热质交换原理与设备第1章详解
热质交换原理与设备 第1章
1.1 传质基本概念
1.1.1 浓度 1.1.2 扩散通量
1.1.2 扩散通量
1.1.2 扩散通量
图1-1 组分A、B的相互扩散
1.2 分子扩散传质
1.2.1 斐克定律 1.2.2 斯蒂芬定律 1.2.3 扩散系数
1.2.4 分子扩散质交换微分方程式
表1-2 气体在空气中的分子扩散系数
气 体
5．11×1 1．32×1 1．78×1 1．38×1
气 体
S N O HCl
C
表1-3 在正常沸点下液态摩尔体积
ห้องสมุดไป่ตู้
气体
摩尔体积
14．3×1 25．6×1 31．1×1 29．9×1
气体
摩尔体积
C S N O
空气
1.2.4 分子扩散质交换微分方程式
1.3 对流质交换
1.3.1 对流质交换的基本特点 1.3.2 浓度边界层 1.3.3 对流传质简化模型
1.3.4 对流质交换系数的模型理论
图1-3 对流传质示意图 a)任意形状表面 b)平面
1.3.2 浓度边界层
1.浓度边界层的概念 2.边界层的重要意义 3.对流质交换方程
4.近似和特殊条件
图1-4 浓度边界层示意图
图1-2 水面蒸汽向空气中的扩散
1.2.3 扩散系数
表1-1 表1-1 表1-2 部分混合物的扩散系数D(单位：m2/s) 部分混合物的扩散系数D 气体在空气中的分子扩散系数D0
表1-3
表1-3
在正常沸点下液态摩尔体积(单位：m3/mol)
在正常沸点下液态摩尔体积
表1-1 部分混合物的扩散系数D
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
(a)
(b)
冷凝器中的温度变化 蒸发器中的温度变化
图1.5 发生相变时,冷热流体的温度变化
(3)按用途分类:9类
表冷器:用于把流体冷却到所需温度,被冷却流体在 冷却过程中不发生相变,但其内部某种成分 (水蒸气)可能出现冷凝现象.
加热器:用于把流体加热到所需要的温度,被加热流 体在加热过程中不发生相变.
蓄热式(回热式,再热式)换热器:借助固体构件(填充物)组成的蓄 热体作中间 载体传递热量.冷热流体先后交替流过蓄热 体流道,属不稳定传热过程.炼铁长的热风炉,锅炉的中间 热式空气预热器及全热回收式空气调节器.
热管换热器:以热管为换热元件的换热器.若干支换热管与中隔板 置于壳体内,形成冷热流体通道,实现传热.主要用于各种 余热的回收利用.
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：
q dt
(1-3)
dy
对恒定热容量的流体：
q
c p
d (cpt) d (cpt)
dy
dy
(1-4)
式中：
d (cpt)
dy
导热系数， w /(moC)
热扩散系数，导温系数m2/s 焓浓度变化率，热量浓度变化率J/(m3m)
蒸汽凝结 管内外强迫流动时的相变换热 固液相变热质交换的基本原理。
空气热质处理方法：空气处理的途径，空气与水/固 体表面之间的热质交换，吸收剂处理空气和 用吸附材料处理空气的机理与方法。
其他形式的热质交换：经过处理的空气送入房间时与室 内空气发生热质交换，几种典型燃烧方式下发 生的热质交换。
热质交换设备：主要介绍常见热质交换设备的型式与结 构、基本性能参数；间壁式、混合式、相变热 质交换设备的热工计算；典型燃烧装置主要尺 寸和运行参数的计算；热质交换设备的性能评 价及优化设计。
《热质交换原理与设备》习题答案
《热质交换原理与设备》习题答案《热质交换原理与设备》习题答案《热质交换原理与设备》习题答案.第一章绪论1、答：分为三类。
动量传递：流场中的速度分布不均匀（或速度梯度的存在）；热量传递：温度梯度的存在（或温度分布不均匀）；质量传递：物体的浓度分布不均匀（或浓度梯度的存在）。
2、解：热质交换设备按照工作原理分为：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、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，不掺混。
直接接触式又称混合式，在此类换热器中，两种流体直接接触并且相互掺混，传递热量和质量后，在理论上变成同温同压的混合介质流出，传热传质效率高。
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）组成的蓄热体传递热量，此类换热器，热、冷流体依时间先后交替流过蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，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。
3、解：顺流式又称并流式，其内冷、热两种流体平行地向着同方向流动，即冷、热两种流体由同一端进入换热器。
逆流式，两种流体也是平行流体，但它们的流动方向相反，即冷、热两种流体逆向流动，由相对得到两端进入换热器，向着相反的'方向流动，并由相对的两端离开换热器。
叉流式又称错流式，两种流体的流动方向互相垂直交叉。
混流式又称错流式，两种流体的流体过程中既有顺流部分，又有逆流部分。
顺流和逆流分析比较：在进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，顺流时，冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，而逆流时冷流体的出口温度却可能超过热流体的出口温度，以此来看，热质交换器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免布置成顺流，但逆流也有一定的缺点，即冷流体和热流体的最高温度发生在换热器的同一端，使得此处的壁温较高，为了降低这里的壁温，有时有意改为顺流。
热质交换原理与设备课件(PPT 83页)
5.喷水室校核性计算步骤和例题
1)计算喷水系数 2)根据已知的喷水室结构，用实验公式求出热交换效率系数和接 触系数 3)求空气的湿球温度和水的终温，计算公式如下 4)利用下式求空气的终温 2)根据已知的喷水室结构，用实验公式求出热交换效率系数和接 触系数 3)求空气的湿球温度和水的终温 1.05×4.19×(tw2-8.45)=2.94×22.5-2.82ts2
25
图7-9 空气冷却器热交换效率系数的线算图 26
图7-10 空气冷却器处理空气的状态变化 27
图7-11 接触系数推导图 28
4.设计性计算的计算步骤(1计算接触系数 (2)确定冷却器排数 根据计算出的接触系数，查附录H，确定冷 却器排数。 (3)确定冷却器型号和参数 假定迎面风速，求迎风面积。 (4)校核接触系数 按冷却器型号、排数和实际迎面风速，查附录 H得出实际的接触系数，与第一步计算出来的接触系数比较，若 相差较大，则改选别的型号。 (5)计算析湿系数 (6)计算传热系数 根据冷却器型号和排数，查附录J冷却器传热 系数计算公式，带入迎风速度和水的流速，可计算出传热系数。
20 2．87 2．90 2．97 2．98
25 3．06 3．08 3．14 3．18
28 3．21 3．23 3．28 3．31
41
图7-13 喷水室热平衡图 42
4.喷水室设计性计算步骤和例题
1)用空气的参数计算接触系数 2)选用喷水室结构，喷嘴形式、喷嘴直径、喷嘴密度，取空气质 量流速。 3)查接触系数的实验公式 4)求喷水量 5)查热交换效率系数的实验公式，求出热交换效率系数 6)用空气和水的参数计算热交换效率系数 7)列出热平衡方程式 8)联立求解以上两个方程，求水的初温和终温。 9)冷源方式的选择。 10)阻力计算。
热交换器原理与设计—第1章_热交换器热计算的基本原理_(1)
两种流体中只有一种横向混合的错流式热交换器，其 值为：
能源与动力工程教研室
对于某种特定的流动形式， 是辅助参数P、R的函 数 f ( P, R) 该函数形式因流动方式而异。
对于只有一种流体有横向混合的错流式热交换器， 可将辅助参数的取法归纳为：
t m ,算术
t max t min 2
使用条件：如果流体的温度沿传热面变化不大， 范围在
t max 2 内可以使用算数平均温差。 t min
能源与动力工程教研室
算术平均与对数平均温差
t m ,算术
t max t min 2
t m ,对数
t max t min t max ln t min
R 1 t t 2 2 1 P ln 1 PR
的函数
t1m,c
能源与动力工程教研室
为了简化 的计算，引入两辅助参数：
t 2 t2 p t2 t1
t1 t1 R t 2 t2
冷流体的加热度 两种流体的进口温差
能源与动力工程教研室
1.2 平均温差
1.2.2 顺流和逆流情况下的平均温差
简单顺流时的对数平均温差 假设：
(1)冷热流体的质量流量qm2、qm1 以及比热容c2, c1是常数； (2)传热系数是常数；
(3)换热器无散热损失； (4)换热面沿流动方向的导热量 可以忽略不计。 下标1、2分别代表热冷流体。 上标1撇和2撇分别代表进出口
能源与动力工程教研室
在假设的基础上，并已知冷热流体的 进出口温度，现在来看图中微元换热 面dA一段的传热。温差为：
热质交换原理与设备课程第一章绪论_1007
运动论
湍流能量传递时 均化变化方程 湍流导热系数 湍流温度分布
相际能量传递 传热系数 无因次关联式
湍流质量传递时均 变化方程 湍流扩散系数 湍流浓度分布
相际质量传递 传质系数 无因次关联式
（2）本专业典型的热质交换现象
建筑环境与设备工程专业研究内容 供热、供燃气、通风与空调工程及城市燃气工程的设
地位：是建筑环境与设备工程专业的一门主干专业理论课， 起着联接本专业基础课与专业课的桥梁作用（专业更名后 新增的三门课程之一）
目的：适应“厚基础、宽口径、强能力”的要求
3、主要研究内容和体系
（1）研究内容 ➢ 热质交换过程 ➢ 相变热质交换原理﹡ ➢ 空气热质处理方法 ➢ 热质交换设备
课程体系结构
电厂双曲线自然通风冷却水塔
自然通风冷却塔内部结构图
冷凝器中的热量传递现象
壳壳管管式式换换热热器器
横流式冷却塔的结构
逆流冷却塔结构
常见热质交换设备形式与传热机理
名称 表冷器 喷淋室 散热器 风机盘管 冷却塔
典型应用领 域 空调
空调
供暖
空调
制冷、锅炉
形式 间壁式 直接接触 间壁式 间壁式 直接接触式
传热机理
对流-导热-对 流 接触传热传 质 对流-导热-对 流+辐射 对流-导热-对 流 接触传热、 传质
风机盘管
空调机组用表冷器
空调用冷却水塔
本门课程的重要性
建筑耗能 33%
工业耗能 34%
热质交 换设备 选择与 计算
建筑环境与人工气 候环境的舒适性
交通耗能 33%
建筑 能耗
占总能耗2030%
m A 组分A的质量通量密度，表示单位时间 单位面积
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。
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图1-2 水面蒸汽向空气中的扩散
1.2.3 扩散系数
表1-1 表1-1 表1-2 部分混合物的扩散系数D(单位：m2/s) 部分混合物的扩散系数D 气体在空气中的分子扩散系数D0
表1-3
表1-3
在正常沸点下液态摩尔体积(单位：m3/mol)
在正常沸点下液态摩尔体积
表1-1 部分混合物的扩散系数D
2.渗透理论
图1-10 渗透理论
表1-2
气 体
5．11×1 1．32×1 1．78×1 1．38×1
气 体
S N O HCl
C
表1-3 在正常沸点下液态摩尔体积
气体
摩尔体积
14．3×1 25．6×1 31．1×1 29．9×1
气体
摩尔体积
C S N O
空气
1.2.4 分子扩散质交换微分方程式
1.3 对流质交换
1.3.1 对流质交换的基本特点 1.3.2 浓度边界层 1.3.3 对流传质简化模型
气体在空气中的扩散系数,t＝25℃,p=1个标准大气压
氨—空气 2．81×1 水蒸气—空气 2．55×1 C—空气 1．64×1 —空气 2．05×1 —空气 4．11×1 液体中的扩散系数，t＝20℃，稀溶液 氨—水 1．75×1 C—水 1．78×1 —水 1．81×1 —水 5．19×1 氯化氢—水 氯化钠—水 乙烯醇—水 C—乙烯醇 2．58×1 2．58×1 0．97×1 3．42×1 苯蒸气—空气 0．84×1 甲苯蒸气—空气 0．88×1 乙醚蒸气—空气 0．93×1 甲醇蒸气—空气 1．59×1 乙醇蒸气—空气 1．19×1
1.3.4 对流质交换系数的模型理论
图1-3 对流传质示意图 a)任意形状表面 b)平面
1.3.2 浓度边界层
1.浓度边界层的概念 2.边界层的重要意义 3.对流质交换方程
4.近似和特殊条件
图1-4 浓度边界层示意图
Байду номын сангаас
图1-5 速度边界层、热边界层和浓度边界层
图1-6 微元控制体组分A的 质量交换示意图
第 1章 1.1 传质基本概念 1.2 分子扩散传质 1.3 对流质交换
1.1 传质基本概念
1.1.1 浓度 1.1.2 扩散通量
1.1.2 扩散通量
1.1.2 扩散通量
图1-1 组分A、B的相互扩散
1.2 分子扩散传质
1.2.1 斐克定律 1.2.2 斯蒂芬定律 1.2.3 扩散系数
1.2.4 分子扩散质交换微分方程式
图1-7 浓度边界层
图1-8 有效边界层
1.3.4 对流质交换系数的模型理论
1.薄膜理论 2.渗透理论
图1-9 薄膜理论
复习思考题和习题 1.质扩散如何会有静坐标系和动坐标系之分?它们之间有何联系？ 2.碳粒在燃烧过程中从周围环境吸取O2，并放出CO2，过程反
应是C+O2→CO2。
3.如何理解动量、热量和质量传递过程的类比性? 4.从分子运动论的观点来分析扩散系数D与压力p、温度t的关系。 5.氢气和空气在总压力为1.0132×105Pa温度为25℃的条件下作 等摩尔互扩散。 参考文献