《热质交换原理与设备》-复习重点

1、热质交换原理与设备复习重点（个人总结可能不全，请大家补充指正）考试时间： 2013 年 5 月 8 日下午 1： 30考试地点：考试题型：问答题、计算题（1020 分）苏新军老师Tel： E-mail ：第一章绪论1.1.1 三种传递现象的联系当物质中存在速度、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 ，也可以是由涡旋混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递 。各类系数总的效应St(t) d ueffd ueffdydyq S(t )d td teffdyeffdy: 有效动力粘度系数: 有效导热系数m S(D

2、ABD ABt) dAD ABeffdAD :有效质量扩散系数dydyABeff通常，充分发展湍流中，湍流传递系数远远大于分子传递系数。两种传递系数的比较? 分子传递系数 , a, D AB ：? 是物性，与温度、压力有关；? 通常各项同性。? 湍流传递系数 t, at , DABt ：? 不是物性，主要与流体流动有关；? 通常各项异性。1.1.3 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。最基本的是按工作原理分类。（ 1）按工作原理分类（可参考书后思考题第二题）热质交换设备按照工作原理分为：间壁式，直

3、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

4、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。（ 2）按热流体与冷流体的流动方向分类（可参考书后思考题第三题）热质交换设备按照其内热流体与冷流体的流动方向，可分为：顺流式、逆流式、叉流式和混合式等类型。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

5、种流体的流体过程中既有顺流部分，又有逆流部分。思考题1、分子传递现象可以分为几类？各自由什么原因引起的？答：分为三类：动量传递、热量传递和质量传递现象。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、热质交换设备按照工作原理分为哪几类？他们各自的特点是什么？答：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

6、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、简述顺流、逆流、叉流和混合流各自的特点，并对顺流

7、和逆流做一比较和分析。答：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

8、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。第二章传质的理论基础7 个基本的物理量物质的量是国际单位制中7 个基本物理量之一（长度、质量、时间、电流强度、发光强度、 温度、物质的量），它和 “长度”，“质量” 等概念一样， 是一个物理量的整体名词。单位为摩尔 (mol) 。物质的量是表示物质所含微粒数(N) 与阿伏伽德罗常数(NA) 之比 , 即n=N/NA 。它是把微观粒子与宏观可称量物质联系起来的一种物理量。2.1.2.1 传质的速度多组分的传质过程中，

9、uA 、uB 代表组分 A 、B 的实际移动速度，称为 绝对速度 。 u 代表混合物的移动速度，称为主体流动速度 或平均速度 (以质量为基准 )（若以摩尔为基准，用um 表示）； uA -u 及 uB-u 代表相对于主体流动速度的移动速度，称为扩散速度 。uA =u+(u A -u)uB =u+(u B-u)uA =um +(u A -u m)u B=u m+(u B-u m)绝对速度主体流动速度（平均速度）扩散速度2.1.2.2 传质通量 【重点看三种传质通量、表示】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。传质通量传质速度浓度质量传质通量：m (kg/m 2s)；摩尔传质

10、通量：N (kmol/m 2s)。（ 1）以绝对速度表示的质量通量mAAu AmBBuBmmAmBAu ABuBu上式为质量平均速度定义式（总摩尔通量）N=N A +N B=CA uA+C BuB=Cu mu m=（ CAuA+C BuB） /C（ 2）以扩散速度表示的质量通量传质通量扩散速度浓度质量通量： j AA (uAu)摩尔通量：j BB (uBu)（ 3）以主体流动速度表示的质量通量传质通量主体流动速度浓度质量通量：AuA1 ( Au AB uB )A ( Au AB uB ) a A (mA mB )摩尔通量： C AumC A1 (CAuA CBuB )CC A (C Au AC

11、 BuB )xA (N AN B )Cu1 (Au AB uB )J ACA (uAum ) 总通量：jj Aj BJ BCB (uBum )JJ AJ B同理：mB )Bu a B ( mA同理：CB umx B (N AN B )?稳态扩散：扩散范围内各点参数不变（恒定）2.2 扩散传质（了解）两组分扩散系统中， 组分 A 在组分 B 中的扩散系数等于组分B 在组分A 中的 扩散系数 。（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：扩散系数是言扩散方向，在单位时间单位浓度降得条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数。单位m2/s）2.3.5 对流传质

12、过程的相关准则数（ 1）施密特准则数(Sc)对应于对流传热中的普朗特准则数（Pr)PrScD ia( 2 ) 宣乌特准则数（ Sh）对应于对流传热中的努谢尔特准则数( Nu )h lShhm lNuDi( 3 ) 传质的斯坦顿准则数(Stm) 对应于对流传热中的斯坦顿准则数StNuhShhmStC pulStmuRe PrRe Sc2.4.1 薄膜理论简述“薄膜理论”的基本观点。答：当流体流经固体或液体表面时，存在一层附壁薄膜，靠近壁面一侧膜内流体的浓度分布为线性，而在流体一侧，薄膜与浓度分布均匀的主流连续接触，且薄膜内流体与主流不发生混和与扰动。在此条件下，整个传质过程相当于集中在薄膜内的稳

13、态分子扩散传质过程。思考题：简述质扩散通量的几种表示方法：以绝对速度表示的质量通量；以扩散速度表示的质量通量；以主体流动速度表示的质量通量。单位时间通过垂直与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。以绝对速度表示的质量通量：mAAuA , mBBuB , m eA uA eBuB以扩散速度表示的质量通量：j AA (uAu), jBB (uBu)uB , jj A jBeA u eA 1 (eAuAeB uB )aA (mAmB )以主流速度表示的质量通量：eeB u aB ( mAmB )第三章传热传质问题的分析和计算【此章有计算题，重点看例题】例题 3

14、-1常压下的干空气从“湿球” 温度计球部吹过。它所指示的温度是少量液体蒸发到大量饱和蒸汽空气混合物的稳定平均温度，温度计的读数是16，如图所示。在此温度下的物性参数为：水的蒸汽压PW=0.01817bar；空气的密度=1.215kg/m3 ；空气的比热Cp=1.0045kJ/kg. ；水 蒸 汽 的 汽 化 潜 热r=2463.1kJ/kg ；Sc=0.60， Pr = 0.70 。试计算干空气的温度。解 ：求出单位时间单位面积上蒸发的水量为 m 水 h m C W C f 水从湿球上蒸发带入空气的热量等于空气通过对流传热传给湿球的热量：rm水tW干空气的温度为：t fh（ 2）（ 1）hA

15、t ftr m水 AJHJM所以，hm1Prhc pSc23（3）rPr2/3将（ 1），（ 3）带入（ 2）中整理得tfC w C ft wcpSc因为(Pr/ Sc) 2 / 3( 0.7 / 0.6)2 /31.11R08.314kJ /(molK )所以Pw0.0187543107.78310mol / mCw8.314 103289R0T根据题意， Cf = 0 ，水的分子量为18 g /mol ，则t f2463.11.11187.78310 4161.2151.004531.38 1647.38思考题：1、如何理解动量、热量和质量传递的类比性答：当物系中存在速度、温度和浓度的梯度

16、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。对三类现象的分子传递和湍流传递分析可以得出这三种传递现象背后的机理是相同的，它们依从的规律也类似，都可以用共同的形式表示：传递速率扩散系数传递推动力，清楚地表明了“三传”之间的类比性。另外，从动量方程、 热量方程和扩散方程及相对应的边界条件可以看出它们在形式上是完全类似的，也清楚地表明了“三传”之间的类比性。2、把雷诺类比律和柯尔本类比律推广应用于对流质交换可以得到什么结论。答：将雷诺类比律和柯尔本类比律推广应用于对流质交换可知，

17、传递因子等于传质因子G22JH JDPr 3St m Sc 3St2 且可以把对流传热中有关的计算式用于对流传质，只要将对流传热计算式中的有关物理参数及准则数用对流传质中相对应的代换即可，如：tc, aD ,D ,PrSc , N uSh , StSt m当流体通过一物体表面，并与表面之间既有质量又有热量交换时，同样可用类比关系由传h2hmhmLe 3热系数 h 计算传质系数e3、定义施米特准则和刘伊斯准则，从动量传递、热量传递和质量传递类比的观点来说明他们的物理意义。vSc答：斯密特准则Di表示物性对对流传质的影响，速度边界层和浓度边界层的相对关系vLeScDaPrvD刘伊斯准则a表示热量传

18、递与质量传递能力相对大小热边界层于浓度边界层厚度关系第四章空气的热湿处理第五章吸附和吸收处理空气的原理与方法5.1.1 吸附的基本知识和概念（ 2）吸附的种类吸附可分为 物理吸附 和化学吸附。（差别特征过程特点除湿吸附剂）物理吸附 主要依靠普遍存在于分子间的范德华力起作用。物理吸附是一种表面现象，以是单层吸附，也可以是多层吸附，主要特征为：1）吸附质与吸附剂之间无化学反应；可2）对吸附气体选择性不强；3）吸附过程快，参与吸附的各相之间瞬间达到平衡；4）吸附为低放热过程，放热量略大于液化潜热；5）吸附剂与吸附质间的吸附力不强，在条件改变时可以脱附。（化学吸附做不到）化学吸附 起因于吸附质分子与吸

19、附剂表面分子（原子） 的化学作用， 在吸附过程中发生电子转移和共有原子重排以及化学键断裂与形成等过程。化学吸附多是单层吸附。物理吸附和化学吸附的比较比较项目物理吸附化学吸附吸附热小（ 2163KJ/mol ），相当于 1.53倍 大（ 42125KJ/mol ），相当于化学反应凝结热热吸附力范德华力，较小未饱和化学键力，较大可逆性可逆，易脱附不可逆，不能或不易脱附吸附速度快慢（因需要活化能）吸附质非选择性选择性发生条件如适当选择物理条件（温度、压力、发生在有化学亲和力的固体、液体之间浓度），任何固体、流体之间都可发生作用范围与表面覆盖程度无关，可多层吸附随覆盖程度的增加而减弱，只能单层吸附等温线特点吸附量随平衡压力（浓度）正比上升关系较复杂等压线特点吸附量随温度升高而下降（低温吸在一定温度下才能吸附（低温不吸附，附、高温脱附）高温下有一个吸附极大点）（ 3）吸附平衡、等温吸附线和等压吸附线对于给定的吸附剂和吸附质，平衡时吸附剂对吸附质的吸附量q 为：qf ( p,T )吸附等压线：qf1 (T ),p常数吸附等温线：qf2 ( p),T常数典型等温吸附线I-合成沸石等吸附系的；II-Lamgmuri型； III- 活性铝等吸附系的；IV-活性炭吸附水蒸气；V-BET 型； VI- 线性吸附等压吸附线（ 4）吸附剂结构，多孔介质，比表面积比表面积：单位质量