热质交换课第12讲-第7章

1、上讲内容回顾l 对流传热和传质类比l 蒸发冷却问题l 常用对流传热和传质的经验公式本讲内容提要l 对流传热与传质强化的再认识l 热质交换“薄膜”模型l 刘易斯关系式l 表面传质对传热的影响3.9* 对流传热和传质强化的再认识以往似乎自古华山一条路，果真如此吗？3.9.1 对流和导热的相似性首先考虑平板导热问题，图3-9(a)为常物性平板一维导热问题示意图。平板热传导方程及边界条件为: (3-101)x=0, T= Tc, x=L, T= Th.kxTcqLThx=L q0xThTc q0x=Lk, qL <0 >0 (a) 无内热源的稳态导热 (b) 有内热源的稳态导热图3-9 平

2、板一维导热问题示意图解得： ， 0xL (3-102)热流密度为： (3-103)当平板内存在均匀分布的内热源时(对图3-9(b), 热传导方程和边界条件为: (3-104)x=0, T= Tc, x=L, T= Th. 解得: (3-105)= (3-106)qL= (3-107)>0, 温度T(x)是凸曲线(从式(3-104)也可看出)，低温表面换热强化; <0, 温度T(x)是凹曲线(从式(3-104)也可看出)，高温表面换热强化。为表征内热源存在后表面换热强化的程度，定义表面换热强化度： (3-108)则强化换热表面的表面换热强化度可表示为： (3-109)可见，材料内热源

3、发热强度增加，表面换热强化度增大。利用上述，可对流体掠过固体壁面时对流强化固体表面换热进行质朴的物理解释：tuThThtxyxyxyTcTc（b）（a）（a）（a）图3-10 2-D平板边界层流动及平板导热比较示意图（a）平板对流热边界层；（b）有内热源的平板导热 对二维、稳态对流换热问题, 可简单分析如下: 在直角坐标系下，能量方程为： （3-114）TTuuxyxyxy ttTsTs 图3-11 2-D平板边界层内温度分布示意图(a) Ts <T, T(x)是凸曲线，, 低温表面换热强化; (b) Ts <T, T(x)是凹曲线，, 高温表面换热强化。平板对流热边界层；（b）有

4、内热源的平板导热再认识1：根据上述，可很容易理解：无论何种情况，气体掠过平板，平板的换热均被强化。 （3-115）当k,，cPconst时： （3-116） (3-117)再认识(2)-(5):(2):水和空气换热能力比较，沸腾换热h很大，功能热流体换热强化机理。(3) :常规方法（加速，增大温差）。(4) 夹角的影响，夹角0，hmax:过增元院士提出“场协同”。(5) 作无量纲化，令： (3-118)-(3-120)可得， (3-121)可见，当夹角为0时, 终极指标 （3-122）多维效应的影响：在直角坐标系下，边界层内三维稳态对流换热能量方程为： （3-110） （对流项） （导热项）对

5、方程（3-110）在热边界层内进行积分可得： （导热项） （对流项） （3-111）三维平板稳态导热能量方程为： （3-112）对方程（3-112）在板厚为上进行积分可得：内热源项 （3-113） 多维效应再认识(6): 对三维导热或对流换热问题，多维效应和对流项一样，相当于内热源，与一维传热相比，可强化传热。启示：（1） 不能忽视理论，学会综合分析的方法列全，抓主要矛盾（2） 要有怀疑一切的眼光（3） 有洞察力（4） 要打好基础。厚积薄发。台上一分钟，台下十年功。作业：阅读参考文献1-5。第七章 传热传质并存过程中的热质交换分析引言 认识规律的开始阶段：简化、抽象、隔离、分步。 综合分析：全

6、面、耦合、综合。 一门学科如此，整个学科也是如此。 流动、传热、传质 物理、化学、生物、力学 综合运用解决问题 物理化学、化学物理、生物化学、生物力学等传热传质并存过程现象举例：冷却塔全热交换问题，表冷器冷却除湿问题，人体散热问题，等。这些问题的解决依赖于本章介绍的知识。7.1 热质交换“薄膜”模型1904年，Nernst提出物理现象：T,u,CA,固体壁面液膜主流空气 研究：1） 传热、传质规律2） 传质对传热的影响图7-1 固体壁面贴壁液体膜层外空气流动示意图p, vdy Key points: 滞留区概念： 图7-2 滞留区速度分布示意图 滞留区温度方程： (7-1) (7-2)得： (

7、7-3)滞留区浓度方程： (7-4) (7-5) (7-6) (7-7) (7-8)该model的优点：图象简明，便于理解 缺点：(1)只是定性刻划，表达式未知（流体特性、流态 ） (2)滞留层中u=0不合理 T，A线性分布不对 在很多情况下与实际情况不符改进： *思考题：利用边界层理论，改进Nernst film model，推出层流、湍流情况下的表达式和(y)、T(y)的表达式， hm。7.2 刘易斯关系式表冷器干工况（仅显热） 表冷器湿工况（全热） Why?由 （n=1/3） 空气中水蒸气含量较低，湿空气的m, cp, m和干空气的a, cp,a近似相等。空调领域中，T在300K左右，

8、（7-11）300K时 （7-12）空调计算中习惯用含湿量d（kg水/kg干空气） （驱动力用d） (7-10) -刘易斯关系式 (7-13) 刘易斯关系式成立条件：（1）0.6<Pr<60, 0.6<Sc<3000 (科奇比拟的成立条件) （2） 对湍流而言，条件可放宽。这一点可通过下面的分析得到答案。1122图7-3 湍流热质交换示意图如图7-3所示，V表示单位时间内平面1与2之间由于流体的湍动引起的每单位面积上流体交换的体积，t1与t2、d1与d2分别为这两平面上流体的问题和含湿量。那么，因湍动从平面1流到平面2的热流通量为：(7-14)若用对流换热系数表示，则可

9、写为：(7-15) 由式(7-14)和式(7-15)得， (7-15)相应的质量交换量为：(7-16)若用以含湿量为驱动力的对流换热系数表示，则可写为： (7-16) 由式(7-16)和式(7-16)得， (7-17)式(7-15)/ (7-17)，得：(7-18)可见，在湍流时，无论Le是否为1，刘易斯关系式总是成立的。因此对层流或湍流种的层流底层来说，刘易斯关系式的适用条件为前面提到的两个条件；对湍流主流而言，则无限制条件。7.3 表面上传质对传热的影响现象：蒸发、凝结表面，气膜冷却。7.3.1表面上有传质但无相变（即无凝结蒸发）薄膜理论滞流层中v0，见图7-4。 问题： 1）求T(y)；

10、 2）求Nu； 3）影响Nu的因素讨论 dycA,StSyCA,tNBNAq3q4q1q2假设：一维传质，恒传质源。图7-4 传质和传热薄膜层示意图假设传热和传质边界层一样厚，否则需详细讨论。参见有关文献。,是导热传热，是扩散传质传热导热： t0是能量参考温度。令：稳态条件下，显然有： (7-20) (7-22) (7-25) (7-26)从公式(7-25)中可看出传质对温度分布的影响。比较：无传质时，换热强化度h为 (7-28)从上式可看出传质对换热强化度的影响，参见图7-5。特例情况，无传质，C0 0 C0>0C0<0 012345678910012345678910图7-5

11、Nu与c0的关系。可见传质影响传热。气膜冷却、发汗冷却等通过吹气体C0增大，降低并趋于0。值得注意的是：qc不是壁面上的总热通量，总热流通量qt可表示如下：图7-6 普通冷却过程及三种传质冷却过程示意图7.3.2 表面上有传质也有相变（即有凝结、蒸发） (7-32)对湿空气： 冷凝表面，蒸发表面， 两种情况下，=>由于凝结或者蒸发，传热量大大增加。作业1： 25干空气掠过40的湿表面，计算全热散热速率与显热散热速率之比。作业2： 100水蒸汽冷凝到37皮肤表面，计算全热释热速率与显热释热速率之比。作业3：阅读参考文献4,5，写一word文档文件，并作ppt, 介绍其工作。参考文献1 Gu

12、o, Z.Y., Novel concept and approaches of heat transfer enhancement, Proc. Of Symposium on Energy Engineer in the 21st Century (See2000), Vol. 1, 118-126, New York: Begell House.2 Z. Y. Guo, D. Y. Li and B. X. Wang, A novel concept for convective heat transfer enhancement, Int. J. Heat Mass Transfer,

13、 V.41, 2221-2225, 1998.3 王如竹，丁国良等著，最新制冷空调技术，科学出版社，2002年底月第1版，7-2 对流换热强化新技术，pp.344-359.4 Guo ZY, Tao WQ, Shah RK，The field synergy (coordination) principle and its applications in enhancing single phase convective heat transfer, INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER 48 (9): 1797-1807, APR 20055 T