热质交换原理与设备2.5热质传递模型

2018年6月10日
热质交换过程与设备. 第二章
2.5.2 薄膜理论
1）静止膜模型
与固体表面紧密接触的流体，可以恰当地说成是静止 的。鉴于传递阻力主要集中在非常接近两相边界区域内的 事实，奈斯特（Nernst）于1904年提出了膜理论。其要点 是：当空气流过一湿壁时，壁面上的空气流速应该等于零； 因此在接近壁面处有—层滞流流体薄膜，其厚度为 ；由 于是滞流薄层，传质过程必定是以分子扩散形式通过这一 薄层；全部对流传质的阻力都集中在这一薄层内。 根据薄膜理论，传质速率就可以用扩散方程来计算了。 对于二元系统，通过静止气层的传质系数 K C 可以定义为 DAB p KC (2 5 5) pB,lm
KC 2 DAB
c
(2 5 6)
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热质交换过程与设备. 第二章
2.5.2 薄膜理论
式中 c 为旋涡在界面的暴露时间。
渗透理论推导出 K C 与 DAB 成正比，比起薄膜理论较为 符合实际。但是式中的暴露时间 c 与薄膜理论中薄膜厚 度 一样，都是难以确定的。
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热质交换过程与设备. 第二章
2.5.1 同时进行传热与
传质的过程
一般地说，质量传递过程总是伴随着热量传递过程， 即使在等温过程中也照样有着热 量的传递。这是因为在传质过程中，随着组分质量传递 的同时，也将它本身所具有的治值 带走，因而也产生了热量的传递。 在等温过程中，由于组分的质量传递，单位时间、单位 面积上所传递的热量为：
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2.5.2 薄膜理论
2） 溶质渗透模型
1935年郝格比(Higble)提出的(溶质)渗透理论，证明 了KC 应与DAB 的0~1次方成正比的推论。渗透理论认为，传 质过程主要靠紊流的旋涡运动，流体微团由流体内部运动 至界面，经过很短时间(称暴露时间)后，又由界面向流体 进行非稳态涡流扩散。之后，存在于界面的原来旋涡又被 其他旋涡所代替，并且反复进行这个过程。该模型给出的 平均传质速率，取决于界面上旋涡的暴露时间，以及在这 个时间内扩散组分穿过界面传递的旋涡数量。由此推导出 传质系数为
2.5.2 薄膜理论
目前对于同时进行传热传质过程的理论计算，一般都 是根据薄膜理论模型。因此在具体介绍计算之前，简单介 绍一下传递模型。 在所讨论的热质交换过程中，大部分都涉及到空气与 水之间的热质交换，空气与水之间的热质交换是通过一层 很薄的饱和空气层来进行的，由于贴近水表面区域内的状 态难以观察或难以用实验方法测量，所以需要建立传递模 型，再由实验进行验证。
qm Ni M i c pi T T0
i 1 m
（2-5-1）
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2.5.1 同时进行传热与
传质的过程
式中N i ——组分的传质速率， kmol m 2 s ； c pi ——组分i的定压比热容， kJ kg K ； T ——组分i的温度，K； T0 ——焓值计算的基准温度，K。 M i ——组分i的摩尔质量， kg kmol ；
2.5 热质传递模型
传热传质模型 薄膜理论 同一表面上传质速率对传热过程的影响 刘伊斯关系式
Leabharlann Baidu
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2.5 热质传递模型概述
经过《流体力学》、《传热学》及本课程前期部分内 容的学习，已经讨论了流体的动量传递、能量传递、质量 传递这三个重要的传递过程。但基本上都把它们当作独立 的问题来看待，在分析问题时，认为一个传递过程对另外 的传递过程彼此互不相关。实际上，工程实践中的许多情 形都是同时包含着这三个传递过程，它们彼此是相互影响 的。最简单的例子是热空气流经湿表面的热质交换的过程。
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2.5.1 同时进行传热与
传质的过程
如果系统中存在温差时，则传递的总热量为
qT qh qm
(1)导热传热时：
（2-5-2）
(2)对流传热时：
dT qh dy qh hT
（2-5-3）
（2-5-4）
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热质交换过程与设备. 第二章
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热质交换过程与设备. 第二章
2.5 热质传递模型概述
一方面，由于对流和辐射，热量从热空气传到湿表面，另 一方面，湿表面上被蒸发的蒸汽连同它本身所具有焓一起 传递到流动中的热空气中去，在不同的蒸发速率下，热空 气和湿表面之间的热交换及动量交换就有所不同。空调领 域中大量存在着这些热质交换同时发生的问题：表面冷却 器的冷却除湿、喷水室、冷却塔中水与空气的热质交换、 湿球温度计的工作原理等等。本节将分析热质交换同时进 行的过程，讨论传质与传热过程的相互影响。
（2-5-7）
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2.5.3 同一表面上传质速
率对传热过程的影响
(2)由分子扩散进入微元体的组分A和B本身所具有的热量为 （2-5-8） 当达到稳定状态时，进入微元体的热流量应该等于流出微 元体的热流量，因此有下式成立：
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2.5.2 薄膜理论
需要指出，当根据薄膜理论进行计算时，得出了传质系 数Kc与扩散系数DAB的一次方成正比的结论，这个结论只有 在贴近壁面处才成立。因为在贴近壁面处．紊流渐渐消失， 分子扩散起主要作用。此时，传质速率与扩散系数的一次 方成正比是正确的。但是在薄膜层以外，分子扩散作用渐 渐消失，紊流扩散起主要作用，所以传质系数Kc应与扩散 系数DAB的零次方成正比。因此，总起来说，Kc应与DAB的0~1 次方成正比。
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2.5.3 同一表面上传质速
率对传热过程的影响
如图2-10所示，设有一股温度为T2的流体，流经温度 为T1的壁面，传递组分A、B向流体主流方向进行热质传递， 传递速率分别为NA和NB。假定靠近壁面处有一层滞留薄膜， 其厚度为y0，则壁面与流体之间的热质交换可分析如下： 在膜层内取一厚度为dy的微元体，在x、z方向上为单 位长度，如图2-11所示。那么进入微元体的热量由两部分 组成： (1)由温度梯度产生的导热量 dT q1 dy