交界面上的沸腾，或固-汽（刚开始）、液-汽交界面上的凝结
沸腾与凝结的特征
1）涉及流体的运动，属对流传热模式，但不是单相流体传热。 2）由于存在相变，会发生流体放热或吸热而流体温度不变的情况。 3）重要参数：潜热，液-气交界面上的表面张力，两相之间的密度差，
密度差引起的浮力远大于无相变的自然对流。 4）由于潜热和浮力驱动的流动的共同作用，使沸腾与凝结的换热系数
使用镍铬丝做实验时，当热流密度达到并略高于qmax 时， 线的温度突然跳至镍铬丝的熔点，发生烧毁现象。
用铂丝替换镍铬丝， 可获得 qmax 而不烧毁。
当依次降低功率时，
传热和传质基本原理第六章燃料电池中的传热传质
J. Electroanalytical Chemistry, 578 (2005) 105-112. J. Physical Chemistry B, 110(2006) 5245-5252. Electrochimica Acta, 52 (2007) 2649-2656.
45
纳米电催化剂
20 nm
18
固体氧化物燃料电池（SOFC）
SOFC以重整气（H2+CO）为燃料，空气为氧化剂。采用氧 化钇稳定的氧化锆基固体电解质。
SOFC电池反应：
图6－9 SOFC电池反应
19
SOFC电池的工作过程与其他燃料电池有所不同。由于固体 电解质不允许电子和氢离子通过，而只允许带负电的氧离
子通过，因此它的电池反应为
Understanding transport phenomena at different scales
Novel system design and integration
44
纳米电极催化剂
20 nm
Pt nano-particles (2-3 nm) on nanotubes
PtRu nano-particles (3-4 nm) on nanotubes
图6-13 MCFC燃料电池结构示意图
25
图6—14 MCFC发电厂流程图
26
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
PEMFC以固体电解质膜为电解质。电解质不传导电子，是 氢离子的良导体。PEMFC采用氢气、液态烃或甲醇作为燃 料，氧或空气作为氧化剂。
PEMFC电池的工作原理是：氢气和氧气通过双极板的导气 通道分别到达电池的阳极和阴极，再通过电极上的扩散层 到达质子交换膜。
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（5） 温度对扩散系数的影响
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§3-6 流体和多孔介质中的扩散和扩散 系数
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多孔介质中的弥散传质 The origin of dispersion（弥散）
Physically, a non-constant advecting velocity
D f x c ~ j x u ~ ij)f jku ~ iu ~jfu ~ kc ~f
(*)
(1 C r)c ~ u ~ jf u x i jf u ~ ju ~ if( c x jfjk u ~ k c ~ f) 0
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Thus the last equation can be simplified as:
u j 0 x j
u ti xjuju i1 x p i xj
( u i uj) xj xi
c t xj
ujcxj
(Df xcj)
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Volume-averaged macroscopic GEs
u j f 0 x j
uif t
xj
ujf
uif
1pf
f xi
microscopic equations reads the spatial deviation: u~ j 0 x j
D D u ~i t xj(u ~juif u ~iu ~j)1f x ~ pi xj( x u ~ij u ~ xij)
Kuif b2(ukfukf)0.5uif
D D c ~ x jt ( u ~ j c f u ~ j c ~ u ~ j c ~ f) x jD f x c ~ j a fh f( c f c s )
where
D
Dt t
ujf
xj
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Note the relationship
D D u ~ic~tc~D D u ~i t u ~i D Dc~t
21
§3-4 Fick第二定律
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§3-5 固体中的扩散和扩散系数
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（4） 化学势驱动下的扩散系数
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§3-2 质量传输方式、浓度、物质流
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8ppt课件9 Nhomakorabea ppt课件
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§3-3 Fick第一定律
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传热传质理论
（Heat and Mass Transfer Theory）
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1
第三章 传质理论
§3-1 概述
在材料加工、化工、冶金、低温工程、空间技术 等领域中，质量传输是很重要的过程。
许多加工工艺的单元操作，如加热、溶解、焊接、 表面热处理等，也都涉及传质过程。
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2
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3
occurs in porous media with disturbance near
pore wall. Parts of the material are carried
faster than others, so that the distribution gets
stretched and distorted. This results in sharp
gradients perpendicular to the flow, which
diffusion can then iron out. The combination
of a shearing advection velocity with weak
diffusion can lead to quite effective mixing.
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Theoretical analyses
Volume average
1 dV V Vf
Intrinsic average
f 1 dV f
Vf Vf
f ~ 1 dA V Ai nt
Microscopic governing equations
Schematic of a porous media
Du ~ic~f Dt
(c~u ~jf
uif xj
u ~ju ~if
cf xj
)Df xc~j xu ~ij)f
c~(1f x~ pi xi( xu ~ij u ~ xij))f 0
c ~ ( 1 f x ~ p i x i ( x u ~ i j u ~ x ij)f) C ru ~ jc ~ f u x i j f
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5
传质现象的八种形式:
(1) 浓度梯度引起的分子扩散 (2) 温度梯度引起的热扩散 (3) 压力梯度引起的压力扩散 (4) 除重力外的其它外力引起的强迫扩散 (5) 强迫对流传质 (6) 自然对流传质 (7) 紊流传质 (8) 相际传质
R.B. Bird, Theory of Diffusion, Adv. Chem. Eng., 1956 (1) 170.
u~kc~f
jk1
cf xj
ij can be written as a function of Ddis
ij
1 uif ujf Ddis | uf |2
Equation (*) now can be written as: D f x c ~ j x u ~ ij)f D 1 dis u ~ iu ~ jfu ~ jc ~ f)
(uif
xj xj
ujf ) xi
1
Vf
Ain(ip( xuij u xij)n )jdA
(cf
t
xjujfcf) xj(Df cxjf
Df V
A ci nnijdA u ~jc ~f)
V 1AinD i f xcjnjdA
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Subtracting the volume-averaged equations from the